Тема 2

МН-12: Макарова Марина, Лихачёв Юрий, Короткевич Иван, Куцан Наталия, Костюченкова Екатерина, Ермовский Велор.

Дайте понятие

Дайте понятие

Энтропии

Информации

Основы системного анализа

Система, правила выделения систем

Разновидности систем:

Однородные – разнородные

Открытые – закрытые

Равновесные – неравновесные.

Второй закон термодинамики, его интерпретация с позиций термодинамики, космологии, философии.

Энтропия как мера молекулярного беспорядка

Статистическая природа второго начала термодинамики

Второй закон термодинамики как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур

Основной парадокс эволюционной картины мира: закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии

Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии

Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды

Термодинамика Земли как открытой системы

Обоснуйте, почему живые организмы являются неравновесными открытыми системами.

Дайте понятие

Нелинейность

Бифуркация

Дайте понятие

Флуктуация

Самоорганизация

Что такое хаотичные системы

Дайте понятие аттрактора

Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны

Почему явление самоорганизации возможно только в открытых, неравновесных системах? Сущность самоорганизации. Выделите фазы, постройте схему процесса развития открытых неравновесных систем с возникновением новой упорядоченности.

Почему теория самоорганизации применима в разных дисциплинах (физика, химия, биология, экономика, политика, психология …..)

Принципы организации современного естествознания.

1. Материя – это совокупность квантованных полей, квантом которых являются элементарные частицы (Бабаназарова О.В. Концепции современного естествознания. Часть 1: учебное пособие / Ярославский Гос. ун-т. Ярославль, 2000)

Материя - это все весомое, все занимающее пространство или все земное (камень, дерево, воздух и пр.); общее отвлеченное понятие вещественности, телесности, всего, что подлежит чувствам: противоположность духовному (умственному и нравственному) (Толковый словарь живого великорусского языка Владимира Даля).

Материя – это то непреходящее, не изменяющееся, постоянно пребывающее, что лежит в основе сменяющихся, чувственно воспринимаемых физических явлений (Малый энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона).

Энергия – (от греч.energeia– деятельность) - мера различных видов движения и взаимодействия в формах: механической, тепловой, электромагнитной, химической, гравитационной, ядерной (Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.:Центр, 2002.с 76).

Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие (Словарь по естественным наукам. Глоссарий.ру).

Энергия - общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи (Большая советская энциклопедия).

2. Энтропия - это мера беспорядка, неорганизованности системы (Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.:Центр, 2002. с 75).

Информация – (от лат.informatio– ознакомление, разъяснение) – это мера организованности системы (Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.:Центр, 2002. с 75).

3. Система – это целое, составленное из частей; это совокупность взаимосвязанных элементов, образующих некоторое целостное единство.

Правила выделения систем:

Поставить цель;

Выделить элементы, которые рассматриваются как неделимые на данном уровне анализа;

Выявить связи между элементами;

Понять законы композиции, по которым взаимодействуют элементы и образуют целостность.

4. Разновидности систем:

I1) Однородные – системы, в которых присутствуют одни и те же элементы;

2) Разнородные – системы, составные элементы которых имеют разную природу.

II1) Открытые – системы, которые обмениваются энергией, информацией, веществом;

2) Закрытые – системы, которые не получают энергии извне.

III1) Равновесные – системы, которым при переходе из одного состояния в другое требуется приток энергии, при совершении этого перехода система может сохранять свое состояние достаточно долго без дополнительного притока энергии, вещества, информации;

2) Неравновесные – системы, которые требуют постоянного притока энергии, вещества, информации для поддержания своей сложности, так как часть энергии постоянно рассеивается.

(Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.:Центр, 2002. с 72-83).

5. Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отраженовторым законом термодинамики , имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа.Существуют несколько эквивалентных формулировок второго закона термодинамики:

Постулат Клаузиуса :«Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называетсяпроцессом Клаузиуса ).

Постулат Томсона :«Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называетсяпроцессом Томсона ).

С позиции термодинамики этот закон можно интерпретировать следующим образом: 1)передача теплоты от холодного источника к горячему невозможна без затраты работы;

2)невозможно построить периодически действующую машину, совершающую работу и соответственно охлаждающую тепловой резервуар;

3)природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным.

Другими словами, второй закон термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что невозможно всю внутреннюю энергию тела превратить в полезную работу.

С позиции космологии этот закон можно интерпретировать следующим образом:

Если наша Вселенная является изолированной (замкнутой) системой, то обмен энергией с другими системами невозможен. В том, что наш мир - изолированная система, никто из ученых не сомневался, но тогда согласно второму закону термодинамики все виды энергии должны в конце концов перейти в тепло, которое равномерно распределится по системе, то есть Вселенная придет в состояние теплового равновесия и все макроскопические движения в ней прекратятся. Наступит так называемая тепловая смерть Вселенной . Многие пытались разрешить это противоречие. Для того чтобы примирить этот вывод с бесконечным существованием Вселенной, Больцман утверждал, что в силу статистической природы второго закона он выполняется неточно. В некоторой достаточно большой области Вселенной произошла флуктуация, и энтропия в ней понизилась. Хотя это явление и крайне редкое, но, в силу бесконечности существования Вселенной, у нас в запасе бесконечно большое время, чтобы дождаться его. Как мы увидим в беседе об эволюции Вселенной, в этих рассуждениях не была учтена отрицательная энергия тяготения, так как не было еще известно о расширении Вселенной. Учет отрицательной энергии тяготения, не нарушая закона сохранения энергии, приводит к тому, что положительная часть энергии может возрастать, и увеличение энтропии, которое обязательно происходит, не обязательно ведет к замиранию процессов во Вселенной.

С позиции философии этот закон можно интерпретировать следующим образом:

Из хаоса никогда и ни при каких условиях сам собой не может установиться порядок. Другими словами, самопроизвольное усложнение любой системы невозможно.

Кириллин В.А.Техническая термодинамика: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1983.

6. Несоответствие между превращением теплоты в работу и работы в теплоту приводит к односторонней направленности реальных процессов в природе, что и отражает физический смысл второго начала термодинамики в законе о существовании и возрастании в реальных процессах некой функции, названнойэнтропией , определяемойкак мера молекулярного беспорядка.

Энтропия – это мера беспорядка системы, мера рассеивания энергии, форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество.

Согласно второму закону термодинамики, все реальные процессы во Вселенной должны протекать с увеличением энтропии . Энтропия, как показал Больцман, характеризует степень беспорядка в системе: чем она больше, тем больше беспорядок.

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая

из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией)

система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью

движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или

термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично.

Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что

эквивалентно хаосу.

Однако, исходя из теории изменений Пригожина, энтропия - не просто

безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то

ни было организации. При определенных условиях энтропия становится

прародительницей порядка.

