Обучающие программы и исследовательские работы учащихся
Помогаем учителям и учащимся в обучении, создании и грамотном оформлении исследовательской работы и проекта.

Наш баннер

Мы будем благодарны, если Вы установите наш баннер!
Баннер сайта Обучонок
Код баннера:
<a href="https://obuchonok.ru/" target="_blank"> <img src="https://obuchonok.ru/banners/banob2.gif" width="88" height="31" alt="Обучонок. Исследовательские работы и проекты учащихся"></a>
Все баннера...

Тематика: 
Физика
Автор работы: 
Недайводин Никита Николаевич
Руководитель проекта: 
Семенова Елена Александровна
Учреждение: 
ГБПОУ РО "МТАТиУ (ДСХТ)",г. Миллерово
Класс: 
11

В исследовательском проекте по физике на тему "Семенов - физик, химик-лауреат, двигатель прогресса" учащийся изучает биографию и научные достижения Н.Н. Семенова. Популярность данной темы состоит в том, что Николай Семенов единственный советский лауреат Нобелевской премии по химии, и это при том, что он был физиком.

Подробнее о работе:


В данной исследовательской работе по физике на тему "Семенов - физик, химик-лауреат, двигатель прогресса" студент 1 курса выполняет поиск информации о личности физикохимика Семенова, выясняет, с чего все началось, какие были первые работы Семенова и в чем заключался его прорыв в области химии, перечисляет заслуженные награды выдающегося ученого.

Автор в своем индивидуальном исследовательском проекте по физике об открытиях Н.Н. Семенова рассматривает деятельность Семенова в физике, изучает особенности исследования Николая Николаевича в химии, изучает механизм химических реакций и проводит несколько опытов, для изучения химических реакций, открытых Семеновым.   

Оглавление

Введение
1. Семенов – физикохимик.
1.1. С чего всё началось?
1.2. Первые работы.
1.3. Химический прорыв.
1.4. Академия.
1.5. Химия любви.
1.6. Заслуженные награды.
2. Механизм химических реакций.
2.1. Представление химических реакций.
2.2. Опыт № 1.
2.3. Опыт № 2.
Заключение
Список использованных источников
Приложение

Введение


Семенов Николай Николаевич – русский и советский физикохимик и педагог, один из основоположников химической физики. Внёс существенный вклад в развитие химической кинетики.

Актуальность данного проекта заключается в том, что в этом году все мы обозреваем круглую дату – 125-летие Н.Н. Семенова. Тема этого проекта имеет очень большое значение, потому что Николай Николаевич является великим физикохимиком, а почему он является таковым известно далеко немногим. Имя Семенова часто упоминается в диссертациях и СМИ, а если тема в СМИ, то она автоматически актуальна. Данная тема затрагивает интересы, как химиков, так и физиков, до сих пор будоража их умы.

Проект цепляет масштабную тему, ведь открытия Н.Н. Семенова обогнали своё время и актуальны в настоящее время. Популярность данной темы состоит в том, что Николай Семенов единственный советский лауреат Нобелевской премии по химии, а при этом он являлся физиком. Поэтому эта тема актуальна. В памяти сотрудников Николай Николаевич остался как очень яркая и незабываемая личность.

Такой же яркой и захватывающей была его биография. Говорят, что можно оставить свой след в истории, а можно наследить, Семенов же вписал своё имя в историю, и память о нём не угаснет никогда. Прежде всего, эта тема важна для меня, так как мне, действительно, хочется узнать о деятельности Николая Семенова в физике и химии, и наконец, за что же ему вручили Нобелевскую премию.

Проблема проекта: выяснение и анализ причин того, как же Семенов Н.Н., являясь физиком, смог удостоиться Нобелевской премии по химии.

Цель данного проекта: изучить деятельность Н.Н. Семенова в области физики и химии, а также её влияние, в целом, на прогресс науки.

Задачи исследования:
а) рассмотреть деятельность Семенова в физике;
б) изучить особенности исследования Николая Николаевича в химии;
в) изучить механизм химических реакций;
г) провести несколько опытов, для изучения химических реакций.   

Объектом исследования данного проекта является деятельность Н.Н. Семенова в физике и химии, а предметом исследования – информация и данные о ней.

В основе данного проекта лежат теоритические методы исследования, а это: поиск и изучение литературы, изучение материалов СМИ, но также присутствуют и эмпирические – наблюдения, сравнения, анализ и опыты.

Во многих проектах, всего лишь, используется биография Семенова Н.Н. Новизна же моего проекта заключается в том, что, помимо рассмотрения блестящей карьеры Николая Николаевича, я ещё и рассматриваю механизм химических реакций – этот механизм и принёс Нобелевскую нашему соотечественнику.

Как и во всех проектах такого масштаба, в нём должна присутствовать какая-то своя изюминка, как правило, этакая изюминка раскрывается в практической части исследования. Практическая цель данного исследования заключается в изучении механизма химических реакций и проведении опыта для прослеживания простейших химических реакций.

Гипотеза: я предполагаю, что деятельность Николая Николаевича Семенова совершила прорыв и ускорила прогресс в области науки.

Семенов – физикохимик


С чего всё началось?

