Свойства времени и химические процессы в природе

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ «ЭКОНОМИКИ И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА»

Кафедра «Экономики и экономической безопасности»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Концепции современного естествознания

Свойства времени и химические процессы в природе

Работу выполнил студент гр. ЭиП-164

Лушников C.В.

Челябинск 2007

Вопрос 1. Порядок и беспорядок в природе

Хаос, беспорядок, понятие окончательно оформившееся в древнегреческой философии - это трагический образ космического первоединства, начало и конец всего, вечная смерть всего живого и одновременно принцип и источник всякого развития, он неупорядочен, всемогущ и безлик. Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями, то вся система, подобно теннисному мячу, будет находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы динамики, такое движение называется движением центра масс. Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить себе, что частицы системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия системы может быть той же самой, что и в первом случае, но теперь отсутствует результирующее движение, поскольку направления и скорости движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит в отсутствии корреляции между движениями различных частиц; иными словами, их движения некогерентны (неупорядочены).

Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное, неупорядоченное движение называется тепловым движением. Очевидно, понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций в их движениях, мы по существу переходим от обычной динамики в новую область физики, которая называется термодинамикой. Итак, существует два вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно (“в ногу”), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически. Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление, в котором происходят физические процессы в природе. Под этим понимается рассеяние энергии в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией, и потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое начало термодинамики в принципе не отрицает возможности событий, казалось бы противоречащих здравому смыслу и повседневному опыту: например, мяч мог бы начать подскакивать за счет своего охлаждения, пружина могла бы самопроизвольно сжаться, а кусок железа мог бы самопроизвольно стать более горячим, чем окружающее пространство. Все эти явления не нарушили бы закона сохранения энергии. Однако в действительности ни одно из них не происходит, поскольку нужная для этого энергия, хотя и имеется в наличии, но недоступна. Если не принимать всерьез существующий в принципе, но чрезвычайно небольшой шанс, можно смело утверждать, что энергия никогда не может сама по себе локализоваться, собравшись в избытке в какой-либо небольшой части Вселенной. Однако, если бы даже произошло, еще менее вероятно, что подобная локализация была бы упорядоченной. Естественные процессы - это всегда процессы, сопровождающие рассеяние, диссипацию энергии. Отсюда становится ясным, почему горячий объект охлаждается до температуры окружающей среды, почему упорядоченное движение уступает место неупорядоченному и, в частности, почему механическое движение вследствие трения полностью переходит в тепловое. Столь же просто осознать, что любые проявления асимметрии, так или иначе сводятся к рассеянию энергии. Проявление любых диспропорций в организационной структуре объекта приводит к образованию асимметрии как по отношению к окружающей среде, так и для самой структуры в частности, это может привести к увеличению потенциальной энергии или, при большом скоплении этой энергии, к распаду системы, как противоречащей законам природы (общества). Организация создается из хаоса (общества) одним или несколькими возбужденными атомами (предпринимателями) и в хаос проваливается при ликвидации. Естественные, самопроизвольно происходящие процессы - это переход от порядка к хаосу. Поставим теперь следующий вопрос: сколькими способами можно произвести перестройку внутри системы, так чтобы внешний наблюдатель не заметил ее. Отметим, что в формулировке вопроса учтено то существенное, что характеризует переход от мира атомов к макроскопической системе, а именно “слепота” внешнего наблюдателя по отношению к “индивидуальностям” атомов, образующих систему. Термодинамика имеет дело только с усредненным поведением огромных совокупностей атомов, причем поведение каждого отдельного атома не играет роли. Если внешний наблюдатель, изучающий термодинамику, не заметил, что в системе произошло изменение, то состояние системы считается неизменным. Лишь “педантичный” наблюдатель, тщательно следящий за поведением каждого атома, будет знать, что изменение все-таки произошло. Сделаем теперь последний шаг на пути к полному определению хаоса. Предположим, что частицы вселенной не закреплены и могут, подобно состоянию возбуждения и энергии, свободно перемещаться с места на место; например, такое могло бы случиться, если бы Вселенная была газом. Предположим также, что мы создали начальное состояние вселенной, пустив струю газа в правый нижний угол сосуда. Интуитивно мы понимаем, что произойдет: облако частиц начнет самопроизвольно распространяться и через некоторое время заполнит весь сосуд. Такое поведение вселенной можно трактовать как установление хаоса. Газ -- это облако случайно движущихся частиц (само название “газ” происходит от того же корня, что и “хаос”). Частицы мчатся во всех направлениях, сталкиваясь и отталкиваясь друг от друга после каждого столкновения. Движения и столкновения приводят к быстрому рассеиванию облака, так что вскоре оно равномерно распределяется по всему доступному пространству. Теперь существует лишь ничтожно малый шанс, что все частицы газа когда-нибудь спонтанно и одновременно вновь соберутся в угол сосуда, создав первоначальную конфигурацию. Разумеется, их можно собрать в угол с помощью поршня, но это означает совершение работы, следовательно, процесс возврата частиц в исходное состояние не будет самопроизвольным.