(Горелов А.А. Концепции современного естествознания. – М.:Центр, 2002. с 86-87;

Кириллин В.А.Техническая термодинамика: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1983)

7 . Второй закон термодинамики носит статистический характер (имеет статистическую природу) то есть

применим только к системам, содержащим большое количество частиц. Действительно,

Рассмотрим пример: газ, находящийся в одной половине сосуда, стремится равномерно распределиться по всему его объему, если убрать перегородку. Это происходит потому, что первое состояние более упорядочено, его можно осуществить всего двумя способами, когда газ находится или в той, или в другой половине сосуда. Второе состояние, когда газ равномерно распределен по всему объему, наиболее беспорядочно, так как может быть осуществлено огромным количеством способов за счет взаимной перестановки всех молекул газа при сохранении их полной энергии.А если в нашем примере газ содержал бы десяток частиц, то за счет флуктуаций они иногда бы собирались в той или иной половине сосуда. Однако с ростом числа частиц эти состояния наступали бы все реже и реже, а при количестве частиц порядка 10 22 такое событие было бы просто невероятным. Хотя принципиально оно может наступить, так как вероятность его осуществления хоть и бесконечно мала, но в точности не равна нулю.

(

8. Второй закон термодинамики утверждает, что все реальные процессы во Вселенной должны протекатьс нарастанием беспорядка и разрушением структур – с нарастанием энтропии.

Более точная формулировка второго начала термодинамики принимает тогда

вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.

В состоянии равновесия она максимальна. Энтропия, как показал Больцман, характеризует степень беспорядка в системе: чем она больше, тем больше беспорядок. Теперь ясно, что тепловая энергия равновесного состояния бесполезна для совершения работы, потому что она наиболее беспорядочна. Становится ясным, почему все естественные процессы в природе идут с рассеянием энергии. Потому что это увеличивает беспорядок.

(Кириллин В.А.Техническая термодинамика: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат, 1983)

9.Эволюция - объективно происходящее во времени изменение, проявляющееся как неукоснительное, непрерывное совершенствование, ведущее к повышению качественного уровня и степени организации объектов, а на основе этого - их успешной адаптации и эффективного функционирования в рамках определенных условий.

Эволюция - это способ живого противостоять энтропии , нарастающему хаосу и беспорядку. Она творит разные новшества, но естественный отбор сохраняет только те из них, что придают организмам устойчивость к дальнейшим изменениям, те, что позволяют им воспроизводить свои копии в длинном ряду поколений, практически не меняясь. Как это ни странно, но получается, что эволюция работает против себя самой.

Мы привыкли к тому, что эволюция есть создание чего-то нового, более сложного и совершенного. Но на самом деле эволюция - это создание не просто нового, а нового, которое сопротивляется дальнейшим изменениям. Удивительно то, что, сопротивляясь энтропии, эволюция на самом деле этой самой энтропией движима. Так, никуда не деться организмам от мутаций - сбоев в механизме передачи наследственной информации от родителей к потомкам. Мутации приводят, в конце концов, к гибели организмов и вымиранию видов. Но удивительно то, что в ходе этого разрушительного по сути своей процесса (частного проявления энтропии) случайно создаются новшества, которые опять же случайно могут оказаться устойчивыми к дальнейшей деградации. Вот они-то и сохраняются отбором. Так возник когда-то генетический код (недаром он универсальный для всех организмов!) и механизм воссоздания организмами своих копий из материала окружающей среды, так появился диплоидный набор хромосом и половое размножение так возникала забота о потомстве и разные другие сложнейшие формы поведения животных (а в конце концов и наша культура). Короче говоря, так сформировалось всё то, что позволяет организмам воспроизводить себя в потомках, не исчезая с лица Земли.

10 . В открытых системах существуюттри потока энтропии .

Первый поток – собственная энтропия, которая, как и в закрытых системах, всегда растет.

Второй поток – экспортируемая энтропия (выходящий поток) удаляемая из системы во внешнюю среду. Этот поток кратко называют экспортом энтропии.

Третий поток – импортируемая энтропия (входящий поток), поступающая в систему из внешней среды.

Результирующая энтропия открытой системы зависит от соотношения между этими тремя потоками и может вести себя как угодно: расти, уменьшаться или быть постоянной. Если энтропия постоянна, то говорят, что система находится в стационарном режиме.

(А.П. Садохин Концепции современного естествознания. М., 2005)

11 . Для земных организмов общий энергообмен можно упрощенно представить как образование в фотосинтезе сложных молекул углеводов из СО2 и Н2О с последующей деградацией продуктов фотосинтеза в процессах дыхания. Именно этот энергообмен обеспечивает существование и развитие как отдельных организмов - звеньев в круговороте энергии. Так и жизни на Земле в целом.С этой точки зрения уменьшение энтропии живых систем в процессе их жизнедеятельности обусловлено в конечном итоге поглощением квантов света фотосинтезирующими организмами, что, однако, с избытком компенсируется образованием положительной энтропии в недрах Солнца.Другими словами, живые организмы добывают упорядоченность из окружающей среды.

Этот принцип относится и к отдельным организмам, для которых поступление извне питательных веществ, несущих приток "отрицательной" энтропии, всегда сопряжено с продуцированием положительной энтропии при их образовании в других участках внешней среды, так что суммарное изменение энтропии в системе организм + внешняя среда всегда положительно.

При неизменных внешних условиях в частично равновесной открытой системе в стационарном состоянии, близком к термодинамическому равновесию, скорость прироста энтропии за счет внутренних необратимых процессов достигает отличного от нуля постоянного минимального положительного значения.

diS/dt => Amin > 0

Этот принцип минимума прироста энтропии, или теорема Пригожина, представляет собой количественный критерий для определения общего направления самопроизвольных изменений в открытой системе вблизи равновесия.

Это условие можно представить по-другому:

d/dt (diS/dt) < 0

Это неравенство свидетельствует об устойчивости стационарного состояния. Действительно, если система находится в стационарном состоянии, то она не может самопроизвольно выйти из него за счет внутренних необратимых изменений. При отклонении от стационарного состояния в системе должны произойти внутренние процессы, возвращающие ее к стационарному состоянию, что соответствует принципу Ле-Шателье - устойчивости равновесных состояний. Иными словами, любое отклонение от устойчивого состояния вызовет увеличение скорости продуцирования энтропии.

В целом уменьшение энтропии живых систем происходит за счет свободной энергии, освобождаемой при распаде поглощаемых извне питательных веществ или за счет энергии солнца. Одновременно это приводит к увеличению их свободной энергии. Таким образом, поток отрицательной энтропии необходим для компенсации внутренних деструктивных процессов и убыли свободной энергии за счет самопроизвольных реакций метаболизма. В сущности, речь идет о круговороте и превращении свободной энергии, за счет которой поддерживается функционирование живых систем.