С чего же началась история великого учёного Николая Николаевича Семенова? Об этом мы и поговорим в данном пункте. А началось всё вот с чего…

Будущий учёный появился на свет в российском городе Саратове в апреле 1896 года. Николай окончил Саратовское реальное училище в 1913 году, а его имя было внесено на золотую доску. Во время обучения парень познакомился с Владимиром Кармиловым – своим учителем и другом. Именно он поддержал рвение Семенова посвятить жизнь науке.

Свою дружбу они пронесли через года. Летом 1913 года Семенов Николай поступает в Петроградский университет на физико-математический факультет. Николай Александрович Семенов, отец учёного, был военным и думал, что сын тоже посвятит себя этой карьере. Когда же он поступил в университет, в семье случился раскол, который длился несколько лет. Начиная со второго курса обучения, молодой человек стал заниматься серьезными исследованиями под руководством А. Иоффе. В 1917 году он окончил университет и получил диплом первой степени. Семенов Николай Николаевич остается в учебном заведении, войдя в профессорский стипендиат.

Биография Семенова Николая Николаевича совершает новый виток, когда он в 1918 году едет в Самару, чтобы навестить родителей. Приехав туда, он застает мятеж Чехословацкого корпуса. Летом 1918 года власть в Самаре захватывают эсеры. Через некоторое время Николай вызывается стать добровольным солдатом белогвардейской армии. Там он отслужил всего три недели коноводом артиллерийской батареи. Такой короткий срок службы объясняется тем, что вскоре пришло известие о том, что отец серьезно заболел. Молодой человек получил отпуск, но отец вскоре умер.

После этого Николай решил вернуться к месту боевых действий, но дезертировал и отправился в Томск, который был ближайшим университетским городком. Примерно два года своей жизни учёный провёл здесь, работая в университете и Технологическом институте. Однако через время ученого мобилизовали в Колчаковскую армию.

Он попал в артиллерийский дивизион, но вскоре был переведён в радиобатальон благодаря упорству своих коллег. После этого он смог продолжить свои исследования в Технологическом институте. Зимой 1919 года город захватила Красная Армия. Это привело к тому, что Семенова уволили, после чего он продолжил заниматься научно-преподавательской работой, а затем, уже хлопотами Иоффе, только что ставшего академиком, переехал на работу в Петроград.

Этот «белогвардейский» эпизод был хорошо известен «органам», а самого Николая Николаевича многие годы держал в напряжении, особенно в годы сталинских репрессий. Известно, например, что в 1937 году в Ленинграде было сфабриковано дело о «фашистско-террористической организации». В нее вместе с известными физиками, в числе которых были знаменитые Виктор Амазаспович Амбарцумян, Лев Давидович Ландау, Владимир Александрович Фок и Яков Ильич Френкель, должны были войти также математик Николай Иванович Мусхелишвили и физикохимик Семёнов. Большинство «заговорщиков» было арестовано. Почему уцелели Френкель, Семёнов, Амбарцумян и Мусхелишвили — неясно. Возможно, «органы» уже выполнили свой «план».

В Петрограде 24-летний Семёнов был назначен заведующим лабораторией электронных явлений физико-технического отдела Рентгенологического и радиологического института (с 1921 года — знаменитый Ленинградский Физтех, основателем и первым директором которого стал Иоффе).

В 1921 году Семёнов вместе со своим однокурсником Петром Капицей заказали знаменитому художнику Кустодиеву свой портрет. Капица сказал Кустодиеву: «Вот Вы всё пишете портреты знаменитых людей. А почему бы Вам не нарисовать нас, будущих знаменитостей?» Борис Михайлович в ответ поинтересовался, не собираются молодые люди стать нобелевскими лауреатами, на что мгновенно получил безапелляционный положительный ответ.

Художник согласился принять заказ, отложив незаконченный портрет Шаляпина. На полотне Капица держит курительную трубку, а Семёнов — рентгеновскую. В тот год Капица налаживал одному мельнику его водяную мельницу, за что получил два мешка муки и петуха. В то голодное время это была царская плата! Один из этих мешков с петухом в придачу и был преподнесен Кустодиеву в качестве гонорара.

Проблема ионизации газов была, по-видимому, первой научной проблемой, которая заинтересовала Семенова. Еще, будучи студентом университета, он опубликовал свою первую статью, в которой говорилось о столкновениях между электронами и молекулами. По возвращении из Томска Семёнов занялся более глубокими исследованиями потенциала ионизации металлов и паров солей.

Результаты этих и других исследований собраны в книге «Химия электрона», которую он написал в 1927 г. в соавторстве с двумя своими студентами. Семёнов интересовался также молекулярными аспектами явлений адсорбции и конденсации паров на твердой поверхности. Проведенные им исследования вскрыли взаимосвязь между плотностью пара и температурой поверхности конденсации. В 1925 г. вместе с известным физиком-теоретиком Яковом Френкелем он разработал всеобъемлющую теорию этих явлений.

Другая сфера интересов Семенова в то время относилась к изучению электрических полей и явлений, связанных с прохождением электрического тока через газы и твердые вещества. Ученый, в частности, исследовал прохождение электрического тока через газы, а также механизм пробоя твердых диэлектриков (электрически инертных веществ) под действием электрического тока.

