Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 25 )

Идеальный объект – воображаемый объект, полностью лишенный затемняющих и искажающих факторов (например, идеальный реактор). Идеальный объект вторичен по отношению к идее; он возникает в результате наделения того, что выражает идея, воображаемым существованием. Введение такого рода фиктивных, несуществующих и неосуществимых в действительности объектов в качестве предмета научного исследования оправдывается тем, что, являясь предельными случаями определенных реальных объектов, они служат основой для построения теорий, которые в конечном счете оказываются способны описать закономерности реальной действительности.

Свойство объекта - то, в чем рассматриваемый объект сходен с другими сравниваемыми объектами или отличен от них.

Состояние — понятие, обозначающее множество устойчивых значений переменных свойств объекта.

Процесс - это последовательная смена состояний объекта во времени

4.2. Системные представления химической реакции

Химическая реакция – объект, постоянно рассматриваемый в настоящей книге, характеризуется семейством понятий, определений, формулировок как содержательных - что есть что, так и формальных - каковы связи, соотношения между ее частями, элементами. Цель этого раздела – дать определения и основные понятия о химической реакции как системе в объеме, необходимом для понимания дальнейшего материала. При изложении будем опираться на следующие общеизвестные определения основных понятий, связанных с химической реакцией, имеющиеся в практически любом учебнике химии [9, 10 и т. д.]:

химическая система - совокупность микро и макроколичеств индивидуальных веществ или смесей веществ, отделенная от окружающей среды реальной или воображаемой поверхностью раздела, способная под воздействием внешних факторов (условий) к химическим превращениям с образованием новых химических веществ;

химические превращения – такие превращения, при которых происходят изменения только во внешних электронных слоях атомов веществ, участвующих в химической реакции, не затрагивающие их внутренние электронные слои и ядра;

состояние химической системы - совокупность (множество) значений некоторых характеристик (свойств) химической системы в данный момент времени;

химическая реакция (тождественно химическому процессу) - последовательная смена состояний химической системы во времени.

При химическом взаимодействии рвутся одни химические связи, разрушаются одни частицы и образуются другие химические связи, возникают другие частицы, но общее число атомов химических элементов и до, и после реакции остается одним и тем же. Принцип неизменности баланса атомов для веществ, участвующих в реакции – один из основных принципов для химической системы.

Приведенное определение химической реакции носит категорийный характер, т. е. оно устанавливает существенные признаки, выделяющие понятие "химическая реакция" среди других понятий (например, ядерная реакция).

Для осуществления химической реакции необходимо сближение взаимодействующих частиц на расстояние, сопоставимое с длиной химической связи и преодоление существующего между ними энергетического барьера.

Именно химическое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства химической системы. Система, включающая химические вещества при отсутствии между ними химического взаимодействия, в дальнейшем не относится к классу химических систем.

Каждая химическая система имеет границы, реальные или условные, отделяющие её от окружающей среды.

Химическая система как объект характеризуется своими свойствами и состоянием. Состояние химической системы определяется набором свойств, называемых параметрами состояния химической системы. В дальнейшем для описания состояния химических систем будем использовать только макроскопические параметры, характеризующие не свойства частиц, входящих в химическую систему, а свойства самой системы: ее химический состав, массу, температуру, давление и т. д. Параметры состояния химической системы характеризуют ее переменные свойства.

Различают экзогенные и эндогенные переменные. Экзогенные переменные – переменные, значения которых задаются вне системы. Экзогенные переменные являются независимыми величинами, а их изменение называется автономным изменением. Эндогенные переменные — переменные, значение которых формируется внутри системы, это зависимые переменные.

В химической реакции (химическом процессе) участвуют исходные реагенты, промежуточные и конечные продукты.

Взаимные связи между исходными реагентами и конечными продуктами химической реакции представляются стехиометрическими уравнениями.

Общий вид стехиометрического уравнения химической реакции можно записать:

где A, B, …- исходные вещества;

R, S…- продукты реакции;

Представление химической реакции с использованием стехиометрических уравнений – это представление ее статики. Стехиометрические уравнения показывают, в каких соотношениях реагенты вступают во взаимодействие. Стехиометрическому уравнению подчиняются приращения количеств реагентов и продуктов, и на его основе определяется материальный баланс веществ при химических превращениях. Использование стехиометрических уравнений является основным способом описания химических реакций в классической химии. Однако стехиометрическое уравнение не описывает механизма реакции.

