15. Порядок и беспорядок в природе.

Хаос, беспорядок, как и порядок, гармония – понятия достаточно близкие. Беспорядок – это такое состояние, когда налицо много вещей, но нет основания отличать одну вещь от другой. Порядок есть не что иное, как различимое отношение совокупности вещей. Существует два механизма, которые могут производить упорядоченные явления – статистический механизм, создающий порядок из беспорядка, на котором базируется поведение живого вещества. Живой организм противится переходу к атомарному беспорядку. На протяжении своей непродолжительной жизни он проявляет способность поддерживать себя и производить упорядоченные явления. В математизированном подходе преобладают рассуждения, обосновывающие исчисления всех прошлых и будущих состояний Вселенной на основании того, что относительно какого-то момента известны все силы и положения частей. В организмическом подходе будущее становится неизвестным не в силу изначальной определенности всех начальных положений объектов, начальных скоростей материальных частиц, действующих сил и результирующих уравнений. Пространственная модель соотношения порядка и хаоса существует в 2-х вариантах. В первом варианте хаосу отводится периферия, т.е. все, что ниже упорядоченного мира. Хаос понимается как движение вниз, в недра. Но он не только пугает буйством преисподней, но и привлекает скрытыми там несметными богатствами. Второй вариант этой концепции представляет хаос как физическое место, необходимое для существования тел. Это бездна, пустота, т.е. хаос противопоставляется пространственной оформленности вообще. Этот вариант близок к концепции, рассматривающей n-мерную длительность, которая несет в своем потоке и позволяет чередоваться хаотическим и упорядоченным фазам становления. Структура пространства дает возможность обсудить истоки полного хаоса и высшей упорядоченности. Они находятся в диалектическом единстве 0-мерной точки. Расходящиеся во все стороны направления олицетворяют полную неупорядоченность (хаос). Сходящиеся в одну точку направления являются воплощением полной упорядоченности. 0-мерных точек бесконечное множество. Поэтому возможности хаоса неограниченны. Отсюда следует возможность образования центров сходящихся направлений, т.е. хаос направлений содержит в себе возможность упорядоченности. Разнозначность точек и направлений говорит о равновесном состоянии пространства и является основой его существования. Однако структура пространства не допускает ни полного хаоса, ни полного порядка. Но и положение 50/50 в природе также не наблюдается. У природы есть некий набор средств противостоять нарастанию хаоса.

Все физические законы делятся на две большие группы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин. Динамическая теория — это теория, представляющая совокупность физических законов.

Статистические законы — это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную характеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статистических теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахождение средних значений физических величин — главная задача статистических теорий. Вероятностные характеристики состояния совершенно отличны от характеристик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой описания физических закономерностей, так как любой известный сегодня процесс в природе более точно описывается статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.

Смена динамических теорий статистическими не означает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах нисколько не умаляется. При разговоре о смене теорий имеется в виду, в первую очередь, смена глубоких физических представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответствующими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории расширяются на больший круг явлений, недоступных динамическим теориям.

16. Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами. В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что атом в действительности не является «неделимым».

На международном съезде химиков в г. Карлсруэ (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Модели атомов

 Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].

 Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.

 Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.

 Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

Квантово-механическая модель атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели. Согласно этой модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных 1⁄12 от массы атома стабильного изотопа углерода 12C.

24. . Строение и эволюция звёзд. Возникают звёзды так: частицы газопылевого облака притягиваются между собой за счет гравитационных сил, возникшая непрозрачная сфера начинает вращаться, захватывая все больше частиц из окружающего пространства, давление и температура в глубине растут, постепенно достигая нескольких миллионов градусов.Когда силы излучения и гравитации уравновешиваются, протозвезда становится звездой. Этот процесс длится от нескольких миллионов лет до нескольких сот миллионов лет. Химический состав звезд в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 – кислорода, 2 – азота, 1 – углерода, еще меньше остальных элементов. Из-за высоких температур атомы ионизированы и находятся в состоянии плазмы – смеси ионов и электронов.

25.Характеристика.Происхождение солнечной системы.Солнечная система представляет собой группу планет, их спутников, множество астероидов и метеоритных тел. Все пла­неты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Солнце представляет собой звезду среднего размера, его радиус около 700 тыс. км. Возраст Солнца оценивается примерно в 5 млрд лет. Считается, что звезды первого поколения имеют воз­раст на 8—10 млрд лет больше. В Галактике существуют также молодые звезды, которым всего от 100 тыс. до 100 млн лет. Солнечная система обращается вокруг центра Галактики со скоро­стью около 220 км/с. Солнце совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн лет. Звезды образуются из космического вещества в ре­зультате его конденсации под действием гравитационных, маг­нитных и других сил.