12. Термодинамика Земли как открытой системы возникает под действием двух факторов:

Под действием внешней среды

Изменение внутри самой системы

Зная эти факторы можно вычислить скорость изменения энтропии

dS/dt = d e S/dt + d i S/dt.

Полученное выражение означает, что скорость изменения энтропии системы dS/dt равна скорости обмена энтропией между системой и окружающей средой плюс скорость возникновения энтропии внутри системы.

Член d e S/dt , учитывающий процессы обмена энергией с окружающей средой, может быть и положительным, и отрицательным, так что при d i S > 0 общая энтропия системы может как возрастать, так и убывать.

Отрицательная величина d e S/dt < 0 соответствует тому, что отток положительной энтропии от системы во внешнюю среду превышает приток положительной энтропии извне, так что в результате общая величина баланса обмена энтропией между системой и средой является отрицательной. Очевидно, что скорость изменения общей энтропии системы может быть отрицательной при условии:

dS/dt < 0 if d e S/dt < 0 and |d e S/dt| > d i S/dt.

Таким образом, энтропия открытой системы уменьшается за счет того, что в других участках внешней среды идут сопряженные процессы с образованием положительной энтропии.

(С.Х. Карпенков Концепции современного естествознания.-М.:2002)

13. Для открытых систем характерен обмен материей и энергией с окружающей средой, в том числе и с другими системами, а для закрытых такой обмен исключен. Закрытых систем в реальности практически не существует, это определенный прием идеализации для решения исследовательских задач. Для неравновесной системы характерна необходимость постоянного подвода энергии для достижения нового состояния, так как происходит постоянное рассеивание энергии, эта ситуация далека от равновесной. Растение, животное или человек есть изумительный пример разнородной, открытой неравновесной химической системы. Находящейся в неустойчивом равновесии. Они представляют собой чрезвычайно маловероятную структуру, обладающую очень низкой энтропией.Эта неустойчивость наблюдается особенно ярко, когда наступает смерть.

(Бабаназарова О.В. Концепции современного естествознания. Часть 1: учебное пособие / Ярославский Гос. ун-т. Ярославль, 2000. c 19-20).

14. Нелинейность – дифференциальные уравнения, описывающие явления, имеют несколько решений (Бабаназарова О.В. Концепции современного естествознания. Часть 1: учебное пособие / Ярославский Гос. ун-т. Ярославль, 2000. с 43).

Бифуркация – разветвление, раздвоение в траектории движения системы в определенной точке (Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебное пособие – М.: высшая школа,1998. с 366)

Бифуркация – (от лат.Bifurcus- раздвоенный) - приобретение нового качества движениями динамической системы при малом изменении ее параметров, точка скачкообразного изменения состояния системы

(Бабаназарова О.В. Концепции современного естествознания. Часть 1: учебное пособие / Ярославский Гос. ун-т. Ярославль, 2000.с 42)

15. Флуктуация – случайное отклонение системы от равновесного положения (Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебное пособие – М.: высшая школа,1998. с 380)

Самоорганизация – природный скачкообразный процесс, переводящий неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.(Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебное пособие – М.: высшая школа,1998. с 378)

16 .Хаотичные системы – это системы, которые сверхчувствительны к самым слабым флуктуациям, это непредсказуемые системы.

17 .Аттрактор – близок к понятию цель. Относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает все множество траекторий движения системы. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию

(Бабаназарова О.В. Концепции современного естествознания. Часть 1: учебное пособие / Ярославский Гос. ун-т. Ярославль, 2000. с 25).

18. Примеры самоорганизации в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны.

Генерация лазерного излучения считается примером временной самоорганизация Лазер непрерывного действия-сильно неравновесная открытая система, образованная возбужденными частицами (атомами, молекулами) и модами электромагн. поля в резонаторе. Неравновесность этой системы поддерживается непрерывным притоком энергии от внеш. некогерентного источника (накачкой). При малых интенсивностях накачки излучение системы состоит из не сфазированных между собой цугов волн. С повышением интенсивности накачки вплоть до нек-рой пороговой величины излучение системы становится когерентным, т.е. представляет собой непрерывный волновой цуг, в к-ром фазы волн жестко скор-релированы на макроскопич. расстояниях от излучателя. Этот переход к генерации когерентных колебаний можно интерпретировать каксамоорганизация

Ячейки Х. Бенара . Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. Если в сковородку с гладким дном налить минеральное масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся открытой системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек), как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1.

В центре ячейки масло поднимается вверх, а по краям опускается вниз. В верхнем слое шестигранной призмы оно движется от центра призмы к ее краям, в нижнем - от краев к центру. Важно отметить, что для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловых потоков. Поскольку система обменивается с окружающей средой только теплом и в стационарном состоянии (при Т1) получает тепла столько, сколько отдает (при Т2 < Т1), то

S=(Q/T1)-(Q/T2) < 0, т.е. внутренняя структура (или самоорганизация) поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии, или негэнтропии из окружающей среды. Подобные конвективные ячейки образуются в атмосфере, если отсутствует горизонтальный перепад давления.

Реакция Белоусова-Жаботинского. Химические часы. Самоорганизация в химических системах связана с поступлением извне новых веществ, которые обеспечивают продолжение реакции, и выведением в окружающую среду отработанных.

Рисунок 2

Такие реакции были получены в 50-х годах 20-го века советскими учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. Однако полученные ими результаты были настолько необычными, что ученые долго не могли опубликовать их. Лишь в 80-х годах они получили признание. Суть реакции Белоусова - Жаботинского состоит в окислении органической кислоты бромидом калия. При добавлении индикатора окислительно-восстановительных реакций (ферроина) можно наблюдать за ходом реакции по периодическому изменению цвета раствора. Внешне самоорганизация проявляется появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора с синего на красный и наоборот (рисунок 2). Этот колебательный процесс идет без всякого вмешательства извне в точение нескольких десятков минут и получил название «химических часов».

Следует заметить, что колебания происходят около неустойчивого стационарного состояния вдали от состояний равновесия. (Около устойчивых стационарных состояний такие периодические колебания невозможны).

