Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Федоров А.Я. Мелентьева Т.А.
Введение

Концентрационные колебания характерны для открытых систем, находящихся вдали от равновесия. На всех уровнях организации, от макромолярного до микромолекулярного, в химических системах возможны незатухающие колебания характерных физических параметров - концентраций реагентов, каталитических комплексов, параметров, определяющих физическое поведение и т.д. Теоретическое и экспериментальное исследование химических явлений имеет весьма важное значение для биофизики, биохимии, для биологии в целом [1-2].

Основная часть

Система «параксилол - кислород - метилтолуат » является многофазной системой. Механизм окисления параксилолола содержит несколько десятков элементарных стадий. Поэтому количественный анализ такого механизма весьма затруднителен. Предполагается , что концентрация параксилола значительно превосходит концентрацию метилтолуата. Однако можно упростить задачу описания концентрационных колебаний и рассмотреть несколько элементарных стадий, исходя из трех ключевых веществ: А = CH3ArCH3 - концентрация параксилола в реакционной смеси, Х = СН3 АrCH•2 - вещество, играющее роль промежуточного переключателя; Y = [ Co2+ . . . O . . . Mn3+ . . . Hbr] - вещество, контролирующее образование промежуточных соединений. Доминируют следующие реакции [3]:


1. [ Co2+ . . . Mn 2+ . . . Hbr] + О2  [ Co2+ . . . O . . . Mn3+ . . . Hbr];

2. 2 CH3ArCH3 + [ Co2+ . . . O¯2 . . . Mn3+ . . . Hbr]  2 СН АrCH + H2 O + [ Co2+ . . . O- . . . Mn3+ . . . Hbr] ;

3. CH3ArCH3 + СН3 АrCH•2  2 СН3 АrCH•2 + H+ ;                                              (1)

4. СН АrCH•2 + [ Co2+ . . . O- . . . Mn3+ . . . Hbr]  CH3 ArCH2 OH + OH - + 2 [ Co2+ . . . Mn3+ . . . Hbr];

где [ Co2+ . . . Mn 2+ . . . Hbr] - кобальт марганецбромидный катализатор; [ Co2+ . . . O . . . Mn3+ . . . Hbr], [ Co2+ . . . O¯2 . . . Mn3+ . . . Hbr], [ Co2+ . . . Mn3+ . . . Hbr] - каталитические комплексы; СН3 АrCH•2 - свободный радикал ; О2 - молекулярный кислород; H2 O , H+, CH3 ArCH2 OH , OH - - продукты реакций. Экспериментальному анализу подвергаются только устойчивые соединения, которых в механизме (1) насчитывается два. Математическая модель процесса следующая. Обозначим Pi - продукты реакций (i = 1. . . 5) , К = [ Co2+ . . . Mn 2+ . . . Hbr] :

1. К + О2  Y;

2. 2 A + Y  2 X + P1 ;          (2)

3. A + X  2 X + P2 ;

4. X + 2 Y  P3 + P4 + P5 .

 

Константы скорости элементарных стадий предполагаются следующими : k1 = 1, 6  10 3 ((л/моль) с-1 ) ; k2 = 1, 3 ((л/моль)2 с-1 ); k3 = 2  10 2 ((л/моль) с-1 ) ; k4 = 4 103 ((л/моль)2 с-1 ) . Нелинейные уравнения реакций (2) имеют вид :

X = 2 k2 A2 Y - k4 X Y2 + k3 A X ;

Y = k1 К1 B - k2 A2 Y - k4 X Y2 ;           (3)

где B - концентрация молекулярного кислорода в реакционной смеси, К1 - концентрация каталитического комплекса. Введем безразмерные переменные:

X = (k2/ k4 ) A x ; Y = (k3 / k4 ) y ; t = (τ / (A2 k2 ) ).

 

Из системы (3) получаем следующую систему обыкновенных безразмерных уравнений:

 = a0 y - a1 xy2 + a2 x;                 (4)

 = b0 - y - b1 xy2 ;


где a0 = (2 k3/ k2 A) , a1 = (k / k4 k2 A2 ), a2 = (k3 / k2 A), b0 = (k1 k4 K1B / k2 k3 A2 ) и b1 = ( k3/ k4 A ) - безразмерные коэффициенты. Найдем стационарные решения уравнений (4) при принятых кинетических константах. При этом, для нахождения концентрации молекулярного кислорода в реакционной смеси необходимо использовать закон Генри при следующих значениях технологических параметров - T = 205 0 C, P = 26 атм. . В этом случае стационарное решение указанных уравнений, удовлетворяющее положительности и действительности имеет вид:


y1 = 1,6 102 ; x1 = 1,0 103.                                                            (5)

  Автоколебательный режим возникает в рассматриваемой химической системе, если точка y1, x1 неустойчива по Ляпунову. Это соответствует определенному набору констант элементарных химических стадий и технологических условий.

  Мы рассмотрели точечную, сосредоточенную систему. Если система распределенная, т.е. наряду с химическими реакциями в ней имеется диффузия, то в ней могут возникать волновые процессы с пространственной неоднородностью (автоволновые процессы). Такие процессы играют большую роль во многих биологических процессах - морфогенезе, в поведении возбудимых тканей. Автоволновые процессы в химической технологии возможны при отсутствии конвекции, но существенной диффузии в ядре потока жидкости. Это имеет место в тонких трубах или тонких слоях. Поэтому указанные процессы существенны в производствах ДМТ и ТФК.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Волкенштей М.В. Биофизика. / М.: из - во « Наука ». 1981. 575 с.
  2. Рубин А.Б. Биофизика. / М.: из - во « Книжный дом «Университет»». 2000. Т.2. 467 с.
  3. Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. / М.: из - во «Высшая школа». 1984. 463 с.  

Библиографическая ссылка

Федоров А.Я., Мелентьева Т.А. КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ХИМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2008. – № 1. – С. 86-87;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=23085 (дата обращения: 23.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074