26) .Характеристика Земли как планеты и её эволюция. Земля - это третья от Солнца планета Солнечной системы. Она обращается вокруг звезды по эллиптической орбите (очень близкой к круговой) за период равный 365.24 суток. Земля имеет спутник - Луну, обращающуюся вокруг Солнца. Период вращения планеты вокруг своей оси 23 ч 56 мин 4.1 сек. Вращение вокруг своей оси вызывает смену дня и ночи, а наклон оси и обращение вокруг Солнца - смену времен года.Форма Земли - геоид, приближенно - трехосный эллипсоид, сфероид. Земля обладает магнитным и тесно связанным с ним электрическим полями. Гравитационное поле Земли обуславливает её сферическую форму и существование атмосферы.По современным космогоническим представлениям, Земля образовалась примерно 4.7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газового вещества. В результате дифференциации вещества, Земля, под действием своего гравитационного поля, в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам оболочки - геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера. В составе Земли преобладает железо, кислород, кремний, магний. Земная кора, мантия и внутренняя чаять ядра твердые (внешняя часть ядра считается жидкой). От поверхности Земли к центру возрастают давление, плотность и температура. Основные типы земной коры - материковый и океанический, в переходной зоне от материка к океану развита кора промежуточного строения.Большая часть Земли занята Мировым океаном, горы занимают свыше 1/3 поверхности суши. Пустыни покрывают примерно 20% поверхности суши, леса - около 30%, ледники - свыше 10%. Средняя глубина мирового океана около 3800 м. Атмосфера Земли состоит из воздуха - смеси в основном азота и кислорода, остальное-водяные пары, углекислый газ, а также инертные и другие газы. Образование Земли и начальный этап ее развития относятся к догеологической истории. Абсолютный возраст наиболее древних горных пород составляет свыше 3.5 млрд. лет. Геологическая история Земли делится на два неравных этапа: докембрий, занимающий примерно 5/6 всего геологического летоисчисления (около 3 млрд. лет), и фанерозой, охватывающей последние 570 млн. лет. Около 3-3.5 млрд. лет назад в результате закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь, началось развитие биосферы. Совокупность всех населяющих ее живых организмов, так называемое живое вещество Земли, оказала значительное влияние на развитие атмосферы, гидросферы и осадочной оболочки. Новый фактор, оказывающий мощное влияние на биосферу – производственная деятельность человека, который появился на Земле менее 3 млн. лет назад.

Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества. Результатом этой дифференциации явилось разделение Земли на геосферы - концентрически расположенные слои, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора – так называемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых состоит Земля:

- ядро; - мантия; - литосфера; - гидросфера; - атмосфера; - магнитосфера.

Ядро Земли. Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км и состоит из двух частей – большого внешнего и малого внутреннего ядер. Температура ядра может достигать 4000°С.

Природа внутреннего ядра Земли с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км. Возможно, он состоит из никелистого железа без примесей серы и находится в твердом состоянии из-за огромного давления.

Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость, состоящую из расплавленного железа с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2200 км. Жидкое ядро позволяет объяснить наличие магнитного поля Земли и его вариаций, когда в геологическом прошлом нашей планеты неоднократно происходила инверсия магнитных полюсов. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины. Роль подвижного элемента динамо играет жидкое ядро, перемещающееся при вращении Земли вокруг своей оси.

Мантия – наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев – нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии – 2000 км, верхней – 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Предполагают, что мантия Земли в основном сложена из силикатов и железа, прежде всего из минерала оливина.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные температуры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера – нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью – по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам – как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера – это земная кора с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но и большой хрупкостью. В верхней части, она слагается гранитами, в нижней – базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основные области - океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты отличаются друг от друга строением земной коры, химическим и петрографическим составом, а также историей геологического развития. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Гидросфера- водная оболочка Земли, включающая все воды, находящиеся в жидком, твердом и газообразном состояниях. Гидросфера включает воды океанов, морей, подземные воды и поверхностные воды суши. Некоторое количество воды содержится в атмосфере и в живых организмах.

Водная оболочка Земли представлена на нашей планете Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды на Земле составляют  1,5 млрд км³. Из этого количества воды 97% приходится на соленую морскую воду, 2% составляет замерзшая вода ледников и 1% – пресная вода. В Мировом океане постоянно происходят поступательные движения масс воды – морские течения. Они образуются под влиянием господствующих ветров, приливных сил Луны и Солнца, а также из-за существования слоев воды разной плотности. Под влиянием вращения Земли все течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном полушарии – влево. По располо-жению течения бывают поверхностными, подповерхностными, глубинными и придонными. По стабильности выделяют постоянные, временные и периодические (приливы и отливы) течения. Примером постоянных течений являются Северные и Южные Пассатные течения. Из низких широт в высокие движутся теплые течения (Гольфстрим), а из высоких широт в низкие – холодные течения (Лабрадорское, Курильское).

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. Она состоит из воздуха – смеси газов, состоящей из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15 · 10¹⁸ кг. Это значит, что каждый кубический метр окружающего нас воздуха весит около 1 кг. Вес всего этого воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм рт. ст. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр нашего тела давит груз атмосферы массой в 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы быстро убывают. Тропосфера – это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина – 10–18 км. С высотой падает давление и температура, опускаясь до –55°С. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков. Следующий слой атмосферы – это стратосфера, простирающаяся до 50 км в высоту. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера – эта часть атмосферы начинается с высоты 50 км и состоит из ионов – электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

С высоты в 80 км начинается мезосфера, роль которой состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.

На высоте 90–400 км находится термосфера. В ней происходят основные процессы погло-щения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ураганные ветры, причиной которых считают космические излучения.

Верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450–800 км до 2000–3000 км, называется экзосферой. В ней содержится атомарный кислород, гелий и водород. Часть этих частиц постоянно уходит в мировое пространство.

Магнитосфера – самая внешняя и протяженная оболочка Земли. Она представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8–24 земных радиусов, с ночной – доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции огромных электрических токов. Поэтому Земля представляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс – в Антарктиде на станции Восток.

Сегодня установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность менялась несколько раз. Так, 30000 лет назад Северный магнитный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодически происходят возмущения магнитного поля – магнитные бури, из-за которых возникают серьезные радиопомехи. Их главной причиной является колебание солнечной активности. Поэтому особенно часты магнитные бури в годы активного Солнца, когда на нем появляется много пятен, а на Земле возникают полярные сияния.

27.  Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, являющихся объектом изучения и находящихся во взаимодействии с окружающими их телами (или окружающей средой). Это взаимодействие заключается в обмене теплотой и работой между термодинамической системой и окружающей средой. Простейшим примером такой системы может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем, где окружающей средой является цилиндр, поршень, окружающий воздух и др.

Если термодинамическая система не имеет никаких взаимодействий с окружающей средой, то ее называют -изолированной или замкнутой системой. В открытых (неизолированных) системах взаимодействие происходит или непрерывно или периодически.

