1. ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

1.1 Основные понятия и определения

В химии, как в научных исследованиях, так и при ее практическом использовании, приходится иметь дело с колоссальными числами частиц-атомов, молекул или ионов. Одинаковые или разные, эти частицы объединяются вместе, образуя систему.

Итак, что же такое система?

Систе́ма (от др.греч. — целое, составленное из частей; соединение) —множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство.

Химическая система характеризуется семейством понятий, определений, формулировок как содержательных — что есть что, так и формальных — каковы связи, соотношения между частями, элементами системы.

Химическая система (chemical system) – это совокупность химических частиц и веществ, между которыми происходят или могут происходить химические реакции.

Простейшими частями химической системы, вообще говоря, являются атомы, молекулы или ионы. Однако конкретная система образуется не из абстрактных атомов, а из вполне конкретных веществ, которые могут реагировать друг с другом, вступая в химические реакции.

1. Простые вещества – молекулы таких веществ состоят из атомов одного вида. В химических реакциях не могут разлагаться с образованием нескольких более простых веществ.

2. Сложные вещества – молекулы таких веществ состоят из атомов разного вида. В химических реакциях могут разлагаться с образованием более простых веществ

Химический элемент — это совокупность определенных видов атомов с одинаковым зарядом ядра. В основе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева лежит представление, что свойства химического элемента зависят от заряда атома, и это определяет место элемента в таблице.

Вещество, которое состоит из атомов, в определенном соотношении объединенных определенной химической связью, является химическим соединением.

Очень важно не только то, из каких веществ состоит система, но и то, при каких условиях она находится. Невозможно рассматривать химическую систему в отрыве от условий, в которых она существует.

Прежде всего, система должна быть ограничена. Например, стеклянные стенки стакана, в котором слиты растворы реагирующих веществ, ограничивают химическую систему (рис. 1 — Приложение). Стальной баллон ограничивает находящийся в нем газ. В этих случаях границы системы очевидны. Но часто систему ограничивают лишь мысленно: горящая свеча образует систему вместе с воздухом, в котором она горит, и система — пламя свечи — не имеет реальной границы, хотя мы видим пламя и можем говорить о его форме и размерах (рис. 2 — Приложение).

Химической системой называется ограниченная часть пространства, включающая какие — либо вещества. Все то, что не входит в систему, называется внешней средой.

Система может обмениваться с внешней средой веществами (массой) и энергией. Например, пламя свечи может существовать, только если в него поступает из внешней среды кислород, а продукты сгорания, в том числе и теплота, отводятся во внешнюю среду.

Если система обменивается с внешней средой веществами (массой) и энергией, она называется открытой. Если обмена веществами не происходит — система называется закрытой. Если же нет обмена ни массой, ни энергией, тогда система называется изолированной.

Например, разбавленный раствор серной кислоты в открытом стакане (рис. 3 — Приложение) представляет собой открытую систему — в зависимости от температуры вода будет либо испаряться из раствора во внешнюю среду (за край стакана), если раствор нагревать, либо поглощаться серной кислотой из внешней среды (влажного воздуха за краем стакана), если раствор охлаждать. Тот же раствор в запаянной ампуле — пример закрытой системы, а налитый в хороший термос, плотно закрытый пробкой представляет изолированную систему.

1.2 Условия существования систем

Любая химическая система существует в каких- либо условиях: при определенных температуре и давлении, при определенной напряженности гравитационного, магнитного, электрического и электромагнитного полей.

К обычным условиям относятся: температура — комнатная, то есть около 20 єС, давление — атмосферное, т.е. около 101 кПа, ускорение силы тяжести в среднем около 9,8 м/сІ , напряженность магнитного поля в среднем около 40 А/м, напряженность электрического поля в среднем около 130 В/м, освещенность видимым светом в среднем около 500 лк.

Во многих методах исследования используются очень сильные магнитные и электрические поля. В условиях интенсивного облучения рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым и даже видимым светом многие системы ведут себя иначе, чем при обычных условиях.(если спросит)

2. САМООРГАНИЗАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Химические реакции — это превращение одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу и строению другие вещества. Химические реакции не меняют ни общего числа атомов, ни изотопного состава.

Молекулы и атомы находятся в непрерывном тепловом движении, сталкиваясь друг с другом. Этот процесс происходит как самопроизвольно, так и под действием температуры, ионизирующих излучений, электрического тока, механических воздействий, катализаторов, и им можно управлять. При соударениях молекул выделяется достаточное количество энергии для разрыва связей, их перестройки, формирования нового набора атомов, изменения их числа, т.е. образования новых соединений. Это и есть физическое понимание химических реакций, которые могут быть  обратимыми и  необратимыми в зависимости от энергии реакции.