Ясно, что наблюдаемые изменения объясняются склонностью энергии к рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния атомов по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и потому распространение атомов по сосуду приводит и к распространению энергии. В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.

Исходя из изложенного материала, можно выделить следующие принципы:

1. Все происходящие события, процессы, явления и т.д. носят случайный характер. В системе постоянно происходят необратимые явления.

2. Необратимые процессы являются источником порядка, что считается высоким уровнем организации материи, например, диссипативные структуры. Второе начало термодинамики - это не просто безостановочный переход систем к виду, лишённому какой-либо организации, т.е. энтропия - это характеристика порядка на различных уровнях эволюции.

3. Обратимость (если речь идет о больших промежутках времени) присуща всем замкнутым системам, а необратимость - возможно, всей остальной части Вселенной. При неравновесных условиях энтропия характеризует не деградацию, а установление нового порядка.

4. В окружающей действительности действуют и детерминизм (определенность), и случайность.

5. Случайность рассматривается как необходимость.

Пригожин и Стенгерс считают, что в точке бифуркации невозможно предсказать, в какое состояние перейдет система. Случайность подталкивает систему на новый путь развития под действием определенных сил. А после того, как путь определен (один из многих возможных), то вновь вступает в силу детерминизм (определенность), и так далее до следующей точки бифуркации. То есть случайность и необходимость выступают не как несовместимые противоположности, а как взаимно дополняющие друг друга положения.

Вопрос 2. (Кл. соед.). Напишите процессы диссоциации электролитов LiOH + HNO₃=. Определите рН и проводимость раствора образовавшегося электролита при концентрации основания 0.001 М и кислоты 1·10^-5 М (соотношение объёмов кислоты и основания принять равным 1 к 1)

Сольватные радиусы при этом принять следующие:

, (однозарядный положительный ион),

(двухзарядный положительный ион),

(трёхзарядный положительный ион),

(однозарядный отрицательный ион),

(двухзарядный отрицательный ион),

(трёхзарядный отрицательный ион).

Решение

Схема диссоциации электролита по 1-й ступени имеет следующий вид:

^{гидроксид ион лития гидроко-группа}

При константе диссоциации 1 ст. равновесная концентрация ионов будет равна

,

где - равновесная концентрация электролита после 1 ст.; - равновесные концентрации ионов после 1 ст.

Равновесные концентрации ионов после преобразования данного уравнения

будут равны:

И после подстановки величин, концентрации ионов будет

.

Тогда концентрация ионов водорода составит

,

pH=-lg[(H⁺)_1ст]=-lg[5,00·10^-13])=12,3 > 7,

что указывает на основность среды.

Проводимость электролита LiOH по первой ступени будет равна

Диссоциация кислоты по 1 ступени

_{азотная нитрат-ион ион} ^{кислота водорода}

При константе диссоциации 1 ст. равновесная концентрация ионов будет равна

,

где - равновесная концентрация электролита после 1 ст.; - равновесные концентрации ионов после 1 ст.

Равновесные концентрации ионов после преобразования данного уравнения,

будут равны:

И после подстановки величин, концентрации ионов составят

.