Тело, посредством которого производится обмен энергией (теплотой, работой), называется рабочим телом.

Параметры и состояние системы. В каждый данный момент термодинамическая система может быть охарактеризована рядом величин, которые в общем случае могут меняться с изменением самой системы в результате взаимодействий ее с окружающей средой. Эти величины называются термодинамическими параметрами. Они взаимосвязаны, и одни из них можно рассматривать в качестве основных, а другие - в качестве производных.

К числу основных параметров относятся такие, которые легко могут быть определены простыми техническими средствами. К таким параметрам относятся: давление р, Па, температура Т,К или t°C и удельный объем,v , м³/кг.

Совокупность названных основных параметров определяет состояние системы в данный момент. Если для такой системы указанные три параметра известны, то состояние системы термодинамически вполне определено. Через изменение этих параметров можно найти изменения других характеристик для данной системы.

Способы описания термодинамических систем делятся на статистические (основываются на индивидуальных свойствах частицы, в основе МКТ(молекулярно-кинетическая теория) и термодинамические (основываются не на индивидуальных свойствах частиц ,а на феноменологическом методе)

28. Основные положения молекулярно-кинетической теории: 1)все тела состоят из атомов и молекул. Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, т.е. состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы. 2)атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении 3)между частицами вещества существуют силы притяжения и отталкивания. 29. Нелинейные системы и их развитие. Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами. Нелинейная система имеет устойчивые и неустойчивые стационарные состояния. Причем одно и то же стационарное состояние такой системы при одних условиях может быть устойчивым, а при других неустойчивым. Устойчивые стационарные состоянии более присущи самой системе, а неустойчивые характеризуют моменты собственно изменений в ней. Изменяющиеся нелинейные системы отличают множественность стационарных состояний, единство их устойчивости и неустойчивости. Это создает феномен сложного и разнообразного поведения, не укладывающегося в единственную теоретическую схему и, может быть, непредсказуемого в определенные периоды времени. Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью, нестабильностью, выражающихся в накоплениях флуктуаций, бифуркациях (ветвлениях путей эволюции), фазовых и самопроизвольных переходах. В таких системах возникают и поддерживаются локализованные проце ссы (структуры), в которых имеют место интеграция, архитектурное объединение структур по некоторым законам построения эволюционного целого, а также вероятностный (хаотический) распад этих структур на этапе нарастания их сложности. Именно в таких системах чаще всего возникают синергетические явления. При исследованиях сложных нелинейных систем можно выделить два различных подхода в зависимости от того, на что в первую очередь направлено внимание исследователя: на возможные сценарии прохождения точки бифуркации без детализации хаотического поведения в этот момент или непосредственно на поведение системы в хаосе (позиции "метанаблюдателя" и "наблюдателя" . Первый подход строится на модели структурно устойчивой системы, с единственной кризисной точкой – точкой бифуркации практически всегда находящейся в состоянии гомеостаза. Это взгляд наблюдателя извне. В арсенале синергетических методов такая ситуация описывается с помощью теории катастроф. Математический метод описания эволюции различных природных процессов был создан Р.Томом. В другом случае – это взгляд на процесс самоорганизации изнутри, когда наблюдатель включен в систему и его наблюдение за нестабильной системой, диалог с ней вносят неконтролируемые возмущения. Соответствующий аппарат развивается на базе теории динамич еского или детерменированного хаоса. овокупность большого числа нелинейных осцилляторов, образующих систему, способна порождать особые структуры – аттракторы, выступающие для исследователя как "цели эволюции". Они могут быть как правильными, просто описываемыми структурами, так и хаотичн ыми состояниями. В первом случае аттракторы характеризуются либо одним конечным состоянием, либо циклически повторяющимся процессом, задаваемым простой математической формулой. В системах же детерминированного хаоса аттракторы приобретают более сложную структуру и становятся "странными аттракторами". Это уже не точка и не предельный цикл, а сложно описываемая область, по которой происходят случайные блуждания.

30. самоорганизация (синергетический подход)

Определение, данное Г. Хакеном в 1980-е гг. в рамках синергетики:

«Самоорганизация — процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих».

Характеристики системы:

• открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой);

• содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);

• имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

• интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);

• макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность системы);

• имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);

• новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;

• новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

Для однозначности определения термина, его связи с характеристиками системы и процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных примеров самоорганизации:

• лазер — пространственное упорядочение;

• ячейки Рэлея — Бенара — пространственное упорядочение;

• реакция Белоусова — Жаботинского — пространственно-временное упорядочение;

Самоорганизация в социальных системах Попытки объяснить механизмы самоорганизации, которые начались, по существу, еще в 18-м веке, не обошли стороной и общественные науки. Основоположник классической политической экономии А.Смит (1723-1790) в своем главном труде «Исследование о природе и причинах богатства народов» показал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных, часто противоположных стремлений, целей и интересов его участников. Такое взаимодействие приводит к установлению никем не запланированного порядка, который выражается в равновесии спроса и предложения. А. Смит использовал метафору «невидимой руки», которая регулирует цены на рынке. Подобные же идеи высказывались в то время и относительно самоорганизации норм нравственности в обществе. При этом идеи самоорганизации, самосовершенствования деятельности социальных систем связывались с эволюционными процессами. И вот в конце 20-го века ответ на многие поставленные вопросы пришел из естественных наук, когда было обнаружено поразительное сходство процессов самоорганизации на самых различных структурных уровнях материи. Социальные системы так же как и природные – столь же сложные и нелинейные. В них возможны изменения структурных связей, кризисы и катастрофы, в том числе  экологические и экономические. И здесь большое значение имеет возможность, опираясь на методы синергетики, определить условия нарушения прежней устойчивости и возможность перехода в новое состояние, сопровождаемое структурными изменениями. Стохастическая модель процесса формирования общественного мнения была построена Г.Хакеном в его работе «Синергетика». Здесь главной трудностью был выбор макроскопических переменных, описывающих общество. Г. Хакен взял довольно простой пример. Он использовал в качестве параметров порядка число индивидуумов с соответствующими мнениями – за (+) и минус (-). Тогда формирование общественного мнения описывалось изменением этих чисел. При отсутствии внешних воздействий оказались возможными два результата. Вследствие частых перемен точек зрения получается одноцентровое распределение мнений в коллективе, а при значительной устойчивости связей между индивидуумами формируются два противоположных мнения, соответствующих состоянию поляризации общества. Эта модель позволяет качественно объяснить неустойчивые ситуации, когда характеристика общественного состояния, зависящая от связи индивидуумов, приближается к критическому значению (точке бифуркации).