Спиральные волны. В синергетике (теории диссипативных систем) самым фундаментальным фактором является самоорганизация спиральных автоволновых структур в активных средах с диссипацией энергии. Спиральные волны представляют собой главный тип элементарных самоподдерживающихся структур в однородных возбудимых средах. Такой средой как раз и является физический вакуум. Поэтому, элементарные частицы вещества неизбежно должны были самоорганизоваться в нем и, именно, лишь в виде спиральных автоволн. На это указывают и основные закономерности, общие для элементарных частиц и спиральных волн:

корпускулярно-волновая природа элементарных частиц (они, как и ядра спиральных волн, имеют пространственные координаты);

кооперативное поведение, как частиц, так и спиральных волн;

наличие инерции движения (как у элементарных частиц, так и у спиральных автоволновых структурных элементов);

наличие аннигиляции при столкновении (как у элементарных частиц и античастиц, так и у сходящихся и расходящихся спиральных волн);

наличие неопределенности во времени и пространстве свершения кванта действия (принципиально невозможно определить начало и конец любого спирального витка, переносящего квант действия а, следовательно, - и точно определить координаты мировых точек свершения действия);

возможность интерпретации оконечных локальных стоков спиральных волн как отрицательных электрических элементарных зарядов, а их первичных локальных истоков – как положительных элементарных зарядов;

наличие у электрона собственного углового момента, не связанного с его вращением (радиальное перемещение витков спиральной волны аналогично эффекту от вращения жесткой логарифмической спирали);

наличие положительного и отрицательного значений спина у элементарных частиц (аналогично вправо и влево закрученным спиралям);

образование электроном в атоме орбитальной волны (аналогично образованию спиральными волнами простых вихревых колец);

невозможность существования, как одинокого кварка, так и одинокого скрученного вихревого кольца ;

наличие асимптотической свободы, как у кварков, так и у скрученных вихревых колец, зацепленных друг с другом (силы взаимодействия возникают лишь при попытке их разъединения);

подобие топологических запретов, ограничивающих число допустимых элементарных частиц и трехмерных спиральных структур ;

очень короткий срок жизни, как элементарных частиц, так и трехмерных спиральных структур, неспособных самоорганизовываться в структуры более высокого иерархического уровня.

М.Эйген. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. М. "Мир", 1973.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.

19. Почему явление самоорганизации возможно только в открытых, неравновесных системах? Сущность самоорганизации. Выделите фазы, постройте схему процесса развития открытых неравновесных систем с возникновением новой упорядоченности.

САМООРГАНИЗАЦИЯ- самопроизвольное (не требующее внешних организующих воздействий) образование упорядоченных пространственных или временных структур в сильно неравновесных открытых системах (физ., хим., биол. и др.).

Непрерывные потоки энергии или вещества, поступающие в систему, поддерживают ее в состоянии, далеком от равновесия. При таких условиях в системе развиваются собственные (внутренние) неустойчивости (области неустойчивого поведения), развитием которых является самоорганизация.

Самоорганизация представляет собой возможность изменения состояния системы, а воздействие может быть оказано только на открытую систему и лишь неравновесная система способна к изменению и развитию. Такие системы чувствительны к воздействиям внутренних элементов системы. Поэтому явление самоорганизации возможно только в открытых, неравновесных системах .

Фазы в эволюции открытых неравновесных систем:

развитие по линейным законам (поддержание гомеостаза, предсказуемость, способность переживать воздействия как случайные в результате внешних и внутренних взаимодействий. Следовательно, возрастает неравновесность. Связи между элементами рвутся. В этом состоянии возможен переход ко 2 фазе)

точка бифуркации (раздвоения) Система ведет себя непредсказуемо, нелинейно. В точке бифуркации система не помнит своего прошлого. Происходит выбор пути развития, образуется новая структура.

При самоорганизации возникают новые структуры, увеличивается порядок, растет свободная энергия системы, уменьшается энтропия.

(Николис Г., Пригожин И., Самоорганизация в неравновесных структурах, пер. с англ., М., 1979)

Почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы.

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.

Разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, к какому разделу науки они относятся, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям.

Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:

1. Термодинамика неравновесных (открытых) систем.

2. Синергетика.

3. Теория катастроф.

Как идет процесс превращения?

В каком направлении? Почему тепло переходит от горячего тела к холодному? Почему пирамида Хеопса разрушается, а не восстанавливается?

Обратимые и необратимые процессы.

В физике вводится понятие энтропии, как меры беспорядка в системе.

Произвольно идущие процессы протекают в направлении увеличения энтропии, т.е. беспорядка в системе (точнее говорить о вероятности направления протекания процесса).

Может ли воздух собраться «сам» в одной половине сосуда? Конечно, нет (точнее, Р= 5 10 -22).

Неравновесные процессы и открытые системы.

Кристаллы – упорядоченные равновесные структуры

Рассматрим несколько примеров, чтобы понять, о чем идет речь.

1. Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли - под действием солнечного излучения: - самоорганизация на Земле.

Образование упорядоченных вихрей в атмосфере и океанах Земли.

Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс в масштабах полушария или всего земного шара, приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере.

Главной причиной возникновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Таким образом, солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли.

Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли: это пример самоорганизация на Земле.

2. Ячейки Бенара - самоорганизация в физических явлениях.

Ячейки Бенара или Рэлея-Бенара - возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемой снизу. В качестве жидкости используется, как правило, силиконовое масло.

3. Химическая реакция Белоусова-Жаботинского - самоорганизация в химии.

Реакция Белоусова - Жаботинского - химическая реакция, в которой возникают хаотические автоколебательные процессы. В настоящее время найдены многие реакции с таким свойством.

В 1951 Б. П. Белоусов обнаружил автоколебания в реакции окисления бромата калия КBrO 3 малоновой кислотой HOOC-CH 2 -COOH в кислотной среде в присутствии катализатора - ионов церия Ce +3 . Течение реакции меняется со временем и раствор периодически меняет цвет от бесцветного (Ce +3) к жёлтому (Ce +4) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора pH ферроина. Наиболее эффектно выглядит колба, если вместо лимонной кислоты использовать малоновую, а вместо ионов церия ионы железа Fе 2+ . Тогда раствор в колбе может часами со строгой как часы периодичностью изменять цвет во всем видимом диапазоне от рубиново-красного до небесно-голубого. Сообщение Белоусова было встречено в научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны.

В 1961 механизм реакции Белоусова был объяснён аспирантом А. Жаботинским, но эта работа оставалась малоизвестной до 1968 года. В 1969 Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов.

Таким образом, имеется автоколебательный процесс изменения концентрации четырехвалентного церия с одновременным варьированием цвета

На поверхности раствора появляются поверхностные волны (химические спиральные волны)

Реакция Белоусова - Жаботинского

Реакция Белоусова - Жаботинского

Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова - Жаботинского с ферроином

Реакция Белоусова-Жаботинского - класс химических реакций , протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce 3+ , Mn 2+ и комплексы Fe 2+ , Ru 2+), органическими восстановителями (малоновая кислота , броммалоновая кислота , лимонная кислота , яблочная кислота и др.) и окислителями (броматы, иодаты и др.). При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. В частности, именно в реакции Белоусова - Жаботинского наблюдался первый экспериментальный странный аттрактор в химических системах и была осуществлена экспериментальная проверка его теоретически предсказанных свойств.