Тогда pH среды будет равна

pH=-lg[(H⁺)_1ст]=-lg[3,00·10^-3]=2,52 < 7, что указывает на кислотность среды.

Проводимость электролита HNO₃ по первой ступени будет равна

Суммарная проводимость электролита будет равна проводимости электролита по первой ступени

При взаимодействии данных электролитов при заданных концентрациях;

([LiOH]=1·10^-3 и [HNO₃]=1·10^-5 и при соотношении объёмов V_осн =1 к V_кис = 1)

суммарная величина рН будет равна:

если [H⁺]_{суммарная} < [OH-]_{суммарная},

то

,

а если [H⁺]_{суммарная} > [OH-]_{суммарная}, то наоборот

Так как суммарная концентрация гидроксид-ионов

[OH^-]_{суммарная}=5,00•10^-13

Меньше суммарной концентрации водородных ионов [H⁺]_{суммарная}=3,00•10^-3,

То есть [H⁺]_{суммарная}=3,00•10^-3>[OH^-]_{суммарная}=5,00•10^-13

что указывает на наличие избытка ионов [Н⁺] - среда кислая,

В этом случае возможно образование кислой соли:

LiNO₃образовавшейся по схеме - .

Константа равновесия продукта (образованной соли) равна

Суммарная проводимость данного раствора (с учётом образования соли) будет равна:

Вопрос 3. Пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева, составьте электронную формулу атома металла, распределите валентные электроны по атомным орбиталям и определите ковалентность атома МЕДИ и ХЛОРА в нормальном и во всех возможно возбуждённых состояниях

Медь: ₂₉Cu - 3d¹⁰4s¹ (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁹)

Возбужденного состояния нет, провал электрона

K=1

Вопрос 4. Требуется разработать пульт информации с заданными характеристиками: пульт управления - красного цвета (фон); «транспарант-табло» - светло серого цвета (табло); надпись на «транспаранте» - синего цвета; угол восприятия - 45^о; Минимальное воспринимаемое расстояние r=65 м; площадь надписи на «транспаранте-табло» равна 1,59 м²; площадь серого фона - 7,5 м², площадь «транспаранта - табло» равно 2,8 м².

Необходимо знать, будут ли обеспечены достаточные или необходимые условия для приёма информации оператором в условиях освещённости облачного неба?

Условия «нормальной» работы - наилучшая (хорошая) видность светло серого «транспаранта-табло» на красном фоне:

1. При К_обр - обратной контрастности, когда фон красный - тёмный; предмет - «транспарант-табло» - светло серый - светлый - белый по чёрному, так как коэффициент отражения красного фона меньше коэффициента отражения светло-серого транспаранта-табло

2. При К_прям - прямой контрастности, когда фон светло серый - светлый: предмет - надпись на транспаранте - табло синего цвета - темный - чёрный по белому, так как коэффициент отражения фона больше коэффициента отражения предмета.

1. Фон, на котором расположено информационное табло красный. Предмет на красном фоне -- табло светло серого цвета - обратный контраст.

Тогда яркость излучения светло серого «транспаранта - табло» за счёт внешней заставки красного фона - В_{излуч (светло серого табло)} (с учётом коэффициента отражения) будет равна:

,

где - освещённость;

- сила света.

В общем виде яркость излучения светло серого «транспаранта-табло» будет равна

А яркость отражения красного фона в облачном небе В_{отражен. красного фона )} (с учётом коэффициента отражения см. табл.1) будет равна:

,

где - освещённость;

- сила света.

В общем виде яркость отражения красного фона пульта управления будет равна

Величина обратной контрастности в этом случае будет равна

К_обр > 0,6 , но < 0,9 что соответствует достаточному, но не соответствует необходимому условию приема информации, то есть светло-серое табло не будет видно на красном фоне. В общем случае яркость предмета В_{пред (транспорант-табло)} («транспарант-табло» светло серого цвета) определяется двумя составляющими:

1. Яркостью излучения светло серого «транспаранта - табло» за счёт внешней заставки красного фона в облачном небе - ;

2. Яркостью отражения в облачном небе красного фона пульта управления - .