31.Понятие симметрии. Одним из важных открытий современного естествознания является тот факт, что все многообразие окружающего нас физического мира связано с тем или иным нарушением определенных видов симметрий. Чтобы это утверждение стало более понятным, рассмотрим подробнее понятие симметрии. «Симметричное обозначает нечто, обладающее хорошим соотношением пропорций, а симметрия – тот вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в целое. Красота тесно связана с симметрией», - писал Г. Вейль в своей книге «Этюды о симметрии». Он ссылается при этом не только на пространственные соотношения, т.е. геометрическую симметрию. Разновидностью симметрии он считает гармонию в музыке, указывающую на акустические приложения симметрии. Зеркальная симметрия в геометрии относится к операциям отражения или вращения. Она достаточно широко встречается в природе. Наибольшей симметрией в природе обладают кристаллы (например, симметрия снежинок, природных кристаллов), однако не у всех из них наблюдается зеркальная симметрия. Известны так называемые оптически активные кристаллы, которые поворачивают плоскость поляризации падающего на них света. [2]. В общем случае симметрия выражает степень упорядоченности какой-либо системы или объекта. Например, круг более упорядочен и, следовательно, симметричен, чем квадрат. В свою очередь, квадрат более симметричен, чем прямоугольник. Другими словами, симметрия – это неизменность (инвариантность) каких-либо свойств и характеристик объекта по отношению к каким-либо преобразованиям (операциям) над ним. Например, окружность симметрична относительно любой прямой (оси симметрии), лежащей в ее плоскости и проходящей через центр, она симметрична и относительно центра. Операциями симметрии в данном случае будут зеркальное отражение относительно оси и вращение относительно центра окружности. В широком смысле симметрия – это понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между частями целого. Противоположным понятием является понятие асимметрии, которое отражает существующее в объективном мире нарушение порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между отдельными частями целого, связанное с изменением, развитием и организационной перестройкой. Уже отсюда следует, что асимметрия может рассматриваться как источник развития, эволюции, образования нового. Симметрия может быть не только геометрической. Различают геометрическую и динамическую формы симметрии (и, соответственно, асимметрии). К геометрической форме симметрии (внешние симметрии) относятся свойства пространства – времени, такие как однородность пространства и времени, изотропность пространства, эквивалентность инерциальных систем отсчета и т.д. К динамической форме относятся симметрии, выражающие свойства физических взаимодействий, например, симметрии электрического заряда, симметрии спина и т.п. (внутренние симметрии). Современная физика, однако, раскрывает возможность сведения всех симметрий к геометрическим симметриям. Калибровочные симметрии. Важным понятием в современной физике является понятие калибровочной симметрии. Калибровочные симметрии связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований. Сам термин «калибровка» происходит из жаргона железнодорожников, где он означает переход с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. Так в СТО физические законы не изменяются относительно переноса (сдвига) системы координат. Траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг остается одинаковым у всех точек пространства. Таким образом, здесь работают глобальные калибровочные преобразования. Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии. Так геометрические асимметрии выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т.д. Динамические асимметрии проявляются в различиях между протонами и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.д.

32. Теорема Нетер. Наиболее общий подход к взаимосвязи симметрий и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит: если свойства системы не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Рассмотрим переходы от одной инерциальной системы к другой. Поскольку есть разные способы таких переходов, то, следовательно, есть различные виды симметрии, каждому из которых, согласно теореме Нетер, должен соответствовать закон сохранения. Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой можно осуществлять следующими преобразованиями: 1. Сдвиг начала координат. Это связано с физической эквивалентностью всех точек пространства, т.е. с его однородностью. В этом случае говорят о симметрии относительно переносов в пространстве. 2. Поворот тройки осей координат. Эта возможность обусловлена одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т.е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов. 3. Сдвиг начала отсчета по времени, соответствующий симметрии относительно переноса по времени. Этот вид симметрии связан с физической эквивалентностью различных моментов времени и однородностью времени, т.е. его равномерным течением во всех инерциальных системах –отсчета. Смысл эквивалентности различных моментов времени заключается в том, что все физические явления протекают независимо от времени их начала (при прочих равных условиях). 4. Равномерное прямолинейное движение начала отсчета со скоростью V, т.е. переход от покоящейся системы к системе, движущейся равномерно и прямолинейно. Это возможно, т.к. такие системы эквивалентны. Такую симметрию условно называют изотропностью пространства-времени. Переход же осуществляется с помощью преобразований Галилея или преобразований Лоренца. (Важно отметить, что физические законы не являются симметричными относительно вращающихся систем отсчета. Вращение замкнутой системы отсчета можно обнаружить по действию центробежных сил, изменения плоскости качания маятника и др. Кроме того, физические законы не являются симметричными и относительно масштабных преобразований систем – т.н. преобразований подобия. Поэтому законы макромира нельзя автоматически переносить на микромир и мегамир.) Описанные выше 4 вида симметрии являются универсальными. Это означает, что все законы Природы относительно них инвариантны с большой степенью точности, а соответствующие им законы являются фундаментальными.  К этим законам относятся соответственно: 1. Закон сохранения импульса как следствие однородности пространства(сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.) 2. Закон сохранения момента импульса как следствие изотропности пространства(векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.) 3. Закон сохранения энергии как следствие однородности времени(дляизолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени.) 4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропности пространства-времени)(центр масс- это геометрическая точка, характеризующая движение тела или системы частиц как целого.) Как уже было сказано ранее, описанные виды симметрий относятся к геометрическим. Связь с законами сохранения обнаруживают и динамические симметрии. С динамическими симметриями связан закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т.д.