История открытия колебательной реакции Белоусовым Б.П , экспериментальное исследование ее и многочисленных аналогов, изучение механизма, математическое моделирование, историческое значение приведены в коллективной монографии .

История открытия

Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова - Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Механизм реакции

Жаботинский предложил первый механизм реакции и простую математическую модель , которая была способна демонстрировать колебательное поведение. В дальнейшем механизм был расширен и уточнён, экспериментально наблюдаемые динамические режимы, включая хаотические, были теоретически рассчитаны и показано их соответствие эксперименту. Полный список элементарных стадий реакции очень сложен и составляет почти сотню реакций с десятками веществ и интермедиатов . До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно константы скоростей реакций.

Значение открытия реакции

Реакция Белоусова - Жаботинского стала одной из самых известных в науке химических реакций, её исследованиями занимаются множество учёных и групп различных научных дисциплин и направлений во всём мире: математике , химии , физике , биологии . Обнаружены ее многочисленные аналоги в разных химических системах (см., например, твердофазный аналог - самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Опубликованы тысячи статей и книг, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций. Открытие реакции фактически дало толчок к развитию таких разделов современной науки , как синергетика , теория динамических систем и детерминированного хаоса .

См. также

Примечания

Ссылки

1. Из истории открытия и изучения автоколебательных процессов в химических системах: к 50-летию открытия реакции Белоусова - Жаботинского
2. Б. П. Белоусов и его колебательная реакция , журнал «Знание - сила»
3. Реакционные схемы Белоусова Жаботинского и Бриггса Раушера , дифференциальные уравнения
4. В. А. Вавилин. Автоколебания в жидкофазных химических системах
5. А. А. Печенкин. Мировоззренческое значение колебательных химических реакций
6. Колебания и бегущие волны в химических системах. Ред. Р.Филд и М. Бургер. М., «Мир», 1988 /Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc. (Engl)/

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Нокс, Джон
• Колт

Смотреть что такое "Реакция Белоусова - Жаботинского" в других словарях:

Реакция Белоусова - Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова Жаботинского с ферроином Реакция Белоусова Жаботинского класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентраци … Википедия

Реакция Белоусова-Жаботинского

Реакция Бриггса - Раушера - («йодные часы») автоколебательная химическая реакция. При взаимодействии пероксида водорода, йодноватой кислоты, сульфата марганца (II), серной и малоновой кислот и крахмала возникает колебательная реакция с переходами бесцветный золотой синий.… … Википедия

Реакция Бриггса-Раушера - («йодные часы») автоколебательная химическая реакция. При взаимодействии пероксида водорода, йодноватой кислоты, сульфата марганца (II), серной и малоновой кислот и крахмала возникает колебательная реакция с переходами бесцветный золотой синий.… … Википедия - Содержание 1 Модель Жаботинского Корзухина 2 Брюсселятор 3 Орегонатор … Википедия

Колебательные реакции - Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова Жаботинского с ферроином Реакция Белоусова Жаботинского класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов … Википедия

Белоусов, Борис Павлович - Борис Павлович Белоусов Фото 1930 года Дата рождения: 7 (19) февраля 1893(1893 02 19) Место рождения: Москва Дата с … Википедия

Опыты Белоусова – Жаботинского

Автоколебательные реакции

Особый тип окислительно-восстановительных реакций - колебательные реакции. Они протекают в довольно сложных реакционных системах, и для таких реакций очень важным фактором оказывается кинетический. В таких системах возможно протекание ряда последовательных реакций, которые характеризуются различной скоростью. Взаимное наложение нескольких таких реакций, продукты которых могут оказывать каталитическое либо ингибирующее воздействие, проводит к тому, что в реакционной среде поочередно накапливается то один, то другой компонент. В случае интенсивно окрашенных веществ в значительных концентрациях колебательные реакции легко наблюдать. Наиболее известные и применимые для демонстрации в обычных условиях колебательные реакции впервые наблюдал Борис Павлович Белоусовв 1958 г., изучая систему лимонная кислота - сульфат церия(III ) - бромат калия в кислотной среде.

Исторические сведения

Первые описания колебаний в концентрационных системах относятся к XIX в. Это исследование колебаний электрохимической реакции (1828 г.) и каталитической гетерогенной реакции (1833 г.) М. Розеншельд в 1834 г. случайно заметил, что небольшая колба, содержащая немного фосфора, в темноте испускает довольно интенсивный свет, причем это свечение регулярно повторялось каждую седьмую секунду. М. Жубер в 1874 г. наблюдал периодическое образование «светящихся облаков» в пробирке с парами белого фосфора. Позднее А. Центнершвер исследовал влияние давления воздуха на периодические вспышки фосфора: он установил, что частота вспышек начинается с 20 секунд и растет с понижением давления. В то же время Т. Торп и А. Таттон наблюдали в запаянном стеклянном сосуде периодические вспышки реакции окисления триоксида фосфора. В 1896 г. немецкий химик Р. Лизеганг, экспериментируя с фотохимикатами, обнаружил, что если капнуть раствором нитрата серебра на стеклянную пластину, покрытую желатиной, содержащей дихромат калия, то продукт реакции, выпадая в осадок, располагается на пластинке концентрическими окружностями. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием. Нашлось и практическое его применение. В прикладном искусстве «кольца Лизеганга» использовали для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и т. п. Сам Лизеганг предложил технологию изготовления искусственного жемчуга. В книге Ф.Рунге (1855 г.) были собраны многочисленные примеры таких экспериментов.

В дальнейшем были открыты колебательные реакции на границе раздела двух фаз. Из них наиболее известны реакции на границе металл–раствор, получившие специфические названия – «железный нерв» и «ртутное сердце». Первая из них – реакция растворения железа (проволоки) в азотной кислоте – получила свое название из-за внешнего сходства с динамикой возбужденного нерва, замеченного В.Ф. Оствальдом. Вторая – реакция разложения Н 2 О 2 на поверхности металлической ртути. В реакции происходит периодическое образование и растворение пленки оксида на поверхности ртути. Колебания поверхностного натяжения ртути обусловливают ритмические пульсации капли, напоминающие биение сердца.

Объяснения протекающим периодическим процессам в химии долгое время не было. Лишь во второй половине XIX в. возникли термодинамика и химическая кинетика, положившие начало специфическому интересу к колебательным реакциям и методам их анализа. В то же время развитие равновесной термодинамики послужило на первых порах тормозом при изучении подобных процессов. Дело, видимо, было в «инерции предыдущего знания». Невозможно было представить себе в беспорядочном тепловом движении огромного числа молекул макроскопическую упорядоченность. И в самом деле не может этого быть – но только вблизи состояния равновесия, которое рассматривала термодинамика тех лет. Однако никаких ограничений не существует для сложных, в том числе колебательных, режимов для неравновесных химических систем, когда реакции еще не завершились, и концентрации реагентов не достигли равновесного уровня.