А обратный пороговый контраст - наименьший контраст, когда начинается различаться предмет, будет равен

,

где b_обр - пороговая обратная яркость:

2. Фон, на котором расположено информационная надпись синего цвета - светло серый. Предмет на светло сером фоне- надпись синего цвета - прямой контраст

Тогда яркость излучения надписи синего цвета за счёт внешней заставки светло серого фона В_{излуч(синей надписи)} (с учётом коэффициента отражения) будет равна:

,

где - освещённость;

- сила света.

В общем виде яркость излучения надписи синего цвета на «транспаранте-табло» будет равна

А яркость отражения светло серого фона «транспаранта-табло» в облачном небе В_{отражен. светло серого фона} (с учётом коэффициента отражения) будет равна:

,

Величина прямой контрастности в этом случае будет равна

К_пр>0,6, но <0,9 что соответствует достаточному, но не соответствует необходимому условию приема информации, то есть надпись синего цвета не будет видно на светло-сером фоне

В общем случае яркость предмета В_{пред (синяя надпись)} (надписи синего цвета) определяется двумя составляющими:

1. Яркостью излучения синей надписи за счёт «транспаранта-табло» светло-серого цвета в условиях освещенности луны - ;

2. Яркостью отражения в облачном небе светло серого фона пульта управления - .

А прямой пороговый контраст - наименьший контраст, когда начинается различаться предмет, будет равен

,

где b_обр - пороговая обратная яркость:

Вопрос 5. (Ядерные процессы). Образец из саркофага египетской мумии имеет удельную активность по , равную 8,4 мин^-1•г. Каков возраст этого саркофага?

Решение:

По закону радиоактивного распада:

,

где - количество нераспавшихся ядер к моменту времени t; N₀ - начальное число ядер; Т - период полураспада углерода (5730 лет).

С течением времени скорость распада изменяется, и тогда возраст саркофага египетской мумии равен:

или ,

где - начальная удельная активность углерода (равна 14мин^-1•г); А_t - удельная активность углерода в момент времени t (8,4 мин^-1•г).

Таким образом, считаем возраст саркофага:

Задача 6. Арсин AsH₃ нестойкое соединение и при нагревании легко разлагается на водород и свободный мышьяк, который проявляется как черный блестящий налет. Это свойство арсина применяется при обнаружении мышьяка в различных веществах. Если мышьяк или его соединения находятся в кислой среде (например, в вине, в подкисленном салате и так далее, где рН>7), то при добавлении в вещество восстановителя возможно получить арсин. Применяя законы термодинамики, оцените возможность обнаружения мышьяка или его соединений в медном кувшине покрытым кадмием с подкисленной водой?

Протекание процесса окисления без стехиометрических коэффициентов можно представить следующей схемой

As₂O₃ + Me + H⁺ AsH₃^ + Meⁿ⁺ + H₂O

Определите, если такое возможно, сколько времени понадобится для оценки (обнаружения) наличия яда в веществе и в каком температурном интервале могут протекать данные процессы?

Исходные справочные данные

Решение

Сначала необходимо определить, какое из веществ - Cu или Ti - будет окисляться

значит в реакции обнаружения мышьяка будет участвовать Ti. Что же тогда необходимо сделать?

1. Проверить возможность процесса разрушения титановой оболочки, протекающего по схеме:

Титан является восстановителем (степень окисления изменяется от 0 до +4). Арсин является окислителем (степень окисления изменяется от +3 до -3). Таким образом, очевидно, что в данном случае этот процесс является окислительно-восстановительным.

Процесс окисления ,

Процесс восстановления ,

Суммарный процесс, с учётом равенства коэффициентов будет выглядеть так:

,

а константа равновесия для суммарного процесса равна

,

где [AsH₃] - равновесная концентрация арсина; [Ti⁴⁺] - равновесная концентрация ионов титана; [As₂O₃] - равновесная концентрация оксида мышьяка; [H₂O] - концентрация воды (const); [Ti]^- - равновесная концентрация титана;. [H⁺] - равновесная концентрация ионов водорода.

