CC BY
2
УДК 53.051.4
https://doi.org/10.24412/2226-2296-2024-1-21-24
I
Математическое измерение скорости химических реакций - важный процесс математизации
Мовсумзаде Э.М.,1' 2 Гусейнова С.Н.1, Мовсум-заде Н.Ч.3, Бабкина А.А.1, Логинова М.Е.4
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com
E-mail: guseynovas@yandex.ru E-mail: anna.babkina02@mail.ru
2 Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 117997, Москва, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com
3 Институт информационных технологий НАН Азербайджана, AZ1141, г. Баку, Азербайджанская Республика
4 АО НПФ «Геофизика», 450097, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7077-8705, E-mail: ufamel@yandex.ru
Резюме: В статье рассматривается история развития описания кинетики химических процессов. Ученые-химики всегда стремились описать математически скорость протекания реакции во времени, так как знание закона позволяет анализировать скорость химических реакций, зависящую от многих факторов, главными из которых являются концентрация и природа исходных веществ, температура реакционной системы и присутствие в ней катализатора. Приведенные примеры ясно показывают, что уже простое изучение закономерностей протекания химических реакций во времени значительно расширяет наши сведения о свойствах той или иной реакции и участвующих в ней веществ и, следовательно, указывает пути сознательного воздействия на ход химического превращения.
Ключевые слова: скорость, химическая реакция, закон, скорость процесса, катализ, механизм, химическая кинетика, история химических процессов.
Для цитирования: Мовсумзаде Э.М., Гусейнова С.Н., Мовсум-Заде Н.Ч., Бабкина А.А., Логинова М.Е. Математическое измерение скорости химических реакций - важный процесс математизации // История и педагогика естествознания. 2024. № 1. С. 21-24. D0I:10.24412/2226-2296-2024-1-21-24
MATHEMATICAL MEASUREMENT OF THE RATE OF CHEMICAL REACTIONS IS AN IMPORTANT PROCESS OF MATHEMATIZATION
Movsumzade Eldar M.1- 2, Guseynova Saadet N.1, Movsum-zade Nazrin CH.3, Babkina Anna A.1, Loginova Marianna E.4
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450064, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/ 0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com E-mail: guseynovas@yandex.ru E-mail: anna.babkina02@mail.ru
2 Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art) 117997, Moscow, Russia ORCID: https://orcid.org/ 0000-0002-7267-1351, E-mail: eldarmm@yahoo.com
3 Institute of information technology of NAS of Azerbaijan, AZ1141, Baku, Azerbaijan Republic
4 JSC NPF Geophysics, 450097, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7077-8705, E-mail: ufamel@yandex.ru
Abstract: The article examines the history of the development of the description of the kinetics of chemical processes. Chemical scientists have always sought to mathematically describe the rate of reaction over time, since knowledge of the law allows us to analyze the rate of chemical reactions, which depends on many factors, the main of which are the concentration and nature of the starting substances, the temperature of the reaction system and the presence of a catalyst in it. The examples given clearly show that a simple study of the patterns of chemical reactions over time significantly expands our knowledge about the properties of a particular reaction and the substances involved in it and, therefore, indicates the ways of conscious influence on the course of chemical transformation. Keywords: speed, chemical reaction, law, process speed, catalysis, mechanism, chemical kinetics, history of chemical processes. For citation: Movsumzade E.M., Guseynova S.N., Movsum-zade N.CH., Babkina A.A., Loginova M.E. MATHEMATICAL MEASUREMENT OF THE RATE OF CHEMICAL REACTIONS IS AN IMPORTANT PROCESS OF MATHEMATIZATION. History and Pedagogy of Natural Science. 2024, no. 1, pp. 21-24.
DOI:10.24412/2226-2296-2024-1-21-24
■ 2024
История и педагогика естествознания
ьТ
л • щ Jjl ИСТОРИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Понятие о том, что химическая реакция протекает во времени, возникло у первых химиков, сознательно наблюдавших химические явления. Сосредоточив свое внимание на конечном этапе реакции, они рассматривали время как фактор, необходимый для превращения исходного вещества в конечный продукт. Меняя условия проведения процесса, например умеренно или интенсивно нагревая сосуд, в котором заключено превращаемое вещество, можно было заметить, что в зависимости от этих условий реакция протекает быстрее или медленнее, то есть с большей или меньшей скоростью.
Химическая статика включает изучение строения молекул вещества и химическую термодинамику. Химическая динамика, или, как мы говорим теперь, химическая кинетика - это наука о химическом превращении, химическом процессе. Таким образом, химия изучает не только отдельные вещества, но и процесс превращения одних веществ в другие, а также явления, которые сопровождают процесс химического превращения.
Главнейшую часть химии составляет изучение процесса химического превращения, изучение изменений, происходящих с веществами при химических реакциях. Однако путь от этих качественных представлений до научной формулировки понятия скорости химической реакции оказался весьма долгим. Только в начале второй половины прошлого столетия было дано строго количественное определение скорости реакции как изменение количества превращающегося вещества в единицу времени в единице объема зоны, в которой протекает химическая реакция.
«Химия - наука об изменениях, происходящих в смешанном теле, поскольку оно смешанное». Эти слова были написаны более 200 лет назад основоположником научной химии М.В. Ломоносовым в его знаменитой работе «Элементы математической химии» (1741). Эту работу с увлечением прочитает и сейчас каждый, кому интересна химическая наука [1-3]. Спустя 100 с лишним лет после М.В. Ломоносова другой великий русский ученый-химик, Д.И. Менделеев, в своих знаменитых «Основах химии» (1869) дал такое определение химии: «Ближайший предмет химии составляет изучение однородных веществ, из сложения которых составлены все тела мира, превращений их друг в друга и явлений, сопровождающих такие превращения». Это определение сущности одной из основных естественных наук подчеркивает различие между так называемой химической статистикой и химической динамикой.
Вслед за этим были установлены основные типы зависимости скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ, от температуры и других факторов, влияющих на ход химического превращения. В самых простых случаях оказалось, что скорость процесса определяется только концентрациями исходных веществ. Чаще на ход химического превращения влияет присутствие конечных продуктов реакции. Иногда продукты реакции тормозят процесс, в других случаях существенно его ускоряют. Далеко не безразлично, в каких сосудах проводится химическая реакция - в стеклянных, металлических или таких, у которых внутренняя поверхность покрыта каким-либо специальным материалом, например тефлоном. Потому что многие реакции необычайно чувствительны к небольшим добавкам некоторых химических соединений. Сотые доли процента таких веществ либо полностью прекращают реакцию, либо сильнейшим образом ее стимулируют [2-7].
Долгое время химики имели дело с реакциями, которые с повышением температуры протекали быстрее. Затем были открыты процессы, которые ускорялись как раз с понижением температуры, а совсем недавно стали известны реакции, протекающие весьма быстро даже при температу-
ре жидкого азота (около -196 °С). Систематические исследования в области криохимии ведутся с 50-х годов XX века.
В химии известно явление катализа (ускорения) химических реакций. Вещество-ускоритель может находиться в той же фазе, что и реагирующие соединения, например в жидкости или газе - это гомогенный катализ (то есть однородный). Если же роль катализатора играет твердое тело, которое находится в зоне реакций, то катализ называют гетерогенным (неоднородным). Однако в настоящее время обнаружено так много общих черт в действии гомогенных и гетерогенных катализаторов, что границы в теории этих явлений становится все менее и менее резкими [6].
Вероятно, столетие прошло уже с тех пор, как химики впервые обнаружили разного рода влияния на ход химического превращения среды, в которой идет реакция, в частности влияние растворителя. Сейчас механизм этих влияний для многих случаев стал ясным и появились принципиально новые приемы рационального (управляемого) проведения химических реакций.
Много своеобразных особенностей в ход реакции вносит влияние давления. Под воздействием давления, в 100, 1000 и 10 000 раз меньше атмосферного происходят определенные химические превращения. Для изучения процессов в атмосфере нельзя не учитывать влияние разреженной атмосферы. В свою очередь, как в теоретической, так и прикладной химии играют роль сверхвысокие давления. С их помощью осуществляются принципиально новые химические синтезы, например создание искусственных алмазов.
Радиационная химия возникла после открытия x-лучей В. Рентгеном в 1895-м и радиоактивности А. Беккерелем в 1896 году, и прибавился еще один мощный фактор воздействия на вещество - радиация. Так появилась новая область науки о химических превращениях, вызываемых действием излучения.
Большой интерес представляют также проблемы фотосинтеза и электрохимической кинетики. Современная техника предлагает все новые варианты сильного воздействия на химические процессы: излучение квантовых генераторов, сильные электромагнитные поля, токи высокой и сверхвысокой частоты, ударные волны. Во всех случаях новые воздействия приводят к новым своеобразным химическим эффектам.
Кинетика не осталась безучастной к такому важному шагу, как переход от лабораторного эксперимента к промышленному, от маленького сосуда в лаборатории к крупному реактору в промышленности. В большом реакторе возникают проблемы передачи тепла, транспорта реагирующих веществ, естественного и искусственного перемешивания и др. Эти проблемы решает интенсивно развивающая область макроскопической кинетики. Большую помощь теоретической химии и химической промышленности оказывают быстродействующие мощные компьютеры и специальные вычислительные программы [7-11].
Одним из основоположников систематического изучения закономерностей протекания во времени различных химических реакций был выдающийся русский химик, современник Д.И. Менделеева и А.М. Бутлерова профессор Н.А. Меншуткин (1842-1907). Начиная с 1877 года им было опубликовано большое количество работ, посвященных исследованию скоростей химических превращений. Ход химической реакции контролируется многими способами. Можно следить за накоплением во времени конечного продукта реакции или за убылью количеств исходных веществ. Обычно эти зависимости изображаются графически в виде так называемых кинетических кривых реакции. Иногда в процессе реакции наблюдают, как изменяется во времени какое-либо из свойств реагирующей смеси, например окра-
История и педагогика естествознания 1 ■ 2024
ска, электропроводность, спектр или давление (в случае взаимодействия газообразных веществ) и т.п. Изменение свойства во времени также предоставляется в виде кинетической кривой.
Н.А. Меншуткин в 1939 году воспользовался графическим методом изображения кинетики процессов. Ныне снятие кинетических кривых составляет первоначальный этап изучения кинетики любой реакции.
Кинетическая закономерность, описанная Н.А. Меншут-киным, весьма распространена в химии. Такие кривые получаются, когда в ходе реакции образуется продукт, способный ускорять реакцию. Поэтому, пока его мало, скорость реакции мала, затем, по мере накопления продукта, ускоряющего (или, как говорят, катализирующего) реакцию, скорость ее растет, но потом снова начинает уменьшаться, так как не хватает исходного вещества. В рассмотренном Н.А. Меншуткиным случае катализирующим продуктом является уксусная кислота. Такие реакции называются автокаталитическими, то есть самоускоряющимися. Однако последующее развитие химической кинетики показало, что кривые типа кривой Н.А. Меншуткина получаются не только в тех случаях, когда конечный продукт реакции ускоряет процесс. Аналогичные кривые получаются, например, при окислении природного газа метана СН4, сероводорода Н^ и в других случаях, когда конечные продукты реакции не оказывают никакого влияния на ее течение. Оказывается, что причиной ускоряющего действия в этих реакциях являются промежуточные продукты. Кривые типа кривой Мен-шуткина получаются также и в некоторых других случаях. Следовательно, для полной классификации химической реакции недостаточно получить кинетическую кривую. Требуется дальнейшее глубокое изучение реакции.
Разумеется, что химиков давно привлекла возможность описать ход химического превращения с помощью математических формул [9-11]. По своему смыслу скорость химической реакции аналогична скорости движения или скорости изменения какой-либо меняющейся величины (функции). Как известно, задача определения скорости движения в математике решается с помощью дифференциального исчисления, разработанного И. Ньютоном (1666) и Г. Лейбницем (1675). Потребовалось два столетия для того, чтобы соответствующие представления проникли в область
химии. Только в 1850 году химик Л. Вильгельми в своей работе «Закон действия кислот на тростниковый сахар» определил скорость реакции, пользуясь понятиями дифференциального исчисления. Если за время А? реагируют ДN молекул химического соединения, заключенного в сосуде объема V, то скорость химической реакции представляет собой предел, к которому будет стремиться отношение АN/Аt, отнесенный к единице объема сосуда, при условии, что промежуток времени А? будет браться все меньшим и меньшим (в пределе, стремящемся к нулю). В этом случае написанное выше отношение будет представлять собой значение скорости реакции в данный момент времени. Математически это записывается
w = 1 ^ aN
V At^0 At
1 dN
V dt '
Выражение ДМД? в дифференциальном исчислении носит название производной от изменяющейся величины N по времени ?.
Когда химик-кинетик стремится описать математически скорость протекания реакции во времени, он устанавливает формулу, в соответствии с которой № зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры, давления, наличия продуктов реакции, растворителей, катализаторов, а также от интенсивности воздействия различных других химических и физических факторов [6-10]. Иными словами, скорость реакции и есть функция Ф от этих многочисленных факторов:
№ = Ф (факторы, влияющие на скорость реакции).
Часто исследователя интересует не скорость процесса, а количество прореагировавшего исходного вещества к данному моменту времени или количество образовавшегося продукта реакции. Это можно определить с помощью другой математической операции - интегрирования дифференциального уравнения для скорости реакции. Следует отметить, что все эти задачи уже давно решены для реакций простых типов и ежедневно решаются в огромном числе сравнительно легко благодаря применению современной вычислительной техники для реакций любой степени сложности в многочисленных лабораториях мира [12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. М.: Высшая школа, 1984. 463 с.
2. Бродский А.И. Физическая химия. Т. 1. Свойства материи, химическая термодинамика. М.-Л.: Госхимиздат, 1948. 490 с.
3. Бродский А.И. Физическая химия. Т. 2. Растворы, электрохимия, химическая кинетика, фотохимия. М.; Л.: Госхимиздат, 1948. 513 с.
4. Логинова М.Е., Мовсумзаде Э.М., Фаттахов М.М. и др. Развитие теории подобия для физико-химических процессов // История и педагогика естествознания. 2022. № 4. С. 39-42.
Логинова М.Е., Баулин О.А., Тептерева Г.А. и др. Математическое описание особенностей адсорбционных характеристик лигносульфонатных систем по уравнению Шишковского // Промышленное производство и использование эластомеров. 2022. № 1. С. 35-39. Каримов Э.Х., Касьянова Л.З., Даминев Р.Р. и др. Катализаторы окисления в условиях дегидрирования метилбутенов // Нефтепереработка и нефтехимия. 2014. № 2. С. 22-24.
Александрова Г.Ю., Мовсум-заде Н.Ч., Махмутова Р.И., Чувашов Д.А. Этапы зарождения и становления квантово-химических расчетов // История и педагогика естествознания. 2011. № 1. С. 42-49.
Логинова М.Е., Тептерева Г.А., Мовсумзаде Э.М., Ахтямов Э.К. Физические аспекты сравнительных адсорбционных характеристик реагентных систем на основе лигносульфонатов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2022. № 1-2. С. 81-84. Тептерева Г.А., Мовсумзаде Э.М., Логинова М.Е. Применение уравнения Шишковского к расчету адсорбционных характеристик лигносульфонатных систем // Сб. тез. науч.-практ. конф. «Практические аспекты нефтепромысловой химии». Уфа, 2022. С. 118-119.
10.Логинова М.Е., Колчина Г.Ю., Мовсумзаде Э.М. Кинетика протекания мономолекулярной адсорбции реагентных систем // Известия вузов. Серия: Химия и химическая технология. 2023. Т. 66. № 4. С. 60-67.
11.Колчина Г.Ю., Мовсум-заде Н.Ч., Бахтина А.Ю., Мовсумзаде Э.М. Зарождение и хронология этапов развития квантовой химии // История и педагогика естествознания. 2015. № 4. С. 34-43.
12.Бахтизин Р.Н., Шемяков А.О., Керимов В.Ю. Курс «История специальности» как реализация гуманитаризации технического образования // История и педагогика естествознания. 2016. № 4. С. 9-16.
История и педагогика естествознания
\23
REFERENCES
1. Emanuel' N.M., Knorre D.G. Kurskhimicheskoykinetiki [Chemical kinetics course]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1984. 463 p.
2. Brodskiy A.I. Fizicheskaya khimiya. T. 1. Svoystva materii, khimicheskaya termodinamika [Physical chemistry. Vol. 1. Properties of matter, chemical thermodynamics]. Moscow, Leningrad, Goskhimizdat Publ., 1948. 490 p.
3. Brodskiy A.I. Fizicheskaya khimiya. T. 2. Rastvory, elektrokhimiya, khimicheskaya kinetika, fotokhimiya [Physical chemistry. Vol. 2. Solutions, electrochemistry, chemical kinetics, photochemistry]. Moscow, Leningrad, Goskhimizdat Publ., 1948. 513 p.
4. Loginova M.YE., Movsumzade E.M., Fattakhov M.M. Development of the theory of similarity for physical and chemical processes. Istoriya i pedagogikayestestvoznaniya, 2022, no. 4, pp. 39-42 (In Russian).
5. Loginova M.YE., Baulin O.A., Teptereva G.A. Mathematical description of the features of the adsorption characteristics of lignosulfonate systems according to the Shishkovsky equation. Promyshlennoye proizvodstvo i ispol'zovaniye elastomerov, 2022, no. 1, pp. 35-39 (In Russian).
6. Karimov E.KH., Kas'yanova L.Z., Daminev R.R. Oxidation catalysts under conditions of dehydrogenation of methylbutenes. Neftepererabotka i neftekhimiya, 2014, no. 2, pp. 22-24 (In Russian).
7. Aleksandrova G.YU., Mosvum-zade N.CH., Makhmutova R.I., Chuvashov D.A. Stages of the origin and development of quantum chemical calculations. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2011, no. 1, pp. 42-49 (In Russian).
8. Loginova M.YE., Teptereva G.A., Movsumzade E.M., Akhtyamov E.K. Physical aspects of comparative adsorption characteristics of reagent systems based on lignosulfonates. Transport i khraneniye nefteproduktovi uglevodorodnogo syr'ya, 2022, no. 1-2, pp. 81-84 (In Russian).
9. Teptereva G.A., Movsumzade E.M., Loginova M.YE. Primeneniye uravneniya Shishkovskogo k raschetu adsorbtsionnykh kharakteristik lignosul'fonat-nykh sistem [Application of the Shishkovsky equation to the calculation of adsorption characteristics of lignosulfonate systems]. Trudy nauch.-prakt. konf. «Prakticheskiye aspekty neftepromyslovoy khimii» [Proc. of scientific-practical conf. "Practical aspects of oilfield chemistry"]. Ufa, 2022, pp. 118-119.
10. Loginova M.YE., Kolchina G.YU., Movsumzade E.M. Kinetics of monomolecular adsorption of reagent systems. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy, 2023, vol. 66, no. 4, pp. 60-67 (In Russian).
11. Kolchina G.YU., Movsumzade N.CH., Bakhtina A.YU., Movsumzade E.M. The origin and chronology of the stages of development of quantum chemistry. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2015, no. 4, pp. 34-43 (In Russian).
12. Bakhtizin R.N., Shemyakov A.O., Kerimov V.YU. Course "History of the specialty" as the implementation of the humanitarization of technical education. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2016, no. 4, pp. 9-16 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович, д.х.н., профессор, советник ректора, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство).
Гусейнова Саадет Назимовна, к.т.н., н.с., Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Мовсум-заде Назрин Чингизовна, к.т.н., н.с., Институт информационных технологий НАН Азербайджана.
Бабкина Анна Андреевна, магистрант, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Логинова Марианна Евгеньевна, к.ф.-м.н., с.н.с., АО НПФ «Геофизика».
Eldar M. Movsumzade, Corresponding Member RAE, Dr. Sci. (Chem.), Prof., Adviser to the Rector, Ufa State Petroleum Technological University, Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art). Saadet N. Guseynova, Cand. Sci. (Tech.), Researcher, Ufa State Petroleum Technological University.
Nazrin CH. Movsum-zade, Cand. Sci. (Tech.), Researcher, Institute of information technology of NAS of Azerbaijan.
Anna A. Babkina, Undergraduate Student, Ufa State Petroleum Technical University.
Marianna E. Loginova, Cand. Sci. (Ph.-m.), Senior Researcher, JSC NPF Geophysics.
24
История и педагогика естествознания
1 •2024