На основании этого последнего исследования Семёнов и Владимир Фок, прославившийся своими работами в области квантовой физики, разработали теорию теплового пробоя диэлектриков. Это в свою очередь подтолкнуло Семенова к проведению работы, которая привела к его первому важному вкладу в науку о горении – созданию теории теплового взрыва и горения газовых смесей.

Согласно этой теории, тепло, выделяющееся в процессе химической реакции, при определенных условиях не успевает отводиться из зоны реакции и вызывает повышение температуры реагирующих веществ, ускоряя реакцию и приводя к выделению еще большего количества тепла. Если нарастание количества тепла идет достаточно быстро, то реакция может завершиться взрывом.

Здесь пришло время сделать отступление от знаменитой истории и более подробно остановиться на первых работах Семенова и узнать их суть, ведь именно с них начинается его становление, как учёного.

Первые работы Семенова


Первые работы, несомненно, являются важным этапом в жизни учёного, поэтому рассмотрим их более подробно.

Столкновение медленных электронов с молекулами 1916 г. (отрывок из работы):

«Зависимость молизации от давления не позволяет с уверенностью сказать, что газы, которые не обнаруживают абсорбации электрона при нормальных условиях, не обнаружат её и при больших давлениях и в частности в жиженном и твёрдом состоянии. Однако, относительно твёрдых и жидких металлов нам известно отсутствие абсорбации электрона; а так как у благородных газов сродство к электрону не больше, чем у металлов, то можно ожидать и для них того же эффекта. Итак, жидкий или твёрдый гелий или аргон должны были бы обладать тем свойством, что, не проводя электричества под влиянием приложенной электрической силы, они должны были бы совершенно свободно пропускать сквозь себя пучёк катодных лучей». Этим многое сказано.

Механизм пробоя диэлектриков 1920 г.:

Электрический пробой — явление резкого возрастания тока в твёрдом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) или воздухе, возникающее при приложении напряжения выше критического (напряжение пробоя). Пробой может происходить в течение очень короткого времени (до 10-8 с) или установиться на длительное время (например, дуговой разряд в газах). В твёрдых телах различают три механизма пробоя:

Внутренний пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом лавинообразно создаются свободные носители заряда (увеличивается концентрация электронов), которые вносят основной вклад в общий ток. У полупроводников и диэлектриков существует разновидность частичного пробоя.

Тепловой пробой, возникающий при разогреве кристаллической решётки диэлектрика или полупроводника. При увеличении температуры свободным электронам легче ионизировать атомы решётки, поэтому пробивное напряжение уменьшается. Разогрев может происходить как в результате теплопередачи извне, так и вследствие протекания переменного тока внутри диэлектрика.

Разрядный пробой, связанный с ионизацией адсорбированных газов в пористых материалах, таких как слюда или пористая керамика. Находящиеся в порах газы ионизируются раньше, чем пробивается твёрдое вещество, возникающие при этом газовые разряды разрушают поверхность пор.

Пробой бывает и полезным, и вредным. К примеру, пробой изолятора на линии высокого напряжения является серьёзной аварийной ситуацией, а отсутствие пробоя на свече зажигания в двигателе внутреннего сгорания не позволяет запустить двигатель.

Теория теплового воспламенения 1928 г.:

Знание процессов теплового воспламенения твёрдых топлив, порохов и взрывчатых веществ имеет очень большое значение для безопасного изготовления, хранения и применения изделий, содержащих указанные вещества. В процессе снаряжения изделий могут возникать неоднородности сплошной структуры, приводящие в некоторых случаях к преждевременному тепловому воспламенению (тепловому взрыву).

Теория горения 1930 г.:

Химические реакции горения, как правило, идут по разветвлённо-цепному механизму с прогрессивным самоускорением за счёт выделяющегося в реакции тепла. Особенности горения, отличающие его от других физико-химических процессов с участием окислительно-восстановительных реакций — это большой тепловой эффект реакции и большая энергия активации, приводящая к сильной зависимости скорости реакции от температуры. Вследствие этого горючая смесь, способная храниться при комнатной температуре неограниченно долго, может воспламениться или взорваться при достижении критической температуры воспламенения (самовоспламенение) или при инициировании внешним источником энергии (вынужденное воспламенение, или зажигание).

Процесс детонации – это режим горения, при котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной. Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического нормального разрыва.

Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации. Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду, как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость медленного горения, которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает нескольких метров в секунду.

Многие вещества способны как к медленному (дефлаграционноному) горению, так и к детонации. В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.

Химический прорыв

Теперь мы можем продолжить обозревать великую историю, и, наконец, сможем рассмотреть, за что же Николай Николаевич стал лауреатом Нобелевской премии по химии.

А к этому времени Семёнов вел глубокие исследования цепных реакций. Они представляют собой серию самоинициируемых стадий в химической реакции, которая, однажды начавшись, продолжается до тех пор, пока не будет пройдена последняя стадия. Несмотря на то, что немецкий химик Макс Боденштейн впервые предположил возможность таких реакций еще в 1913 г., теории, объясняющей стадии цепной реакции и показывающей ее скорость, не существовало.

Ключом же к цепной реакции служит начальная стадия образования свободного радикала – атома или группы атомов, обладающих свободным (неспаренным) электроном и вследствие этого чрезвычайно химически активных. Однажды образовавшись, он взаимодействует с молекулой таким образом, что в качестве одного из продуктов реакции образуется новый свободный радикал. Новообразованный свободный радикал может затем взаимодействовать с другой молекулой, и реакция продолжается до тех пор, пока что-либо не помешает свободным радикалам образовывать себе подобные, т.е. пока не произойдет обрыв цепи.

Особенно важной цепной реакцией является реакция разветвленной цепи, открытая в 1923 г. физиками Г.А. Крамерсом и И.А. Кристиансеном. В этой реакции свободные радикалы не только регенерируют активные центры, но и активно множатся, создавая новые цепи и заставляя реакцию идти все быстрее и быстрее. Фактический ход реакции зависит от ряда внешних ограничителей, например таких, как размеры сосуда, в котором она происходит. Если число свободных радикалов быстро растет, то реакция может привести к взрыву.

В 1926 г. два студента Семенова впервые наблюдали это явление, изучая окисление паров фосфора водяными парами. Эта реакция шла не так, как ей следовало идти в соответствии с теориями химической кинетики того времени.  Семёнов увидел причину этого несоответствия в том, что они имели дело с результатом разветвленной цепной реакции. Но такое объяснение было отвергнуто Максом Боденштейном, в то время признанным авторитетом по химической кинетике. Еще два года продолжалось интенсивное изучение этого явления Семеновым и Сирилом Н. Хиншелвудом, который проводил свои исследования в Англии независимо от Семенова, и по истечении этого срока стало очевидно, что Семёнов был прав.

В 1934 г. Семёнов Н.Н. опубликовал монографию «Химическая кинетика и цепные реакции», в которой доказал, что многие химические реакции, включая реакцию полимеризации, осуществляются с помощью механизма цепной или разветвленной цепной реакции. В последующие десятилетия Семёнов и другие ученые, признавшие его теорию, продолжали работать над прояснением деталей теории цепной реакции, анализируя относительные опытные данные, многие из которых были собраны его студентами и сотрудниками. Позднее, в 1954 г., была опубликована его книга «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности», в которой ученый обобщил результаты открытий, сделанных им за годы работы над своей теорией.

В 1956 г. Семенову Н.Н. совместно с Хиншелвудом была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования в области механизма химических реакций». В Нобелевской лекции Семёнов сделал обзор своих работ над цепными реакциями: «Теория цепной реакции открывает возможность ближе подойти к решению главной проблемы теоретической химии – связи между реакционной способностью и структурой частиц, вступающих в реакцию...

Вряд ли можно в какой бы то ни было степени обогатить химическую технологию или даже добиться решающего успеха в биологии без этих знаний... Необходимо соединить усилия образованных людей всех стран и решить эту наиболее важную проблему для того, чтобы раскрыть тайны химических и биологических процессов на благо мирного развития и благоденствия человечества».

Более подробное изучение механизма химических реакций можно наблюдать в следующей главе.

Академия


Академическая деятельность Семенова Н.Н. играет важную роль в продвижении научного прогресса, ведь, даже преподавая физическую химию, Николай Николаевич продолжал публиковать свои научные работы, передавая свои знания ученикам.

Семенов был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР и позже стал академиком. Свою многогранную исследовательскую и педагогическую работу он весьма успешно сочетал с общественной и научно-организационной деятельностью. В 1957-1963 гг. Семенов Н.Н. – академик-секретарь Отделения химических наук Академии наук СССР; в 1963-1971 гг. – её вице-президент. Также он член президиума АН СССР. Был председателем правления Всесоюзного общества «Знание».

За выдающуюся научную деятельность Семенов удостоен Государственных премий (подробнее рассмотреть список наград можно в отдельном пункте).

Международное признание заслуг академика Семенова Н.Н. выразилось - не только в переводе его монографий «Цепные реакции» и «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности» (1954 г.) на другие языки. Избрание советского химика почетным доктором ряда зарубежных университетов и членом иностранных научных обществ и академий, в том числе и Немецкой Академии наук ГДР в 1967 г., указывает на большой авторитет ученого и коммуниста Семенова во всем мире. Убежденность в необходимости единства обучения, исследования и воспитания при формировании квалифицированного специалиста привела впоследствии Семенова к серьезной работе в Международной федерации ученых. Свои взгляды на роль науки и на задачи научных работников в наши дни и в будущем он изложил на Международном симпозиуме по высшему образованию, состоявшемся в 1962 г. в Москве.

По мнению Семенова Н.Н. «Путём чисто научного исследования наука будет все глубже проникать в тайны строения вещества... именно эта сторона чисто научной деятельности ученых в наши дни приводит к рождению принципиально новых технических открытий, к появлению принципиально новых производств. И чем выше и глубже достижения науки, тем более чреваты они последствиями для технического прогресса».

Семенов не ограничивался теоретическими работами, но шел и в сторону техники. В настоящее время поставлен ряд работ совместно с Моторным институтом и другими учреждениями, которые освещают практически важные вопросы работы двигателей внутреннего сгорания».

Химия любви

Какие же научные открытия и исследования без душевного спокойствия и гармонии внутреннего мира, в связи с этим, просто невозможно не рассмотреть личную жизнь учёного и узнать, как же у него дела обстояли не только с физической химией, но и с химией любви.

Химия любви, оказалось, заключается в том, что мозг вырабатывает некое вещество, заставляющее человека почувствовать эмоциональный подъем, благополучие и повышение уровня возбуждения. Это вещество называется допамин. В это время нами движут половые гормоны – эстроген и тестостерон, они влияют на наши желания, связанные с объектом вожделения: желание видеться чаще, например.

Мы теряем аппетит, сон, при виде возлюбленного начинаем нервничать, ладони потеют, дыхание учащается. С точки зрения науки, химия любви на этом этапе происходит следующим образом – гормоны, которые вырабатываются при виде объекта вожделения, провоцируют мозг на выработку веществ норадреналина, серотонина и допамина. Первые два заставляют волноваться, последний приносит неимоверное ощущение счастья.

Семенов Н.Н. был в браке три раза. Первой женой была Мария Борейша, которая была на 15 лет старше супруга и имела четверо детей. Этот выбор ученого озадачил многих. Мария, несомненно, была женщиной красивой и яркой, переводила Данте, но все же была огромная разница в возрасте. Из-за новой любви она ушла из брака, но спустя 2 года умерла от рака. Смерть Марии очень сильно ударила по Николаю. Он отдал ей всю свою душу и был настолько счастлив, что прекратил общение почти со всеми своими друзьями, так как ему больше никто не был нужен.

Он намеренно гнал от себя все воспоминания о ней, чтоб самому не сломиться. После смерти любимой супруги, Николай женился на ее племяннице – Наталье Бурцевой. Это была очень эрудированная женщина.

Она переводила с трех языков и всегда помогала мужу в его заграничных поездках. Но из-за вечных обсуждений их пары за спиной, академик в 1971 году подал на развод и женился на Лидии Щербаковой, которая была намного младше. Вместе они прожили долгих 15 лет.

Наконец, в завершении этой главы, будет просто непростительно не рассказать о тех наградах, которых удостоился Николай Николаевич, поэтому следующий пункт посвящён именно этому.

Заслуженные награды

Николай Николаевич, несомненно, был великим учёным и удостоился ряда наград:

Сталинская премия (1941, 1949); Почетный член Английского химического общества (1943); Почетный член Индийской академии наук (1954); Нобелевская премия по химии (1956); Иностранный член Лондонского Королевского общества (1958); Член Германской Академии естествоиспытателей (1959); Почетный член Венгерской академии наук (1961); Почетный член Нью-Йоркской академии наук (1962); Иностранный член Национальной академии наук США (1963); Почетный член Румынской академии наук (1965); Дважды Герой Социалистического Труда (1966, 1976); Большая золотая медаль имени М. В. Ломоносова (1969); Ленинская премия (1976); Почетный доктор ряда вузов: Оксфордского (1960), Брюссельского (1962), Лондонского (1965), Будапештского технического (1965) университетов, Миланского политехнического института (1964).

Представление химических реакций


Отдельную главу я решил выделить для более подробного рассмотрения механизма химических реакций, ведь, именно за исследования в этой области Семенов Николай Николаевич стал лауреатом Нобелевской премии по химии.

Каждая химическая реакция может протекать при определённых условиях, посредством энергии активации (более подробную детализацию можно найти в Приложении 1).

Механизм химической реакции – это де­таль­ное опи­са­ние пу­ти, ве­ду­ще­го от реа­ген­тов к про­дук­там ре­ак­ции, вклю­чаю­щее наи­бо­лее пол­ную ха­рак­те­ри­сти­ку со­ста­ва, строе­ния, энер­гии и других свойств, про­ме­жу­точ­ных со­еди­не­ний и пе­ре­ход­ных со­стоя­ний. Ус­та­нов­ле­ние механизма химической реакции яв­ля­ет­ся центральной за­дачей химической кинетики. Ме­ха­низм про­стой хи­мической ре­ак­ции пред­став­ля­ет со­бой спо­соб пре­вра­ще­ния реа­ген­тов в про­дук­ты, учи­ты­ваю­щий пе­ре­ме­ще­ние ато­мов в про­цес­се осу­ще­ст­в­ления эле­мен­тар­но­го ак­та и роль различных кван­то­вых со­стоя­ний реа­ги­рую­щих час­тиц в ре­ак­ции.

Для слож­ных хи­ми­че­ских ре­ак­ций ме­ха­низмом является со­во­куп­ность эле­мен­тар­ных ста­дий, свя­зан­ных об­щи­ми реа­ген­та­ми и про­ме­жу­точ­ны­ми про­дук­та­ми. Та­кая со­во­куп­ность ста­дий объ­ек­тив­но со­став­ля­ет ре­аль­ный хи­мический про­цесс. При­ем­ле­мый ме­ха­низм оп­ре­де­лён­ной ре­ак­ции дол­жен со­от­вет­ст­во­вать сте­хио­мет­рии и ки­не­ти­ке ре­ак­ции, а так­же всем ос­таль­ным имею­щим­ся экс­пе­риментальным дан­ным. Пред­по­ла­гае­мая со­во­куп­ность эле­мен­тар­ных ста­дий, объ­яс­няю­щая из­вест­ные ки­не­тические за­ко­но­мер­но­сти, пред­став­ля­ет со­бой ки­не­тическую схе­му ре­ак­ции. Эта схе­ма мо­жет быть пол­ной и обос­но­ван­ной во всех де­та­лях, уп­ро­щён­ной, вер­ной в ог­ра­ни­чен­ных ус­ло­ви­ях про­ве­де­ния экс­пе­ри­мен­та, со­дер­жать ги­по­те­тические ста­дии и так далее.

Для то­го что­бы оха­рак­те­ри­зо­вать ме­ха­низм, ис­поль­зу­ют различные клас­си­фи­ка­ции хи­мических ре­ак­ций. Од­но­ста­дий­ные ре­ак­ции, по чис­лу пре­вра­щаю­щих­ся в про­дук­ты час­тиц, под­раз­де­ля­ют на: мо­но­мо­ле­ку­ляр­ные (например, рас­пад ди­ме­тил­пе­рок­си­да на ра­ди­ка­лы по схе­ме CH3OOCH3→2CH3O∙CH3OOCH3→2CH3O), би­мо­ле­ку­ляр­ные (например, кон­ден­са­ция бу­та­дие­на с не­на­сы­щен­ны­ми со­еди­не­ния­ми CH2=CH–CH=CH2+CH2=CH–R→CH2=CH─CH=CH2+CH2=CH─R→ 3-R3-R-цик­ло­гек­сен) и три­мо­ле­ку­ляр­ные (например, окис­ле­ние ок­си­да азо­та в ди­ок­сид 2NO+O2→2NO2). Уча­стие в эле­мен­тар­ном ак­те бо­лее трёх мо­ле­кул ма­ло­ве­ро­ят­но.

По ти­пу час­тиц, уча­ст­вую­щих в про­стой или слож­ной ре­ак­ции, ре­ак­ции под­раз­де­ля­ют на мо­ле­ку­ляр­ные (например, де­гид­ро­га­ло­ге­ни­ро­ва­ние этил­хло­ри­да CH3CH2Cl→C2H4+HClCH3CH2Cl→C2H4+HCl), ион­ные (например, гид­ро­лиз ме­тил­хло­ри­да CH3Cl+OH−→5CH3OH+Cl−CH3Cl+OH−→5CH3OH+Cl−), ре­ак­ции с уча­сти­ем сво­бод­ных ра­ди­ка­лов (например, хло­ри­ро­ва­ние ме­та­на Cl+CH4→HCl+CH∙3Cl+CH4→HCl+CH3) и ре­ак­ции с пе­ре­но­сом элек­тро­на, такие как, окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ные (например, окис­ле­ние со­лей же­ле­за Fe2++H2O2→Fe3++OH–+HO∙Fe2++H2O2→Fe3++OH–+HO).

Хи­мические ре­ак­ции мо­гут про­те­кать в объ­ё­ме од­ной фа­зы (го­мо­ген­ные ре­ак­ции) или на гра­ни­це раз­де­ла фаз (ге­те­ро­ген­ные ре­ак­ции). Во вто­ром слу­чае реа­ген­ты на­хо­дят­ся в раз­ных фа­зах (например, в жид­кой и твёр­дой фазе, при алю­ми­но­тер­мическом вос­ста­нов­ле­нии ок­си­дов, в жид­кой и па­ро­вой при маг­ние­тер­мическом вос­ста­нов­ле­нии TiCl4TiCl4). В свою оче­редь, го­мо­ген­ные ре­ак­ции под­раз­де­ля­ют­ся на ре­ак­ции в га­зо­вой фа­зе (например, го­ре­ние эта­на 2C2H6+7O2→4CO2+6H2O2C2H6+7O2→4CO2+6H2O), в жидкой фа­зе (в этих про­цес­сах важ­ное влия­ние на ме­ха­низм ока­зы­ва­ет при­ро­да рас­тво­ри­те­ля) и в твёр­дых те­лах (осо­бен­но­сти ме­ха­низ­ма этих про­цес­сов свя­за­ны, в ча­ст­но­сти, с ма­лой ско­ро­стью про­цес­сов пе­ре­но­са).

Реа­ген­ты мо­гут под­вер­гать­ся раз­но­об­раз­ным воз­дей­ст­ви­ям, ко­то­рые так­же оп­ре­де­ля­ют ме­ха­низм ре­ак­ции. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба воз­дей­ст­вия на реа­ген­ты вы­де­ля­ют тер­мические ре­ак­ции (те­п­ло­вое воз­дей­ст­вие на реа­ги­рую­щую сис­те­му); ка­та­ли­тические про­цес­сы (ре­ак­ция про­те­ка­ет с за­мет­ной ско­ро­стью толь­ко в при­сут­ст­вии ка­та­ли­за­то­ра); фо­то­хи­ми­че­ские ре­ак­ции (под воз­дей­ст­ви­ем све­та); ра­диа­ци­он­но-хи­ми­че­ские ре­ак­ции (под воз­дей­ст­ви­ем ио­ни­зи­рую­ще­го из­лу­че­ния); элек­тро­хи­ми­че­ские (под воз­дей­ст­ви­ем элек­трического то­ка); ме­ха­но­хи­ми­че­ские (при ме­ха­ническом воз­дей­ст­вии), а так­же под дей­ст­ви­ем ульт­ра­зву­ка, удар­ной вол­ны. Осо­бое ме­сто сре­ди слож­ных хи­мических ре­ак­ций за­ни­ма­ют цеп­ные ре­ак­ции, спе­ци­фи­кой ко­то­рых яв­ля­ет­ся мно­го­крат­но по­вто­ряю­щий­ся цикл эле­мен­тар­ных ре­ак­ций про­дол­же­ния це­пи: например, ре­ак­ция H2H2 c Cl2Cl2 вклю­ча­ет сле­дую­щий цикл эле­мен­тар­ных ре­ак­ций: Cl+H2→HCl+H, H+Cl2→HCl+Cl∙Cl+H2→HCl+H, H+Cl2→HCl+Cl.

Ме­то­ды изу­че­ния механизма химической реакции за­ви­сят от строе­ния реа­ген­тов и при­ро­ды про­ме­жу­точ­ных про­дук­тов. При изу­че­нии механизмов химических реакций, пре­ж­де все­го, ус­та­нав­ли­ва­ют, яв­ля­ет­ся ли ре­ак­ция од­но­ста­дий­ной или слож­ной, ка­ко­ва при­ро­да про­ме­жу­точ­ных про­дук­тов, уча­ст­вую­щих в со­во­куп­ном про­цес­се. Од­но­ста­дий­ная ре­ак­ция все­гда под­чи­ня­ет­ся закону действующих масс. Для ион­ных ре­ак­ций ха­рак­тер­ны та­кие при­зна­ки, как элек­тро­про­вод­ность рас­тво­ра, где про­те­ка­ет ре­ак­ция, влия­ние на ско­рость ре­ак­ции по­ляр­но­го рас­тво­ри­те­ля и ней­траль­ных ио­нов, не уча­ст­вую­щих в хи­мическом про­цес­се.

Ра­ди­каль­ные цеп­ные ре­ак­ции ус­ко­ря­ют­ся под дей­ст­ви­ем све­та и в при­сут­ст­вии ини­циа­то­ров, ге­не­ри­рую­щих сво­бод­ные ра­ди­ка­лы, и за­мед­ля­ют­ся в при­сут­ст­вии ин­ги­би­то­ров; по­сколь­ку тор­мо­же­ние этих ре­ак­ций про­ис­хо­дит вслед­ст­вие столк­но­ве­ний реа­ги­рую­щих час­тиц со стен­ка­ми ре­ак­ци­он­но­го со­су­да, пред­ва­рительная об­ра­бот­ка сте­нок так­же влия­ет на ско­рость про­цес­са. Для цеп­ных раз­ветв­лён­ных ре­ак­ций ха­рак­тер­ны кри­тические яв­ле­ния и пре­де­лы про­те­ка­ния про­цес­са по дав­ле­нию, температуре и со­от­но­ше­нию реа­ген­тов. Мо­ле­ку­ляр­ные ре­ак­ции ме­нее чув­ст­ви­тель­ны ко всем пе­ре­чис­лен­ным вы­ше фак­то­рам. О ме­ха­низ­ме ре­ак­ции мож­но пред­ва­ри­тель­но су­дить по её ко­неч­ным про­дук­там. Од­на­ко сле­ду­ет иметь в ви­ду, что один и тот же про­дукт мо­жет по­лу­чать­ся в ре­зуль­та­те ре­ак­ций, про­те­каю­щих по раз­ным ме­ха­низ­мам.

Для по­строе­ния ки­не­тической схе­мы не­об­хо­ди­мо иден­ти­фи­ци­ро­вать ка­ж­дую ста­дию, изу­чить её и оха­рак­те­ри­зо­вать кон­стан­той ско­ро­сти и энер­ги­ей ак­ти­ва­ции. Для мно­го­ста­дий­ной ре­ак­ции на ос­но­ве пол­ной ки­не­тической схе­мы с по­мо­щью ком­пь­ю­тер­но­го мо­де­ли­ро­ва­ния про­во­дит­ся рас­чёт ки­не­ти­ки про­цес­са, а за­тем его со­пос­тав­ле­ние с экс­пе­ри­мен­том. Для изу­че­ния бы­ст­рых ре­ак­ций (про­цес­сы с уча­сти­ем ра­ди­ка­лов и ио­нов про­те­ка­ют за вре­мя 10-3–10-8 с) раз­ра­бо­та­ны специальные ки­не­тические ме­то­ды – им­пульс­ный фо­то­лиз, струе­вые ки­не­тические ме­то­ды, ме­тод тем­пе­ра­тур­но­го скач­ка и так далее. Ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли тео­ре­тические кван­то­во­хи­мические ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния раз­но­об­раз­ных ре­ак­ций.