Так закон сохранения электрического заряда вытекает из электромагнитной калибровочной симметрии. Ее суть состоит в том, что при масштабных преобразованиях силовые характеристики электромагнитного поля (напряженность электрического поля    и индукция магнитного поля остаются неизменными. Из этого закона вытекает, в частности, устойчивость электрона – самой мелкой фундаментальной заряженной частицы, способной существовать в свободном состоянии. (По современным данным время жизни электрона не менее 10¹⁹ лет). При рассмотрении действия тех или иных фундаментальных законов не следует забывать, что каждому виду симметрии соответствует своя асимметрия. Асимметричные условия исключают наличие резкой грани между законами и условиями их действия. Поэтому содержание законов всегда должно включать определенные моменты асимметричных условий.

33. Химический элемент — совокупностьатомов с одинаковым зарядом ядра и числомпротонов, совпадающим с порядковым (атомным) номером в таблице Менделеева^[1]. Каждый химический элемент имеет свои название и символ, которые приводятся вПериодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева

История становления понятия

Слово «элемент» (лат. elementum) использовалось еще в античности (Цицероном, Овидием, Горацием) как часть чего-то (элемент речи, элемент образования и т. п.). В древности было распространено изречение «Как слова состоят из букв, так и тела — из элементов». Отсюда — вероятное происхождение этого слова: по названию ряда согласных букв в латинском алфавите: l, m, n, t («el» — «em» — «en» — «tum»).^[4]

Близкое к современному пониманию понятие химического элемента отражала новая система химической философии, изложеннаяРобертом Бойлем в книге «Химик-скептик» (1661). Бойль указал, что ни четыре стихии Аристотеля, ни три принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Элементы, согласно Бойлю — практически неразложимые тела (вещества), состоящие из сходных однородных (состоящих из первоматерии) корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних^[5].

В 1789 г. Антуан Лоран Лавуазье в «Элементарном курсе химии», приводит первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел), разделённых на несколько типов. Он впервые отождествляет с химическими элементами ряд простых веществ (в их числе, кислород,азот, водород, сера, фосфор, уголь и все известые к тому времени металлы). В число элементов были включены свет, теплород и «солеобразующие землистые вещества» (трудноразлагаемые оксиды кальция, магнияи др.). Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием определения элемента опыт и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить экспериментально^[6].

Благодаря Джону Дальтону в начале XIX в. в химии возобладала атомно-молекулярная гипотеза, рассматривающая химический элемент как отдельный вид атомов и указывающая на природу простых и сложных веществ, как состоящих, соответственно, из атомов одного или различного видов. Дальтон же впервые указывает на атомный вес как важнейшее свойство элементов, определяющее его химическую природу. Благодаря усилиям Йенса Берцелиуса и его последователей были весьма точно определены атомные веса (атомные массы) известных элементов. Середина XIX в. ознаменовалась целым рядом открытий новых элементов. На международном съезде химиков в г. Карлсруэ в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома.

Ko времени открытия Периодического законаД. И. Менделеевым (1869) было известно 63 элемента. Именно атомный вес был выделен им как свойство атомов, определяющеепериодический характер изменения свойств химических элементов, а также образуемых ими простых и сложных веществ. Менделеев определял химические элементы как «материальные части простых или сложных тел, к-рые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Oткрытие Mенделеева позволило предвидеть существование, a также свойства ряда неизвестных в то время элементов и послужило научной основой для ихклассификации.

Однако с открытием изотопов стало ясно, что различные совокупности атомов одного и того же элемента могут иметь различающиеся атомные массы; так, радиогенный гелий, выделенный из урановых минералов, в связи с преобладанием изотопа ⁴He имеет атомную массу больше, чем гелий космических лучей.

Современное понимание химического элемента как совокупности атомов, характеризующихся одинаковым положительным зарядом ядра, равным номеру элемента в Периодической таблице, появилось благодаря фундаментальным работам Генри Мозли (1915) и Джеймса Чедвика (1920)^[7].

Периодическая система химических элементов (таблица Менделеева) -- классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, установленного русским химиком Д. И. Менделеевым в 1869 году. Её первоначальный вариант был разработан Д. И. Менделеевым в 1869--1871 годах и устанавливал зависимость свойств элементов от массового числа атомов (или их атомной массы).

До открытия Д. И. Менделеева в науке уже были предприняты попытки классифицировать химические элементы по определенным признакам.

Предшественники Д. И. Менделеева, отмечая сходство некоторых элементов, объединили их в отдельные группы или классы. Например, разделение элементов на два класса -- металлы и неметаллы -- оказалось неточным, потому что есть химические элементы с двойственными свойствами -- как металлов, так и неметаллов.

Важным этапом в работе по созданию классификации химических элементов было объединение сходных элементов в естественные семейства, например щелочные металлы, галогены.

Однако все ученые, пытаясь классифицировать химические элементы, искали сходство между элементами одного семейства, но не могли себе представить, что все элементы тесно связаны друг с другом.

Гениальное подтверждение того, что все химические элементы взаимосвязаны, сделал выдающийся русский химик Д. И. Менделеев, который сравнил их на основе двух свойств: атомной массы и валентности, т. е. способности образовывать известные формы соединений (оксиды, водородные соединения и др.).

