Химическая самоорганизация.

-
...

Определение самоорганизации и ее свойства 2
Процесс самоорганизации 4
Диссипативные структуры 7
Необходимые условия и характеристики процесса самоорганизации 9
Синергетика 11
Самоорганизация в химии на примере реакции Белоусова-Жаботинского 13
Список использованных источников 16

-

Процесс качественной перестройки свойств системы сопровождается потерей памяти. В качестве примера такого процесса рассмотрим поведение колонны, стоящей под нагрузкой, на которую действует ветер. При малых порывах ветра колонна колеблется около своего вертикального положения. При увеличении нагрузки амплитуда и частота колебаний будут возрастать, но их характер остается тем же – колебания около положения равновесия. Однако если сила ветра достигнет некоего критического значения, вертикальное положение равновесия практически мгновенно потеряет устойчивость. Возникнет множество новых положений равновесия.Таким образом, при малых вертикальных нагрузках колонна обладает бесконечной памятью – т.е. возможно восстановить все ее предыдущие состояния по положению колонны, фиксированному в данный момент времени. В момент скачка система полностью “теряет память” и будущее будет зависеть только от изменчивости ветра. В процессе самоорганизации непрерывно разрушаются старые и возникают новые структуры, новые формы организации материи, обладающие эмерджентными, т.е. вновь возникшими новыми качествами. В некоторых случаях эти свойства можно предугадать, опираясь на свойства элементов созданных систем. Однако так бывает далеко не всегда. Простейший пример этому – вода, обладающая аномальной зависимостью плотности от температуры, и это свойство не выводимо из свойств атомов водорода и кислорода. Много примеров можно привести из сферы живого вещества и общественных отношений. Феномен жизни не сводим к физико-химическому взаимодействию составляющих элементов живого организма. Свойства интеллекта не определяются полностью свойствами составляющих мозг нейронов. Невозможно объяснить поведение толпы свойствами входящих в неё людей.Диссипативные структурыВ химии примером самоорганизации может служить существование нескольких устойчивых состояний в гомогенных системах с химическими реакциями и диффузией реагентов. Этим состояниям соответствуют неоднородные пространственные распределения концентраций реагентов. Такие распределенные системы были изучены известным ученым Ильей Пригожиным [4]. К своим идеям И. Пригожин пришел от анализа специфических химических реакций, в результате которых с течением времени при изменении концентрации реагирующих веществ образуются пространственные структуры. Вместе со своими сотрудниками он построил математическую модель таких реакций, основой которой стала нелинейная термодинамика, изучающая процессы, происходящие в нелинейных неравновесных системах под воздействием флуктуаций. Если такая система удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации в результате взаимодействия со средой будут возрастать и, в результате, приведут к разрушению прежнего порядка или структуры, а тем самым и к возникновению новой системы. Структуры и системы, возникающие при этом, И. Пригожин назвал диссипативными, поскольку они формируются за счет диссипации, или рассеяния, энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии. В ходе своей эволюции система производит энтропию, которая удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного метаболизма энтропия системы не только не возрастает, а даже может уменьшаться. Характерное нарастание энтропии, связанное с диссипацией, свидетельствует о необратимости процесса. Наибольшая скорость производства энтропии – необходимое условие выживаемости системы в среде нескольких конкурирующих диссипативных структур. За изучение термодинамики диссипативных структур Илье Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии. Диссипативные системы - способные к поглощению и диссипации энергии и поддерживающие за этот счет собственную структуру и самоорганизацию - существуют на разных уровнях организации материи. Примером диссипативной системы может служить жизнедеятельность элементарной живой системы – клетки, которая за счет солнечной энергии или энергии экзотермических химических реакций строит из простых неорганических веществ сложные органические вещества, поддерживает свою целостность и развитие, тем самым противодействуя росту энтропии.