Если реакция сопровождается выделением тепла, ее называют  экзотермической, если поглощением —  эндотермической

Обычно, чтобы снизить порог начала реакции, требуется уменьшить эту энергию активации. Этого можно достичь путем катализа.  Катализ — это такой процесс изменения скорости реакции или ее начала под действием или участии особых веществ — катализаторов, которые участвуют в реакции, но не входят в состав ее конечных продуктов. Катализаторы не сдвигают равновесий в химической системе: они ускоряют и прямую, и обратную реакции. Существуют и вещества, замедляющие процесс реакции, они называются  ингибиторами.

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т. е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

3. ВИДЫ ХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Химическая система — сочетание веществ, взаимодействующих друг с другом. Система отделяется от окружения мысленно или фактически. Химические системы делятся на следующие виды:

а) гомогенные

б) гетерогенные

в) дисперсионные

г) нонвариантные

д) моновариантные

е) бивариантные

ж) поливариантные.

Гомогенная система — физико-химическая система, содержащая одну фазу.

В гомогенной системе, включающей два и более химических компонента, каждый из компонентов распределяется в объеме другого соединения в виде молекул, атомов или ионов. Компоненты гомогенной системы имеют определенные значения по системе или непрерывно меняющиеся от одной к другой точке системы. Известны следующие гомогенные системы: лед, жидкие или твердые растворы, смеси газов. При этом различают жидкие, кристаллические и аморфные вещества. (две растворимые жидкости, сахар в воде) по количеству фаз.

Гетерогенная система — система, включающая несколько гомогенных частей (фаз), разделенных границами.(масло и вода) по количеству фаз. Пример: вода и водяной пар над ней, вода и растительное масло.

Фазы могут отличаться одна от другой составом и свойствами.

Фаза — гомогенная часть гетерогенной системы, имеющая одинаковые свойства во всех точках и отделяющаяся от других частей границами.

По измельчению

Дисперсная система — система мельчайших частиц (твердых, жидких или газообразных), суспендированных в жидкой, газообразной или твердой среде (дисперсная среда).( Раствор крахмала в воде)

Примерами дисперсных систем являются: молоко, в котором частицы жира суспендированы в воде, а также различные эмульсии, суспензии, туманы, пены и дымы.

Дисперсные системы изучаются в химии коллоидов. Известны жидкие, гелеподобные и твердые коллоиды.

В термодинамике существуют такие понятия, как изолированная, открытая и стабильная системы, а также моновариантная, бивариантная и поливариантная системы.

Изолированная система — система, которая не может обмениваться энергией и веществом с окружающей средой.

Открытая система обменивается энергией и веществом со средой.

В стабильной химической системе между веществами, образующими систему, существует равновесие.

Моновариантная система — химическая система, в которой две фазы находятся в равновесии.(в зависимости от хим.равновесия) гомогенная, в растворе распределенные молекулы

Нонвариантная химическая система — система, в которой три компонента (или фазы) находятся в равновесии.(дисперсионная среда, эмульсия)

Бивариантная (поливариантная) система — система, представляющая собой одну фазу и сумму трех или более независимых компонентов и внешних факторов (температура и давление).

Стабильность химических систем достигается присутствием химических связей и взаимодействий, которые различаются по энергии и природе. В дисперсных системах имеют место наиболее разнообразные системы связей и взаимодействий.

Дисперсионная среда — вещество, которое присутствует протяженной фазой в дисперсной системе.

Дисперсная фаза — вещество, распределенное в среде.

В зависимости от линейных размеров дисперсионной фазы образуются гомогенные и гетерогенные дисперсные системы. Гомогенные дисперсные системы обычно называются растворами. Они могут быть твердыми, жидкими или газовыми. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной среды различают твердые (сплавы); жидкие (пены, эмульсии, суспензии); газовые (туманы, дымы, аэрозоли, газовые смеси) дисперсные системы. В этих системах возможны два или более видов фазовых границ, а также два или более видов химических связей.

Дым взвесь твердых частиц в газе

Туман взвесь жидких частиц в газе

Аэрозоль из мелких твердых или жидких частиц распределенных в газе

Пена взвесь пузырьков газа в жидкости

Эмульсия взвесь жидких части

Суспензия взвесь твердых частиц в жидкости

Для коллоидных систем возможна коагуляция.

Коагуляция — слипание вместе частиц дисперсной фазы в коллоидных системах.

При коагуляции в жидкой дисперсной среде образуются гели.

Гели — желеподобные коллоидные системы с жидкой дисперсной средой.взвесь жидких часиц в чем то твердом

Золи — обычно коллоидные растворы или коллоидные системы, включающие взаимодействующие между собой дисперсную фазу и дисперсную среду.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кодолов В.И., Грозина Л.А., В.Д. Кибенко Основы общей химии. — Ижевск: Издательство ИжГТУ, 2010.

2. горбачев. КСЕ

3. Полине Л. Общая химия. — М.: Мир, 2004.