Как экс­пе­ри­мент, так и кван­то­во­хи­мические ме­то­ды по­зво­ля­ют рассчитать зна­че­ния кон­стан­ты ско­ро­сти или энер­гии ак­ти­ва­ции, ха­рак­те­ри­зую­щие сред­не­ста­ти­стическую ре­ак­ци­он­ную спо­соб­ность час­тиц, по­сколь­ку ка­ж­дая час­ти­ца уча­ст­ву­ет в ре­ак­ции со сво­ей ин­ди­ви­ду­аль­ной ско­ро­стью по­сту­па­тель­но­го дви­же­ния и в сво­ём кван­то­вом со­стоя­нии. Для де­таль­но­го изу­че­ния ре­ак­ци­он­ной спо­соб­но­сти час­тиц в раз­ных кван­то­вых со­стоя­ни­ях и с фиксированной ки­не­тической энер­ги­ей – де­таль­но­го изу­че­ния эле­мен­тар­но­го ак­та хи­мической ре­ак­ции – ис­поль­зу­ют­ся ме­тод мо­ле­ку­ляр­ных пуч­ков, ме­тод удар­ных труб, фем­то­се­кунд­ная спек­тро­ско­пия, метод молекулярной динамики.

В этом суть механизма химических реакций.

Опыт № 1.Неньютоновская жидкость

Нальём воду в пластиковый контейнер. Насыпем в воду крахмал и перемешаем, чтобы получилась густая, как сметана, смесь. В такую полужидкую среду легко должны погружаться пальцы и ее легко собирать в комочек с поверхности стола, но если ударить по ней кулаком, то чувствуем, что она имеет твердую поверхность. Положим на нее аккуратно дощечку и попробуем вбить в нее гвоздь. Он легко войдет в дерево. Но действуйте аккуратно, ведь если хотя бы краешек доски окунется в неньютоновскую жидкость, то вся деревяшка тотчас же пойдет ко дну. При желании такую жидкость легко окрасить в любой цвет.

семенов 1

Опыт № 2. Несмешивающиеся жидкости


В один стакан нальём холодной воды и окрасим её с помощью гуаши, акварели или пищевого красителя в любой цвет. Накроем ёмкость плотным, но не толстым картоном. В другой стакан нальём теплой (но не горячей) воды и при желании тоже окрасим, но в любой другой цвет, отличный от воды в первом стакане.

Положим ладонь на картон, быстрым движением перевернём первый стакан и аккуратно поставим его на второй, чтобы горлышки ровно соприкасались. Осторожно вынем картон между стаканами. Жидкость (холодная) в верхнем стакане «зависнет» и не будет переливаться. Но если стаканы поменять местами, то разноцветная вода станет смешиваться между собой, образуя красивые узоры.

семенов 2

Заключение

Проблема исследования и гипотеза были выявлены, а, соответственно, этап номер один был пройден. Далее проведено выделение нужного материала в различных ресурсах, проведён анализ и планирование дальнейших этапов. Самая главная задача была в нахождении решения проблемы исследования, которая была решена. Далее же были проведены опыты, и проект был готов.

В общей сложности проект был выполнен за две недели. Ресурсное обеспечение, которое было в наличии: устройство с выходом в интернет, специализированные книги, наличие оборудования для проведения опытов.

Таким образом, я рассмотрел деятельность Семенова в физике, изучил особенности исследования Николая Николаевича в химии, изучил механизм химических реакций и пришёл к выводу, что Семенов Н.Н. является великим физикохимиком, который заслуженно стал лауреатом Нобелевской премии по химии. Благодаря его исследованиям и научным работам были открыты разветвлённые цепные реакции, и, фактически Николай Семенов предвидел открытие и ядерных цепных реакций.

Он сам и его ученики внесли большой вклад в осуществление ядерного проекта в СССР. Однако, как ни велики эти достижения, вклад Н. Н. Семенова в современную науку значительно шире, и развитие науки в современный период времени, несомненно, будет происходить под знаком Семеновских предвидений. А, в связи с этим, предположение о том, что деятельность Семенова совершила прорыв и ускорила прогресс в области науки, является абсолютно верным. Гипотеза абсолютно доказана.

Личность человека воспитывается с самых истоков, с семьи, учителей. Н.Н. Семенов любил работать с молодежью и придавал этой работе огромное значение. Он руководил кафедрой химической кинетики Московского государственного университета, был одним из основателей Московского физико-технического института.

Он создал замечательную «семеновскую школу», которая приобрела мировую славу и добилась выдающихся достижений. Своим учителем Н.Н. Семенова считали не только те, кто работал с ним рядом, но и очень многие ученые России и других стран, знавшие его труды и слушавшие его выступления, в том числе даже и некоторые Нобелевские лауреаты.

Наконец, он был интереснейшей личностью, глубоко чувствовал искусство и художественную литературу, интересовался философией. Он любил слушать людей и сам увлеченно рассказывал о событиях своей жизни, научных открытиях, исторических личностях. Сказать, что он умел слушать с неподдельным интересом, значит не сказать ничего. Это умеют многие. Но так живо включаться в дело, входя во все детали, нетерпеливо ждать нового результата, не давая покоя ученикам, из известных мне людей мог только Н.Н. Семенов.

Умение предвидеть роль физики в развитии химии XX века, осознать исключительную роль биологии в будущем развитии химии, способность самому погружаться в решение важнейших проблем, воодушевлять учеников и сотрудников — все это характеризует Н.Н. Семенова как уникальное явление в отечественной и мировой науке.

Для написания данной работы были использованы ресурсы Сети Интернет.

Приложение 1

семенов 3


Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Партнеры и статистика