Современнаяистория исследований колебательных химических реакций в жидкой фазе началась в 1951 г. с открытия Белоусова, хотя для самого автора все проходило далеко не так гладко. Его статья с описанием колебательной реакции дважды отклонялась редакциями академических химических журналов. Лишь в 1958 г. ее сокращенный вариант вышел в малоизвестном «Сборнике рефератов по радиационной медицине». Очевидно, главной причиной неприятия химиками этого явления послужило широко распространенное мнение о том, такие реакции «запрещены» вторым законом теормодинамики. Однако в 1952 г. была опубликована статья английского ученого А.М. Тьюринга «Химические основы морфогенеза», в которой он сообщал, что сочетание химических колебаний с диффузией молекул может приводить к появлению устойчивых пространственных структур, области высоких и низких концентраций которых чередуются. Тьюринг, решая теоретическую задачу о том, могут ли в реакторе в условиях химической реакции образовываться устойчивые конфигурации промежуточных продуктов, создал математическую модель этого процесса.

В 1955 г. автор теории термодинамики необратимых процессов И.Р. Пригожин показал, что в открытой системе около стационарного состояния, достаточно удаленного от химического равновесия, возможны химические колебания,обратил внимание научной общественности на работы советских ученых. В результате некоторые колебательные гетерогенные химические реакции, открытые еще в конце XIX в., получили широкое признание. Именно их стали рассматривать как аналоги ряда периодических процессов, например «биологических часов».

Исследователям стало ясно, что второй закон термодинамики не нарушается в живых системах и не мешает их сложному поведению и эволюции. Но для существования жизни или любой ее физической или химической модели необходимо, чтобы система достаточно долго находилась вдали от термодинамического равновесия. И гомогенные химические системы могли стать удобной моделью для изучения таких процессов.

Позже эти работы были продолжены в лаборатории физической биохимии Института биологической физики АН СССР. Легкость воспроизведение результатов и красивые визуальные эффекты, наблюдаемые в реакции Белоусова, способствовали ее широкой известности (позднее ее назвали реакцией Белоусова–Жаботинского, или БЖ-реакцией). Аналогичные колебания в жидкофазной химической системе открыл в 1921 г. У. Брей при изучении реакции пероксида водорода с иодатом калия, которое сопровождается периодическим выделением кислорода из системы. Периодическую реакцию Брея позднее назвали реакцией Брея–Либавского.

Открытие и изучение в ходе реакции Белоусова автоколебаний и автоволн – одна из самых блестящих страниц фундаментальной отечественной науки в послевоенный период.

БЕЛОУСОВ Борис Павлович

(19.II.1893-12.VI.1970)

БЕЛОУСОВ Борис Павлович - советский химик. Родился в Москве в семье банковского служащего, шестой ребенок в семье. Вместе с братьями рано был вовлечен в революционную деятельность и в возрасте 12 лет арестован. Его матери предложили на выбор: либо сибирская ссылка, либо эмиграция. Семья оказалась в Швейцарии в большевистской колонии. В Цюрихе началось его увлечение химией, но возможности получить образование не было, поскольку надо было платить за обучение. В начале первой мировой войны Борис вернулся в Россию, желая добровольно вступить в армию, но по состоянию здоровья его не взяли.

Белоусов поступает на работу в химическую лабораторию металлургического завода Гужона (ныне завод "Серп и молот"), которой заведовал известный российский химик В.Н. Ипатьев. Это предопределило направление исследований будущего ученого: разработка способов борьбы с отравляющими веществами, составы для противогазов. Став военным химиком, Белоусов с 1923 г. преподавал химию в Высшей военно-химической школе РККА (Рабоче-крестьянская Красная Армия, 1918-1946), читал курс лекций по общей и специальной химии в школе усовершенствования командного состава РККА, затем в Военной Краснознаменной академии химической защиты имени С.К. Тимошенко.

Военный химик Белоусов имел звание комбрига, однако в 1935 г. он взял долгосрочный отпуск, а в 1938 г. подал в отставку. Этим, возможно, объясняется то, что сам Белоусов не пострадал в период массовых репрессий 1937-1938 гг. Однако потеря многих сослуживцев и друзей наложила неизгладимый отпечаток на его характер.

Специфика научной деятельности Белоусова была такова, что ни один из его научных трудов никогда и нигде не был опубликован. Несмотря на его огромный вклад в дело создания «химического щита» СССР и блестящие отзывы о работе, в которых было указано, что «Б.П. Белоусову принадлежит ряд столь же оригинальных и интересных научных работ, которые не оставляют сомнения в том, что он безусловно заслуживает присуждения ему степени доктора химических наук без защиты диссертации», он так и не получил никакой ученой степени. Непростой характер Бориса Павловича проявился и здесь, он «не хотел никаких дипломов». Оценка его вклада в создания препаратов, снижающих влияние радиации, была высоккой: не имея все-таки высшего образования, ученый заведовал лабораторией и получал оклад доктора наук.

Проанализировав циклические реакции, открытые в послевоенные годы биохимиками, Белоусов решил осуществить химическую аналогию биологических циклов. Исследуя окисление лимонной кислоты броматом в присутствии катализатора, он обнаружил концентрационые колебания реагентов - так была открыта колебательная реакция. В 1951 г. и 1955 г. Белоусов предпринимает попытки опубликовать свое открытие в журналах "Кинетика и катализ" и "Журнал общей химии"". Отзывы на его статьи были категорично отрицательные и, как потом выяснилось, столь же категорично ошибочными. Известно, что это так повлияло на ученого, что он просто выбросил лабораторную пропись реакции и забыл о ней. Через несколько лет, когда биохимики заинтересовались открытой Белоусовым реакцией, ему восстанавливать полученные результаты путем последовательного перебора. Можно сказать, что открытие было сделано Белоусовым дважды - первый раз случайно, второй раз в результате системного поиска.

Но активно участвовать в работе научного коллектива он больше не хотел. Все, что удалось коллегам, это уговорить Белоусова еще раз попытаться опубликовать свою статью. В результате единственная прижизненная публикация ученого появилась в "Сборнике рефератов по радиационной медицине" за 1958 г.

Б.П. Белоусов оставил работу в институте незадолго до своей смерти, в 1970 г. а в 1980 г. ему была присуждена Ленинская премия по химии.

Описание опыта

Реакция Белоусова-Жаботинского – это протекающее в автоколебательном режиме каталитическое окисление различных восстановителей бромноватой кислотой НВ rO 3 . При этом наблюдаются колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора и некоторых промежуточных продуктов. Реакция идет в кислотной среде, в водном растворе; в качестве катализаторов используют ионы металлов переменной степени окисления, например церия или марганца. В роли восстановителей выступают малоновая кислота, ацетилацетон и др.