Окислителем, в данном случае, может быть и ион водорода [H⁺], так как рН=6,15 среды (по условию задачи) меньше 7. Процесс восстановления в данном случае описывается схемой

;

Но, так как < , то более вероятным окислителем является кислород, растворённый в водном растворе вина.

Если -

потенциал катодного процесса, а

потенциал анодного процесса, тогда условие равновесия будет выглядеть следующим образом

= .

После преобразования данного соотношения можно записать

или,

Константа равновесия равна

При подстановке в выражения энергии Гиббса

можно предположить, что протекание процесса разрушения титана вероятно, так как K_p >1.

2. Для нахождения температурного интервала протекание процесса диффузии и кинетики по исходным данным необходимо построить графическую зависимость lgk^* от 1/Т.

Схема процесса разрушения (окисления) титана выглядит следующим образом

.

При построении графической зависимости lgk^* от 1/Т производятся следующие расчёты. По исходным данным энергии активации и температуре определяются углы для построения прямой кинетической области и ₂ - для диффузионной

,

или -tg=tg(180-)= 6,338·10³, тогда угол (180-) = 81,04^о, =98,96^о.

,

или -tg₂=tg(180-₂)=0,986·10³,

тогда угол (180-₂) = 44,61^о, ₂=135,39^о

По графической зависимости (рис.2) возможно определить температурные интервалы кинетической области, который начинается с температуры 279,3 К и ниже (рис. кривая 1), а температурный интервал диффузионной области начинается с температуры 282,5 К и выше (кривая 2).

Рис. 1. Зависимость lgk* от 1/T для гетерогенного процесса разрушения

Температурный коэффициент кинетической области равен

При этом k_к^* - эффективная константа скорости гетерогенного процесса кинетической области равна - (lgk_к^*=0,1 по графику зависимость lgk_к* от 1/T), а k_к^*= 1,26 см/с.

Скорость кинетического процесса начиная с температуры 279,3К (температурная граница протекания процесса взаимодействия - кинетическая область) будет равна:

для процесса

V_к= k_к^*·[О₂][H₂O]² = 1,26·[0,21][55,56]²•10^-3=0,817.

Так как толщина окантовки из титана составляла 30 мкм (310^-5 см), то данная оболочка разрушится за секунд (то есть практически мгновенно).

Температурный коэффициент диффузионной области равен

При этом k_д^* - эффективная константа скорости диффузии равна - (lgk_д^*=0,43 по графику зависимость lgk_д* от 1/T), k_д^*= 2,69 см/с, а скорость процесса в диффузионной области, начиная с температуры 282,5 К и выше равна:

Для процесса доставки окислителя - кислорода воздуха, растворённого в воде в зону взаимодействия

V_д= 2,69·[55,56]²•[0,21]•10^-3 =1,76

При подстановке в выражения определения энергии Гиббса (при температуре Т=279,3 К (граница начала кинетической области)

Данные расчётов показали, что процесс разрушения титана на бокале с вином, где находится ядовитое вещество мышьяк при температуре 279,3 К и ниже, вероятен.

Общий вывод. Процесс разрушения титана на бокале вероятен при температуре 279,3 и ниже. Процесс может немного быть заторможен из-за образования оксидной плёнки.

Вопрос 7. Ракета движется относительно наблюдателя на земле со скоростью х=0.95?c, где с=3 10⁸ м/с - скорость света в вакууме. За какое время пройдёт событие относительно наблюдателя на земле, если событие в ракете прошло за время равное двум годам и четырем годам? Как изменятся линейные размеры тел в ракете (по направлению её движения) по отношению наблюдателя на земле?

Решение

Дельта t₀ - время в ракете; дельта t - время события относительно наблюдателя на земле.

I. Определение времени:

1. Два года

2. Четыре года

II. Определение линейных размеров тел:

где L₀ - истинный размер тела, а L - размер тела в ракете, и он будет равен

Ответ: 6,41 лет; 12,82 лет; 0,31225L₀

Вывод: в ракете, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, время события увеличивается, а линейные размеры тел уменьшаются.