Методика изложения химической эволюции с позиции теории колебаний

ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

МЕТОДИКА ИЗЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОИ ЭВОЛЮЦИИ С ПОЗИЦИИ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИИ Г. А. Шадрин, С. А. Крысенков, Ю. С. Мардашев

Настоящее сообщение имеет целью обратить внимание преподавателей физической химии и физики на перспективность использования колебательного подхода, разработанного академиком Л.И. Мандельштамом [3] и его учениками, к разного рода физическим процессам. Эти работы легли в основу создания современных радиотехнических устройств. Большое внимание уделяется в настоящее время введению в учебный процесс понятия колебательных химических процессов [10, 11]. Колебательные реакции излагаются во всех современных учебниках по физической химии. Колебательный подход в этом случае имеет два практических аспекта: выявление частотных характеристик позволяет оценить протекание химических процессов с новой стороны, а для инженерно-технических работников поставит задачу тонкого управления процессом за счёт подключения к устройству, где протекает реакция, генератора с резонансной частотой. В перспективе могут быть созданы приборы, влияющие на метаболизм химических процессов в живых организмах [9].

В настоящее время колебательные реакции переживают "эпоху начала воздухоплавания", их общий характер, не связанный с автокаталитическим механизмом, показан в работе [8]. Курсовые и дипломные работы по темам, связанным с колебательными реакциями, феномен которых известен уже более 90 лет, полезно рекомендовать студентам-химикам, физикам и биологам, ибо колебательные реакции теперь уже не "экзотика".

Существование колебательных химических реакций [1, 2] обусловлено многостадийностью химических реакций. Следует отметить, что элементарные стадии, как правило, сами по себе не имеют колебательного характера. Для разработки теории по управлению сложным химическим процессом представляет интерес использование методологии теории колебаний, базирующейся на работах академика Л.И. Мандельштама и его учеников [3, 4]. Известно [4], что колебательный процесс может быть описан осцилляторным уравнением

d2x

+ К "

- + wx

й2г Ж

Здесь х(1) - изменяющийся во времени параметр (для химических систем это концентрация), I - время, к - константа, характеризующая взаимодействие с окружающей средой, w -параметр, характеризующий прибор, /(() - внешняя сила, действующая на систему. В традиционной химической кинетике акцент делается на скорость реакции, то есть на второй член левой части уравнения (1). Однако гидродинамическая трактовка процесса эволюции [5] основывается в большей мере на ускорении. Если раньше химическая кинетика представляла собой науку о скоростях химических реакций, то со временем акценты изменились. Кинетика - наука о закономерностях протекания химического процесса со временем и его механизме [11].

Известно, что математические модели позволяют производить количественные расчёты концентраций или скоростей производства конечного продукта в любой момент времени. Модель позволяет увидеть, как изменение определённых параметров реакций отразится на скорости производства конечного продукта, и выбрать наиболее перспективные варианты их изменения. Реальные системы химических реакций являются достаточно сложными как по своей структуре, так и по количеству участвующих реакций. Как бы мы ни стремились изолировать химическую реакцию, влияние взаимодей-

ствия с окружающей средой при строгой постановке эксперимента должно сказаться на конечных результатах [6].

Принято описывать кинетику химических реакций по скорости изменения концентрации со временем. Более точное физическое содержание имеет временная зависимость химической переменной (степень полноты реакции по Де Донде). Известно, что колебательный подход имеет большое практическое значение для конструирования радиотехнических устройств. Поэтому можно полагать, что теоретическое изучение колебательных реакций на базе методологии Мандельштама-Андронова позволит создать новые возможности (кроме катализаторов и температуры) для управления эволюцией химически реагирующих систем к равновесию. В этом направлении сделаны первые важные исследования А. М. Жаботинского [6] и других [7, 8, 9].

Сложность переноса результатов лабораторного эксперимента на промышленный реактор состоит в том, что оптимальные результаты при малом масштабе аппаратов могут оказаться неоптимальными при увеличении масштаба на несколько порядков. Это обусловлено тем, что при изменении масштаба закономерности кинетики протекания процессов массопередачи и теплопередачи меняются неодинаково. Практика показывает, что проведение опытов на аппаратах промышленного типа, оказывается экономически невыгодным. В этом случае помогает математическое моделирование, которое было осуществлено в работах [8, 9].

В настоящей работе отмечена полезность, а в ряде случаев - необходимость использования колебательной методологии при изложении эволюции к равновесию для определённых процессов в физике, химии, биологии.

Литература

1. Белоусов А.Л. Сборник рефератов по радиационной медицине. - М.: Медгиз, 1959.

2. Гарел Д., Гарел О. Колебательные химические реакции. - М.: Мир, 1986.

3. Мандельштам Л.И. Лекции по теории колебаний. - М.: Наука, 1972.

4. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. - М.: Наука, 1981.

5. Панченков А.Н. Энтропия 2. - Н. Новгород: Интелсервис, 2002.

6. Жаботинский А.М. Концентрационные автоколебания. - М.: Наука, 1974; Жаботинский А.М., Заикин А.Н. - Theor. Biol., 1073, v. 40.

7. Крысенков С.А., Кругликова О.А., Мардашев Ю.С., Шадрин Г.А., Шляхова М.А. Колебательный подход к химическим реакциям. Научные труды МИТУ. Серия: естественные науки. - М.: ТНО Издательство "Прометей" МПТУ, 2006.

8. Крысенков С.А., Мардашев Ю.С., Шадрин Г.А. Колебательные реакции без автокатализа. Научные труды МПТУ. Серия: естественные науки. - М.: ТНО Издательство "Прометей", МПТУ.

9. Васин А.А., Теплов А.Е. Математическое моделирование биохимических реакций, Вестник МТУ, сер. 15, вычисл. матем. и киберн. - 2006 - №2.

10. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М.: Высшая школа, 2003.

11. Пурмаль А.П. А, Б, В химической кинетики. - М.: ИКЦ "Академкнига", 2004.