Сущность открытия Менделеева заключалась в том, что с ростом атомной массы химических элементов их свойства меняются не монотонно, а периодически. После определённого количества разных по свойствам элементов, расположенных по возрастанию атомного веса, свойства начинают повторяться. Например, натрий похож на калий, фтор похож на хлор, а золото похоже на серебро и медь. Разумеется, свойства не повторяются в точности, к ним добавляются и изменения. Отличием работы Менделеева от работ его предшественников было то, что основ для классификации элементов у Менделеева была не одна, а две -- атомная масса и химическое сходство. Для того, чтобы периодичность полностью соблюдалась, Менделеевым были предприняты очень смелые шаги: он исправил атомные массы некоторых элементов, несколько элементов разместил в своей системе вопреки принятым в то время представлениям об их сходстве с другими (например, таллий, считавшийся щелочным металлом, он поместил в третью группу согласно его фактической максимальной валентности), оставил в таблице пустые клетки, где должны были разместиться пока не открытые элементы. В 1871 году на основе этих работ Менделеев сформулировал Периодический закон(фундаментальный закон, устанавливающий периодическое изменение свойств химических элементов в зависимости от увеличения зарядов ядер их атомов.), форма которая со временем была несколько усовершенствована.

Периодическая система Д. И. Менделеева стала важнейшей вехой в развитии атомно-молекулярного учения. Благодаря ей сложилось современное понятие о химическом элементе, были уточнены представления о простых веществах и соединениях.

34. Реакции химические (от лат. re--приставка, означающая обратное действие, и actio-действие), превращения одних веществ (исходных соед.) в другие (продукты реакции) при неизменяемости ядер атомов (в отличие от ядерных реакций).

Исходные соединения в химических реакциях иногда наз. реагентами, однако чаще (особенно в орг. химии) термин "реагент" используют по отношению к одному, наиб. активному исходному соед., определяющему направление химической реакции (напр., нуклеоф. реагент, электроф. реагент). Второй участник в этом случае наз. субстратом.

Для осуществления химической реакции часто требуются определенные условия - температура, давление. облучение (напр., УФ светом), наличие растворителя и др. химические реакции могут сопровождаться выделением тепла, испусканием света, изменением агрегатного состояния веществ и т.п.

Для описания химических реакций используют хим. уравнения, в левой части которых указывают исходные вещества, в правой-продукты. Обе части уравнения м. б. соединены знаком равенства (в этом случае кол-во атомов хим. элементов справа и слева должно быть уравнено с помощью стехиометрич. коэф.; см. Стехиометрия), стрелкой (в случае необратимых хим. превращений) или прямой и обратной стрелками (для обратимых реакций). Иногда хим. уравнения дополняют указанием энтальпии реакции, агрегатного состояния веществ и др. характеристиками.

Химические реакции могут осуществляться как один элементарный акт (стадия) или через последовательность отдельных стадий (см. Сложные реакции), составляющих в совокупности механизм реакции. Ключевые элементы в описании любого механизма - характер интермедиата (реально существующие промежут. вещество, в ряде случаев фиксируемое экспериментально) и переходное состояние, представляющее собой гипотетич. промежут. состояние реагирующей системы, со-отдетствующее ее макс. энергии (см. Активированного комплекса теория). Величина энергетич. барьера между начальным и конечным состояниями реагирующей системы (т.е. разность энергий исходных соед. и переходного состояния) наз. энергией активации. разность энергий начального и конечного состояний определяет изменение энергии Гиббса системы и обозначается ΔG (энергия Гиббса реакции). Необходимое условие самопроизвольного (т. е. без подвода энергии извне) протекания реакции - уменьшение энергии Гиббса в ходе реакции (ΔG < 0). Изменение квантового состояния реагентов и продуктов реакции исследуется при рассмотрении динамики элементарного акта.

Закономерности протекания химические реакции во времени изучает кинетика химическая. Осн. кинетич. характеристики реакций- скорость реакции. определяемая как кол-во частиц вещества, реагирующих в единицу времени, и константа скорости реакции (параметр реакции, не зависящий от концентрации реагентов). Подавляющее большинство реакций химических обратимы, т.е. наряду с прямым превращением реагентов в продукты осуществляется и обратная реакция. В случае равенства скоростей прямой и обратной реакций достигаетсяхимическое равновесие, характеризуемое константой равновесия. Возможность протекания химические реакции и их направление может определяться как термодинамич. факторами (значениями энтропии и ΔG), так и кинетич. .энергией активации. величиной предэкспонен-циального множителя в Аррениуса уравнении)-соотв. термодинамич. и кинетич. контроль реакции.

Классификация химических реакций

В процессе изучения химии приходится встречаться с классификациями химических реакций по различным признакам

По тепловому эффекту	Экзотермические - протекают с выделением энергии 4Р + 5О2 = 2Р2О5 + Q; CH4 + 2О2 > СО2 + 2H2O + Q
	Эндотермические - протекают с поглощением энергии Cu(OH)2 CuO + H2O - Q; C8H18 C8H16 + H2 - Q
По числу и составу исходных и образовавшихся веществ	Реакции разложения - из одного сложного вещества образуется несколько более простых: СаСО3 СаО + СО2 C2H5OH > C2H4 + H2O
	Реакции соединения - из нескольких простых или сложных веществ образуется одно сложное: 2H2 + О2 > 2H2O C2H4 + H2 > C2H6
	Реакции замещения - атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2^ CH4 + Cl2 > CH3Cl + HCl
	Реакции обмена - два сложных вещества обмениваются составными частями: AgNO3 + HCl = AgClv + HNO3 HCOOH + CH3OH > HCOOCH3 + H2O
По агрегатному состоянию реагирующих веществ	Гетерогенные - исходные вещества и продукты реакции находятся в разных агрегатных состояниях: Fe(т) + CuCl2(р-р) > Cu(т) + FeCl2(р-р) 2Na(т) + 2C2H5OH(ж) > 2C2H5ONa(р-р) + H2(г) ^
	Гомогенные - исходные вещества и продукты реакции находятся в одном агрегатном состоянии: H2(г) + Cl2(г) =2HCl(г) C2H5OH(ж) + CH3COOH(ж) > CH3COOC2H5(ж) + H2O(ж)
По наличию катализатора	Каталитические 2H2O2 2H2O + О2^ C2H4 + H2 C2H4
	Некаталитические S + О2 SO2 C2H2 + 2Cl2 > C2H2 Cl4
По направлению	Необратимые - протекают в данных условиях только в одном направлении: H2SO4 + BaCl2 > BaSO4+ 2HCl CH4 + 2О2 > СО2 + 2H2O
	Обратимые - протекают в данных условиях одновременно в двух противоположных направлениях: 3H2 + N2 - 2NH3 ; C2H4 + H2 - C2H6
По изменению степени окисления атомов элементов	Окислительно-восстановительные - реакции, идущие с изменением степени окисления: Fe0 + 2H+1Cl-1 > Fe2+Cl2-1 + H20 H+1C0O-2 H+1 + H2 > C-2 H3+1 O-2 H+1
	Неокислительно-восстановительные - реакции, идущие без изменения степени окисления: S+4O4-2 + H2O > H2+ S+4O4-2 CH3NH2 + HCl > (CH3NH3)Cl

Как видим, существует различные способы классификации химических реакций, из которых более подробно мы рассмотрим следующие.

По признаку изменения числа исходных и конечных веществ. Здесь можно найти 4 типа химических реакций (рис.6): реакции соединения, реакцииразложения, реакции обмена, реакции замещения.

Рисунок 6 - Классификация химических реакций по признаку изменения числа исходных и конечных веществ

Приведем примеры таких реакций. Для этого воспользуемся уравнением получения гашеной извести и уравнению получения негашеной извести

СаО + Н₂О = Са(ОН)₂

Са(ОН)₂ = СаО + Н₂О

Эти реакции относятся к разным типам химических реакций.

Первая реакция является типичной реакцией соединения, поскольку при ее протекании две молекулы реагентов СаО и Н₂О соединяются в одну, более сложную молекулу Са(ОН)₂.

Вторая реакция Са(ОН)₂ = СаО + Н₂О является типичной реакцией разложения: здесь реагент Ca(OH)₂ разлагается с образованием двух других, более простых веществ (продуктов реакции).

В реакциях обмена количество реагентов и продуктов обычно одинаково. В таких реакциях исходные вещества обмениваются между собой атомами и даже целыми составными частями своих молекул. Например, при сливании раствора CaBr₂ с раствором HF выпадает осадок. Происходит реакция, в которой ионы кальция и водорода обмениваются между собой ионами брома и фтора

CaBr₂ + 2HF = CaF₂? + 2HBr

При сливании растворов CaCl₂ и Na₂CO₃ тоже выпадает осадок, потому что ионы кальция и натрия обмениваются между собой частицами CO₃^2- и Cl-

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃? + 2NaCl

Стрелка рядом с продуктом реакции показывает, что это соединение нерастворимо и выпадает в осадок. Таким образом, стрелку можно использовать и для обозначения удаления какого-нибудь продукта из химической реакции в виде осадка (? ) или газа ( ), например:

Zn + 2HCl = H₂ + ZnCl₂

Последняя реакция относится к еще одному типу химических реакций - реакциям замещения. Цинк заместил водород в его соединении с хлором - в HCl. Водород при этом выделяется в виде газа.

Реакции замещения внешне могут быть похожи на реакции обмена. Отличие заключается в том, что в реакциях замещения обязательно участвуют атомы какого-нибудь простого вещества, которые замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, например

2NaBr + Cl₂ = 2NaCl + Br₂ - это реакция замещения;

в левой части уравнения есть простое вещество-молекула хлора Cl₂, и в правой части есть простое вещество - молекула брома Br₂.

В реакциях обмена - и реагенты и продукты являются сложными веществами, например

CaCl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃? + 2NaCl - это реакция обмена;

в этом уравнении реагенты и продукты - сложные вещества.

Деление всех химических реакций на реакции соединения, разложения, замещения и обмена - не единственное.

Рассмотрим способ классификации по признаку изменения (или отсутствия изменения) степеней окисления у реагентов и продуктов. По этому признаку все реакции делятся на окислительно-восстановительные реакции и все прочие (т.е. не окислительно-восстановительные).

Рисунок 7 - Реакции с изменением степени окисления элементов

Так, рассмотренная выше реакция между Zn и HCl является не только реакцией замещения, но и окислительно-восстановительной реакцией, потому что в ней изменяются степени окисления реагирующих веществ

Zn⁰ + 2H⁺¹Cl = H₂⁰ + Zn⁺²Cl₂

это реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная реакция.

Окислительно-восстановительными являются также:

- реакции метана с кислородом (рис. 1):

меняют степень окисления углерод и кислород;

- реакция оксида меди с водородом:

меняют степень окисления водород и медь;

- реакция бромида натрия с хлором:

меняют степень окисления бром и хлор.

Важно также отметить, что по разным признакам одна и та же реакция может быть отнесена одновременно к нескольким типам, например

- эта реакция относится к реакциям: соединения, экзотермическим, окислительно-восстановительным, каталитическим и обратимым.

К окислительно-восстановительным в неорганической химии относятся все реакции замещения и те реакции разложения и соединения, в которых участвует хотя бы одно простое вещество.

В более обобщенном варианте (уже с учетом и органической химии): все реакции с участием простых веществ, и наоборот, к реакциям, идущим без изменения степеней окисления элементов, образующих реагенты и продукты реакции, относятся все реакции обмена.

К окислительно-восстановительным относятся подавляющее большинство химических реакций, они играют исключительно важную роль.

Классификация окислительно-восстановительных реакций

Межмолекулярные (окислитель и восстановитель - разные вещества):

Внутримолекулярные (окислитель и восстановитель входят в состав одного и того же вещества):

Диспропорционирование [дисмутация] (степень окисления одного и того же элемента и повышается и понижается):

Контрпропорционирование [конмутация] (взаимодействие окислителя и восстановителя, в состав которых входит один и тот же элемент в разных степенях окисления):

Скорость химической реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятиемхимической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение домножается на −1.

Например для реакции:

выражение для скорости будет выглядеть так:

 .

В 1865 году Н. Н. Бекетовым и в 1867 году Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс:

Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным в некоторые степени.

Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

• природа реагирующих веществ,

• наличие катализатора,

• температура (правило Вант-Гоффа),

• давление,

• площадь поверхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C, то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

Продуктом является вещество с элементом в промежуточной степени окисления.

Таким образом, мы узнали, что такое химическая реакция, выявили признаки химических реакций, сформировали представления о причинах и условия протекания химических реакций и систематизировали и обобщили представление о классификации химических реакций.

35. Химическое равновесие — состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

А₂ + В₂ ⇄ 2AB

В состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции становятся равными.

Состояние химического равновесия. Динамический характер равновесия. Равновесие характеризуется постоянством микроскопических свойств. Равновесие может существовать только в замкнутой системе - системе, содержащей постоянное количество вещества при постоянной температуре. Динамический характер равновесия характеризуется растворимостью и давлением пара. При равновесии микроскопические процессы продолжаются, но они взаимно уравновешиваются, поэтому никаких макроскопических изменений не наблюдается.

Сдвиг химического равновесия. Принцип Ле Шателье. Качественно предсказать влияние изменения внешних условий можно с помощью правила, впервые сформулированного французским химиком Ле Шателье. Это правило называется принципом Ле Шателье или принципом подвижного равновесия. Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих состояние равновесия, то равновесие смещается в том направлении, в котором эффект воздействия уменьшается.

Смещение химического равновесия

Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации. Влияние, которое оказывают эти факторы на химическую реакцию, подчиняются закономерности, которая была высказана в общем виде в 1885 году французским ученым Ле-Шателье.

Факторы влияющие на химическое равновесие:

1) температура

При увеличении температуры химическое равновесие смещается в сторону эндотермической (поглощение) реакции, а при понижении в сторону экзотермической (выделение) реакции.

CaCO3=CaO+CO2 -Q t↑ →, t↓ ←

N2+3H2↔2NH3 +Q t↑ ←, t↓ →

2) давление

При увеличении давления химическое равновесие смещается в сторону меньшего объёма веществ, а при понижении в сторону большего объёма. Этот принцип действует только на газы, т.е. если в реакции участвуют твердые вещества, то они в расчет не берутся.

CaCO3=CaO+CO2 P↑ ←, P↓ →

1моль=1моль+1моль

3) концентрация исходных веществ и продуктов реакции

При увеличении концентрации одного из исходных веществ химическое равновесие смещается в сторону продуктов реакции, а при увеличении концентрации продуктов реакции-в сторону исходных веществ.

S2+2O2=2SO2 [S],[O]↑ →, [SO2]↑ ←

Катализаторы не влияют на смещение химического равновесия!

36. Уровни биологической организации, биологические системы, различающиеся по принципам организации и масштабам явлений. Основными У. о. ж,, которые характеризуются специфическими взаимодействиями компонентов и отчётливыми особенностями взаимоотношений с ниже и выше лежащими системами, можно считать следующие: молекулярный, организменный, популяционно-видовой и биогеоценотический (биосферный). Возможна и более детализдрованная классификация, включающая, в частности, клеточный, тканевый и другие У. о. ж. За пределами биологии существуют уровни более низкие, чем молекулы, – атомы, электроны, протоны и др. ядерные частицы, а также более высокие, чем биосфера, – Земля, небесные тела, космос. Понятие об уровнях имеет широкое значение и относится к системам, которые существуют благодаря связям, объединяющим составляющие их компоненты в целое. Связи в пределах каждого У. о. ж. носят конкретный характер. Так, в клетке протекают биохимические процессы, действуют силы физической природы; различные организмы, обитающие в одном водоёме, сохраняя присущие им особенности, образуют замкнутую и относительно стабильную экологическую систему, объединённую общим круговоротом веществ и пищевыми отношениями. Благодаря системной природе живых существ У. о. ж. становятся реальными и четко различимыми. Характеристика биологических систем показывает, что при усложнении организации система низшего У. о. ж. входит в систему, следующую за ней, последняя – в ещё более высокую. Поэтому говорят об иерархии У. о. ж. Иерархическая лестница уровней биологической организации соответствует истории развития органического мира и является его следствием. Согласно общепринятой концепции происхождения жизни (См. Происхождение жизни), развитие последней началось с органических молекул, образовавшихся без участия организмов. Затем возникли примитивные предшественники клеток, появились клетки и многоклеточные организмы. Каждому У. о. ж. соответствуют свои уровни исследований, биологической дисциплины: молекулярному уровню – биохимия, молекулярная биология, молекулярная генетика, биоорганическая химия, биофизика; клеточному – цитология; организменному – физиология; популяционно-видовому (вид) – популяционная генетика, экология, систематика и т.п. Т. н. системный анализ имеет целью исследование сложных, иерархических систем в самых различных сферах действительности, не исключая и человеческое общество. Живые организмы с их большим числом переменных величин и множеством внутренних связей относятся к таким системам. Общая теория систем, развиваемая Л. Берталанфи, родилась в биологии. Идея об У. о. ж., тесно связанная с представлением о системах, в своей основе является диалектико-материалистической, т.к. даёт возможность объяснить целостность и качественное своеобразие биологических объектов материальными факторами; она имеет важное значение для понимания биологических закономерностей.