Однако, диссипативные процессы самоорганизации происходят и в неживой природе. В 60-70-е годы XX века физиками открыты кооперативные резонансные процессы элементарных частиц в лазере, происходящие под действием внешнего света, а в химии открыты колебательные реакции, идущие по принципу «химических часов». Причем движущей силой самоорганизующихся реакций, пружиной химических часов может выступать такая незаметная на первый взгляд сила, как гравитационное поле Земли. При свободном поступлении в колебательную химическую систему химических субстратов и при наличии в ней катализаторов происходит реакция, продукты которой удаляются, освобождая место для поступления новой порции субстрата. Реакция идет по замкнутому циклу и в результате изменения концентрации реагирующих веществ сопровождается образованием характерных пространственных структур - расходящихся колец на реакционной поверхности. Создается впечатление пульсирующей, «живущей» химической системы. Пространственно-временные диссипативные структуры типичны для реакции Белоусова - Жаботинского, газофазного горения, ряда реакций гетерогенного каталитического окисления, ферментативного катализа. Понятие диссипативности тесно связано с понятием «параметров порядка». Самоорганизующиеся системы характеризуются обычно огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы и получили название «параметров порядка».Определенные сходства есть между процессом самоорганизации и фазовым процессом. В обоих случаях происходит спонтанное нарушение симметрии, происходящее при изменении внешнего параметра. В случае фазового перехода, например при кристаллизации, внешним параметром служит температура. (для равновесных систем) или интенсивности накачки, т.е. прихода в систему свежей энергии или вещества. Отличием рассмотренных систем является то, что фазовые процессы происходят в условиях равновесия, а упорядочивание – вдали от точки равновесия. По аналогии описания самоорганизующихся систем с фазовыми переходами диссипативная самоорганизация получила название фазового перехода в неравновесной системе, а феномен упорядочения в равновесных условиях определяют как консервативная самоорганизация [7].Необходимые условия и характеристики процесса самоорганизацииК основным характеристикам процесса самоорганизации относятся следующие.- Открытость системы и интенсивный обмен энергией, веществом или информацией с окружающей средой. В результате получения новой энергии и вещества извне и диссипации, или рассеяния, использованной в системе энергии при определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации. Таким образом, ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в исследовании процессов взаимодействия системы с окружающей средой, т.е. процессов метаболизма. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, там, где наступает равновесие, самоорганизация прекращается.Окружающая среда для химических систем является резервуаром энергии и частиц компонентов, т.е. определяет температуру, химический потенциал компонентов и условия химического равновесия, поведение растворов и газов. В системы с химическими реакциями непрерывно поступают извне реагирующие вещества, а продукты реакции отводятся.- Существенная неравновесность системы [5]. При определенных значениях параметров, характеризующих систему, она переходит в критическое состояние, сопровождаемое хаосом, потерей устойчивости, в силу чего происходят качественные изменения.Открытая система равновесной быть не может, следовательно, можно сказать, что самоорганизующиеся системы подвержены колебаниям. Именно в колебаниях система движется к относительно устойчивым структурам [3].- Новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии или вещества в систему.- Наличие критического значения управляющего параметра, при достижении которого система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние.- Новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне.- Новая структура обладает более низкой симметрией, т.е. имеет более высокую степень упорядоченности. - Нелинейность системы. В отличие от линейности, которая соответствует постоянству, инвариантности, безальтернативности, нелинейность, напротив, описывает непостоянство, многообразие, неустойчивость, отход от положений равновесия. Нелинейные системы способны качественно изменять свое поведение при количественном изменении воздействия. Нелинейные процессы зависят от свойств среды, поэтому их трудно предсказать, и они, следовательно, описываются вероятностными законами. Нелинейность фиксирует случайности, которые становятся точками ветвления процессов.Нелинейность системы определяется типом взаимодействия компонентов системы. Причиной нелинейности системы может быть взаимодействие продукта одной из стадий реакции с компонентом, контролирующим скорость этой стадии. Полученный в результате такого взаимодействия тип нелинейности называется нелинейностью обратной связи. В некоторых системах нелинейность обусловлена тем, что продукт реакции возвращается на отдельной стадии в систему и либо активизирует, либо ингибирует реакцию, определяя формы нелинейности в реакционной схеме. Явление обратной связи сопровождает гликолиз, реакцию каталитического окисления водорода. Другой класс нелинейности присутствует в колебательных реакциях, примерами которых являются реакция Белоусова — Жаботинского, окисление окиси углерода, окисление дитионита натрия. СинергетикаКлючевым понятием в проблеме эволюции сегодня выступает понятие самоорганизации как основы любого процесса развития. В кругу этих проблем во второй половине XX века возникла новая наука синергетика [2, 6].