Реактивы

· гептагидрат сульфата железа(II ) FeSO 4 · 7 H 2 O (кристаллический)

· гексагидрат нитрата церия(III ) Ce (NO 3) 3 . 6 H 2 O (кристаллический)

· водный раствор бромида калия KBr (2 моль/л, или 12 г в 50 мл раствора), насыщенный раствор бромата калия KBrO 3 (около 10 г на 100 мл воды)

· концентрированная серная кислота H 2 SO 4

· водный раствор малоновой кислоты CH 2 (COOH ) 2 (5 моль/л, или 52 г в 100 мл раствора)

· о-фенантролин (phen ) C 12 H 12 N 2

· дистиллированная вода.

Посуда и приборы

Проектор, стеклянная пластина 30 х 30 см, чашка Петри, мерная колба емкостью 100 мл, колба Эрленмейера емкостью 250 мл с пришлифованной пробкой, шесть пипеток, бюретка, стеклянная палочка, промывалка, фильтровальная бумага.

Подготовка опыта

Для демонстрации эксперимента готовят два раствора - А и Б.

А - раствор ферроина - комплекса железа(II ) с о-фенантролином (phen ).

В мерную колбу емкостью 100 мл вносят 0,70 г гептагидрата сульфата железа(II ) и 1,49 г о-фенантролина, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Раствор должен иметь красный цвет благодаря образованию фенантролинового комплекса состава 2+ :

Fe 2+ + 3phen= 2+

и может быть приготовлен заранее.

Б - раствор броммалоновой кислоты (готовится непосредственно перед демонстрацией). В колбу Эрленмейера с пришлифованной пробкой с помощью пипеток вводят 3,3 мл раствора бромида калия (2 моль/л), 5 мл раствора малоновой кислоты (5 моль/л) и 5 мл концентрированной серной кислоты. Полученный раствор титруют из бюретки насыщенным раствором бромата калия, тщательно перемешивая его после каждой очередной порции титранта, добиваясь исчезновения коричневой окраски, характерной для брома, выделяющегося в параллельно идущей реакции конмутации:

BrO 3 - + 5 Br - + 6 H + =3 Br 2 + 3 H 2 O

3 Br 2 + 10 CH 2 (COOH) 2 + 38 H 2 O = 6 BrCH(COOH) 2 + 4 HCOOH + 8 CO 2 ­ + 30 H 3 O +

Общий объем раствора бромата калия, израсходованного на титрование, должен составить около 7,5 мл. Образующаяся броммалоновая кислота неустойчива, однако некоторое время ее можно хранить при низкой температуре.

Проведение опыта

Для непосредственной демонстрации опыта на стеклянную пластинку, закрывающую световое окно полилюкса, ставят чашку Петри, в которую последовательно вносят с помощью пипеток 10 мл насыщенного раствора бромата калия, 4 мл раствора броммалоновой кислоты и 1,5 мл раствора ферроина. В течение нескольких минут на красном фонев чашке появляются голубые участки; это происходит из-за образования другого комплекса - 3+ при окислительно-восстановительной реакции комплекса 2+ с бромат-ионами:

6 2+ + 6 H 3 O + + BrO 3 - = 6 3+ + 9 H 2 O + Br -

Этот процесс является автоускоряющимся.

Затем образующийся комплекс 3+ окисляет броммалоновую кислоту с образованием бромид-ионов:

4 3+ + BrCH(COOH) 2 + 7 H 2 O = 2 CO 2 ­ +5 H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 2+

Выделяющиеся бромид-ионы являются ингибиторами реакции окисления комплекса железа(II ) бромат-ионами. Только когда концентрация 2+ становится достаточно высокой, ингибирующее действие бромид-ионов преодолевается, и снова начинают протекать реакции получения броммалоновой кислоты и окисления комплекса. Процесс повторяется снова, и это отражается в окраске раствора. От голубых участков в чашке во все стороны расходятся концентрические круговые красно-голубые «волны» окраски.

Если содержимое чашки перемешать стеклянной палочкой, то раствор на непродолжительное время станет одноцветным, а потом периодический процесс повторится. В конце концов реакция прекращается из-за выделения диоксида углерода.

Можно внести в чашку Петри, помимо всех перечисленных реагентов, несколько кристалликов гексагидрата нитрата церия(III ); тогда диапазон окрасок расширится: появится желтый цвет за счет производных церия(IV ), зеленый - из-за наложения голубого и желтого цветов.

6 Ce 3+ + 6 H 3 O + + BrO 3 - = 6 Сe(OH) 2 2+ + 9 H 2 O + Br -

4 Сe(OH) 2 2+ + BrCH(COOH) 2 + 7 H 2 O = 2 CO 2 ­ +5 H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 Ce 3+

При нагревании цикл колебательной реакции укорачивается, смена окрасок происходит быстрее.

Примечания

· В уравнениях реакций условно записано производное церия(IV ) состава Сe (OH ) 2 2+ ; более точно его состав отражает формула (4 - X )+ .

· Вместо гептагидрата сульфата железа(II ) можно использовать для приготовления раствора А соль Мора – кристаллогидрат сульфата железа(II )-аммония состава (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 · 6 H 2 O в количестве 0,99 г на тот же объем воды.

Самоорганизация как элементарный процесс эволюции

Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Самоорганизующиеся системы должны отвечать определенным требованиям: 1) они должны быть неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия; 2) они должны быть открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне. По Г. Хакену, систему можно назвать самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается такое, которое навязывает системе структуру или функционирование.
В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем. Ее основные идеи восходят к Э. Шрёдингеру, A.M. Тьюрингу, Л. фон Берталанфи, И. Пригожину, М. Эйгену и Г. Хакену. Считается, что решающее значение для создания синергетики имели разработка и развитие методологии следующих дисциплин: термодинамики необратимых процессов в открытых системах; нелинейной механики, электрофизики и физики лазеров; химической кинетики сильно неравновесных процессов; эволюции популяций в экологии; нелинейной теории регулирования, кибернетики и системного анализа. Приведенный перечень подтверждает междисциплинарный характер синергетики. Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, напомним, что выделяют закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах.

Пример1. Конвективная неустойчивость, или неустойчивость Бенара. Пусть слой жидкости подогревается снизу, а сверху температура поддерживается постоянной. При малой разности температур теплота переносится благодаря теплопроводности и жидкость остается в покое. Так как нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и опускаются снова на дно. Это движение происходит упорядоченно. При этом формируются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки.