Химическая реакция реализуется через однотипные акты химического взаимодействия – элементарные реакции. Каждый элементарный акт происходит при столкновении определенных реагирующих частиц друг с другом и завершается перегруппировкой частиц одних веществ в другие. Элементарные реакции – химические реакции, происходящие путем прямого перехода реагирующих частиц в продукты реакции.

Каждой элементарной реакции химического превращения можно сопоставить другую элементарную реакцию с теми же реактантами, но противоположную по направлению – далее обратная элементарные реакции. Совокупность прямой и обратной элементарных реакций в дальнейшем называется стадией.

Химическая реакция, включающая только одну стадию, называется простой реакцией. Химическая реакция, содержащая две или более стадий, в которых конечные продукты получаются из исходных через промежуточные вещества, называется сложной реакцией.

При описании химических реакций используются понятия схемы и механизма реакций.

Схема реакции - условная запись, предоставляющая в виде стехиометрических уравнений только исходные и конечные продукты химической реакции.

Механизм химической реакции - детальное описание реакции с учетом промежуточных стадий и веществ в виде совокупности стадий, в результате которых исходные вещества превращаются в конечные продукты.

В дальнейшем основополагающим принципом, используемом при описании химических реакций, является допущение их детерминированности. Выполнение принципа детерминированности предполагает, что химическая реакция в определенных условиях всегда происходит единственным точно определенным образом, т. е. механизм химической реакции в данных условиях всегда единственен. Выполнение принципа детерминированности позволяет описывать химические реакции точными математическими соотношениями, без применения аппарата теории вероятности. Химические реакции на уровне идей и методов квантовой и статистической механики, на уровне ее элементарных актов, приводящих к стохастическим моделям, в этой книге рассматриваться не будут. Ни в коей мере, не отрицая эти современные подходы к химическим реакциям, мы считаем, что современный уровень наших знаний вряд ли сегодня может позволить их использовать в практической деятельности в области термической безопасности, хотя такие попытки и существуют [11].

Многостадийная химическая реакция представляется совокупностью стехиометрических уравнений стадий. Совокупность стехиометрических уравнений, однозначно и полно описывающих многостадийную химическую реакцию, образуют базисную систему стехиометрических уравнений. Базисная система стехиометрических уравнений для однозначного описания многостадийной реакции 1) должна включать все участвующие в химическом превращении исходные и конечные вещества и 2) не должна включать ни одного уравнения, которое может быть получено линейными преобразованиями других.

Обычно задача стехиометрического анализа химической реакции включает в себя:

Проверку заданной системы стехиометрических уравнений на линейную независимость. Среди уравнений в системе стехиометрических уравнений могут иметься такие, которые представляют собой комбинацию двух или более реакций (составляются из уравнений этих реакций). Такие уравнения не дают дополнительной информации о реакционной системе по сравнению с теми уравнениями, которые их образуют. Поэтому после проверки системы стехиометрических уравнений на линейную независимость и из нее должны быть исключены линейно зависимые уравнения. Определение ключевых веществ для заданной системы стехиометрических уравнений. Текущий состав реакционной системы при наличии системы стехиометрических уравнений может быть однозначно охарактеризован заданием начальных количеств всех компонентов реакции и текущих количеств только для ключевых веществ. Концентрации всех веществ линейно выражаются через концентрации только ключевых веществ [13].

Учитывая, что стехиометрический анализ химических реакций - предмет многих монографий и учебников по химической кинетике [9, 10, 13], в настоящей книге ограничимся только краткими сведениями по этому вопросу, приведенными выше.

Основным принципом для представления сложных реакций в виде совокупности простых стадий является принцип независимости протекания простых реакций [9,10]. Согласно этому принципу, скорости простых реакций, протекающих совместно в данной точке пространства, не зависят друг от друга. В дальнейшем мы не будем рассматривать химические реакции, в которых принцип независимости протекания простых реакций не выполняется (например, очень быстрые реакции, в которых нарушается распределение молекул по энергиям Максвелла – Больцмана [14]).

Множество существенных переменных свойств химической реакции в определенный момент времени в определенной точке пространства образуют множество состояний химической реакции. Задать состояние химической реакции – значит определить совокупность данных, достаточных для однозначного представления внутреннего состояния химической реакции. Внутреннее состояние химической реакции - это ее мгновенная "фотография", временной "срез" в данной точке пространства. Химический процесс – это последовательная смена внутренних состояний химической реакции.