Химическая самоорганизация

Большой вклад в разработку новой науки принадлежит немецкому физику Г. Хакену и бельгийскому ученому русского происхождения И. Пригожину [4]. Интерес ученых от систем закрытого типа, где самопроизвольное изменение протекает путем дезорганизации и разрушения систем, сместился к изучению открытых диссипативных систем и принципов их взаимодействия с внешней средой, так как в этом взаимодействии и виделся ключ к пониманию универсальных законов эволюции. В отличие от большинства новых наук, возникавших, как правило, на рубеже двух ранее существовавших и характеризуемых проникновением метода одной науки в предмет другой, синергетика возникает, опираясь не на граничные, а на внутренние принципы различных наук. Появление теории самоорганизации сложных систем — синергетики, призванной осваивать сложные системы теоретически, возникло как ответ на самый трудный в любой науке вопрос о возникновении сложного из простого. По словам Г. Хакена, синергетика — это наука о превращении хаоса в порядок. Главная идея синергетики — это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации, решающим фактором которого является образование петли положительной обратной связи. Такой тип связи способен противостоять тенденции разрушения системы средой.

В сфере химии аналогичное явление получило название автокатализа. В неорганической химии автокаталитические реакции встречаются редко, но, как показали исследования последних десятилетий по молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями — взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют самую основу жизни. Сегодня под синергетикой следует понимать новое направление междисциплинарных исследований, предметом которых являются процессы самоорганизации в открытых системах химической, биологической, физической, экологической и другой природы. К характерным чертам объектов синергетики относятся взаимодействие их частей, открытость, нелинейность, наличие колебаний, качественных изменений, вновь возникших (эмерджентных) качеств, структур-аттракторов, той или иной степени упорядоченности, наличие нестабильностей. Методы синергетики сегодня используют практически все научные дисциплины: от химии, физики до социологии, филологии, от градообразования до нейронных сетей.

Самоорганизация в химии на примере реакции Белоусова-Жаботинского

Химические реакции, в которых возникают процессы самоорганизации, встречаются реже, чем аналогичные процессы в биологии, однако имеют место в самых разных типах химических реакций — в газовых реакциях, реакциях в жидкой фазе, каталитические и т. д.В1951 году советским военным химиком Белоусовымприисследованииокислениялимоннойкислотыброматомвприсутствиикатализатора-сульфатацерияобнаруженыколебания концентрацийионовцерия. Течение реакции менялось со временем, что проявлялось периодическим изменением цвета раствора от бесцветного (Ce+3) к жёлтому (Ce+4) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатораферроина. В этом случае цвет раствора периодически изменятся от лилово-красного к синему и обратно. Происходит ритмическая смена цвета с регулярными периодом и амплитудой, зависящими лишь от параметров и тем самым являющимися собственными характеристиками системы. Эти колебания можно рассматривать как химические часы, измеряющие время с помощью внутренней динамики системы. В одной среде параллельно происходят как минимум две реакции. Причем продукты первой реакции являются исходными реагентами для второй.

В свою очередь, продукты второй реакции являются исходными реагентами для первой. Вначале скорость первой реакции велика, но с течением времени ее ход замедлится, поскольку уменьшится концентрация исходных реагентов. В то же время начнет возрастать скорость второй реакции — ведь количество ее исходных реагентов, продуктов первой реакции, возросло. По мере хода второй реакции ее исходные реагенты исчерпаются, реакция замедлится, зато теперь снова ускорится первая реакция — ведь у нее снова появились исходные реагенты.

И так далее до бесконечности. Концентрация реагентов все время будет колебаться — то возрастать, то убывать. Потому и реакции назвали колебательными. Так была открыта реакция, ставшая знаменитой. В изучение таких реакций большой вклад также внес А. М. Жаботинский, в связи с чем в мировой литературе они известны под названием «BZ-реакции» (BelousovZhabotinskiireaction). Реакция Белоусова — Жаботинского стала базовой моделью для исследования процессов самоорганизации, включая образование неоднородных по пространству распределений концентраций реагирующих веществ, распространение пятен, спиральных волн и других автоволновых процессов. Она исследована в сотнях лабораторий мира в сосудах различной формы, на пористых средах, при различных воздействиях — изменении температуры, световом и радиационном воздействии. В настоящее время под названием «BZ-реакции» объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce3+, Mn2+ и комплексы Fe2+, Ru2+), органическими восстановителями (малоновая, лимонная или яблочная кислоты) и окислителями (броматы, иодаты и др.).Рассмотренные химические системы способныпри определенных условиях демонстрировать очень сложныйнелинейный характер поведения от регулярных периодических колебаний до хаотических движений и поэтому представляют собой важный объект для исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. Прошло много десятилетий с момента открытия этой реакции Белоусовым, а её исследованием по-прежнему заняты многие лаборатории в разных странах. Это объясняется весьма общим характером явлений колебаний и распространения волн в самых разных системах.

Так распространяется волна возбуждения по нерву, по сердечной мышце, вызывая ритмичные сокращения. Так распространяется зона активности при поверхностном катализе в промышленных химических установках, в «активных средах», когда вслед за проходящей волной через некоторое время восстанавливается способность системы к новому возбуждению. В чашке Петри с «активной химической средой» можно изучать общие свойства таких процессов [1]. Нельзя не отметить выдающееся достижение химии — открытие цепных реакций, которое дало начало новому направлению исследований — химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.

Схема цепной реакции хлор — водород состоит в многократном повторении распада молекулы хлора за счет энергии кванта и образовании вместе с атомом водорода молекулы хлористого водорода. При этом в каждой реакции остается свободным то атом хлора, то атом водорода — возникает длинная цепь реакций. Химические реакции, приводящие к формированию сложных структур, встречаются нечасто. Однако, их изучение может быть полезным, поскольку оно открывает перспективы создания искусственных самоорганизующихся систем высокого уровня сложности, а также управления процессами эволюции в уже существующих в природе системах. Список использованных источников

Васнецова А. Л., Гладышев Г. П. Экологическая биофизическая химия. М.- 1989

Капица С.П., Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г. Синергетика и прогнозы будущего. — М. 1997

Князева Е. В. Синергетика об условиях устойчивого равновесия сложных систем. М.: МГУ.- 2004

Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных структурах. Пер. с англ. — М.- 1979

Полак Л. С., Михайлов А. С. Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах. М-, 1983

Хакен Г. Синергетика. Пер. с англ.

М.- 1980

Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. Пер. с англ.

М.- 1979

Эйген М. Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул. Пер. с англ., М.- 1973.