Пример 2. В реакции Белоусова - Жаботинского также образуются пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Для ее осуществления смешивают Ce2(SO4)3, КВгО3, СН2(СООН)2, H2SO4 и добавляют несколько капель ферроина (окислительно-восстановительного индикатора). Получающуюся однородную смесь переливают в пробирку, где сразу начинаются временные осцилляции. Раствор периодически меняет цвет - с красного, указывающего на избыток Се3+, на голубой, соответствующий избытку Се4+. Так как реакция идет в замкнутой системе, она в конце концов приходит в однородное равновесное состояние.

Пример 3. Спиральные волны

Реакция Белоусова - Жаботинского

Автоколебательная реакция Белоусова-Жаботинского очень широко известна не только в научном мире. Ее знают как школьники и студенты, так и просто любознательные люди. Стакан с красно-лиловой жидкостью вдруг становится ярко-синим, а потом снова красно-лиловым. И снова синим. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски. Образуются сложные узоры, круги, спирали, вихри, или все приобретает совершенно хаотический вид.

Эта реакция известна уже более 40 лет. Ее открыл в 1951 году Борис Павлович Белоусов.

Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова - Жаботинского с ферроином. В показанной системе (пробирке) колебания быстро затухают.

При малом времени пребывания , не допускается выравнивания скоростей прямой и обратной реакций. При этом поведение системы будет неравновесным.

При большом времени пребывания в системе достигается однородное стационарное состояние – концентрации остаются постоянными во времени. Это - состояние химического равновесия -аналог режима теплопроводности (∆Т<Т с) в системе Бенара.

Эксперимент

В замкнутом сосуде при интенсивном перемешивании после короткого индуктивного периода возникают колебания концентраций и . Типичные эксперементальные кривые представлены на рис.1. Начало колебаний имеет характер «жесткого возбуждения». В системе проходит через субкритическую бифуркациюАндрионова-Хопфа. Колебания концентрации ионов , регистрируемые на плптиновом электроде, имеют постоянную амплитуду. Бромидный электрод фиксирует увеличение ампитуды, максимальное значение ее соответствует разнице концентраций ионов на два порядка, форма колебаний несколько меняется с течением времени, период увеличивается до 2 мин через 1,5 часа. После этого асплитуда колебаий постепенно уменьшается, они становятся нерегулярными, и очень медленно исчезают.

1.Эксперементально наблюдаемые показания, снятие с платинового электрода , (а) и электрода, регистрирующего ток ионов бродида (б)

Первая модель наблюдаемых процессов была предложена А.М.Жаботинским. Рассмотренный им цикл реакции состоит из двух стадий (I) – окисление трехвалетного церия броматом: Ce 3+ BrO 3 Ce 4+ (I)

Вторая стадия (II) – восстановление четырехвалентного церия малоновой кислотой:

Ce 4+ + CHBr(COOH) 2 Ce 3+ + Br - + другие продукты (II)

Продукты восстановления бромата, образующиеся на стадии I,бромируют. Получающиеся бромопроизводные разрушаются с выделением . Бромид является сильным ингибитором реакции. Схема автоколебательной реакции может быть качественно описана следующим образом. Пусти в системе имеются ионы . Они катализируют образование стадия (II), который взаимодействует с частицами Y реакции Iи выводится из стстемы. Если коцентрация достаточно велика, реакция I полностью заблокирована. Когда концентрация ионов в результате реакции II уменьшится до порогового значения, концентрация падает, тем самым снимается блокировка реакции I. Скорость реакции I возрастает, и возрастает концентрация.При достижении верхнего порогового значения коцентрациятакже достигает больших значений, и это приводит к блокировке реакции. И так далее.

Ячейки Бенара

Рассмотрим пример возникновения пространственой структурыпод названием «»ячейки Бенара» (рис. 2).

Ячейки Бенара возникают при критической разности температур, возникающий между верхними и нижними слоями жидкости при ее нагревании (жидкость находится в кювете).

Пока разность температур не достиигла критического значения, тепло распространяется путем теплопроводности, поверхность жидкости неподвижна.

Рис. 2.Правильные шестиугольные Рис. 3. Зависимости полного

Ячейки на поверхности жижкости теплового потока J в единицу

(ячейки Бенара) времени от разности температур

По мере приближения к критическому значению разности температур возникает конвекция (круговорот) и на поверхности жидкости появляются щестеугольные ячейки. Внутри ячейки жидкости движется вверх, а по краям – вниз (рис.3). Появление ячеек является самоорганизованным процессом.

Примером временной структуры является реакция Белоусова – Жаботинского. Реакция наблюдается в реакционной смеси, состоящей из бромата (KBr), броммалоновой кислоты, сульфата цезия (Ce).

Смесь нужно растворить либо в лимонной, либо в серной кислоте. Через 4 минуты окраска раствора изменится с синего на красный (и наоборот). Это происходит в связи с восстановлением ионов церия.

Чередование окраски раствора является самоорганизованным, развивающимся во времени процессом.

Примером пространственно – временой структуры является гликолитический цикл усвоение сахара живым организмом.

Спиральные волны

В лаборатории была разработана техника, позволяющая «выводить» кончик одной из волн за границу чашки Петри, и в дальнейшем наблюдать эволюцию единственной спиральной волны, «кончик» (tip) которой совершает сложные пространственные перемещения, траектория зависит от режима освещения (Grill et al., 1995).

При постоянном освещении кончик описывает циклоиду с четырьмя «Лепестками» (рис. 4). Изучалось воздействие световых импульсов на траекторию кончика спиральной волны. Импульсы подавались в тот момент, когда фронт волны достигал некоторой точки (на рис. Помечена крестом),или с некоторой заданной задержкой.

Рис. 4 Два типа траекторий кончика спиральной волны, полученных в эксперименте для светочувствительной BZ - реакции.

Наблюдали два типа режимов. В случает, когда «точка измерения» находилась близко от центра невозмущенной траектории, через некоторое время движение кончика приходило на асимптотическую траекторию с центром в «точке измерения», при этом расстояние между положением кончика и точкой измерения не превышало размеров петли циклоиды (рис. 4 а) Наличие обратной связи приводило к синхронизации – период импульсного светового воздействия устанавливался равным времени, в течении которого кончик спиральной волны описывал одну петлю циклоиды.

В случае, когда точка измерения находилась относительно далеко от центра невозмущенной траектории, кончик спирали описывал траекторию, по форме напоминающую дрейф 4-ех лепестковой циклоиды вдоль круга большого радиуса, центр которого, опять находился в «точке измерения». Оба режима оказались устойчивы по отношению к малым смещениям точки измерения, то есть представляют собой аттракционы. Сходный результат получается, если световой импульс подается с некоторым запаздыванием по отношению к моменту прохождения волны через точку измерения. Радиус «большого круга», по которому перемещается циклоида, растет с увеличением времени запаздывания.

Примеры самоорганизации в простейших системах: ячейки Бенара, реакция Белоусова – Жаботинского. Спиральные волны.

Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем.

Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах.