Часть 2. Физические аспекты химической кинетики
В этой части работы исследуется вопрос – допустимо ли и достижимо ли сделать прогноз скоростей протекания реакций в сложной химической системе, опираясь лишь на физические представления об элементарных процессах в системе. Без решения этого вопроса невозможно найти адекватный язык описания траекторий химической эволюции. Эмпирические кинетические кривые, получаемые в химическом опыте, не позволяют создать необходимый язык, поскольку они не проясняют фундаментальных причин и механизмов эволюционного развития химической системы. Но если удастся прогнозировать вид таких кривых на основе физических представления, то расстояние между о нашими представлениями о природе первичных движущих сил эволюции и возможностями количественно описывать пути эволюции, такое расстояние может значительно сократиться.
Предполагается дать положительный ответ на этот вопрос. То есть, ищутся такие физические и математические средства, которые могут позволить дать априорную картину химической кинетики без привлечения опытных данных о скоростях отдельных реакций в системе и без составления сложных кинетических уравнений. Предполагается, что на этом пути удастся прояснить все физические факторы, формирующие полную кинетическую картину превращений в химической системе. Тем самым, для конкретных систем будет построена динамическая картина эволюционного развития таких систем. Важно только, чтобы исследуемые системы проявляли те признаки эволюционного развития, которые были выявлены в первой части работы.
Естественно, при решении этой сложной частной задачи невозможно обойтись без химического опыта. Только сравнение физического прогноза с эмпирическими кинетическими данными может подтвердить или опровергнуть правильность постановки такой новой физической задачи.
В химии задача прогнозирования кинетики по необходимости решена, поскольку там эта задача вытекает из практических надобностей индустриальной химии. Деятели этой области нуждаются в средствах управления процессами накопления продуктов работы реактора путем воздействия на различные параметры модели химического реактора. Поиск таких средств немыслим без теоретической проработки деталей модели проходящих в системе процессов путем составления и решения сложных систем кинетических уравнений. Сложность этой работы состоит в необходимости составлять разветвленные системы дифференциальных уравнений для скоростей реакций и в необходимости опираться на эмпирические константы скоростей реакций. Последнее как раз и составляет проблему, для решения которой в случае реакций второго и более высоких порядков приходится прибегать к громоздким методам хемометрики, причем без гарантии получения необходимой для практики точности решения обратных задач.
В данной работе исследуется возможность найти решение указанной химической проблемы, используя совершенно иной подход к прогнозированию химических процессов в плотных средах. Мы пытаемся отказаться от принятого в химии подхода, основанного на макроскопических представлениях о происходящих процессах. Эти представления находят свое математическое выражение в дифференциальных соотношениях между весовыми количествами реагирующих веществ. Используется следующая схема рассуждений о поведении масс исходных продуктов реакции A, B и массы конечного продукта C.
Приращение массы продукта реакции dC в системе определяется количествами реагентов B и C и временем наблюдения:
dC = kaAdt + kbBdt ,
где dt – малый промежуток времени; A, B и C – текущие массы реагирующих веществ; ka и kb – эмпирические коэффициенты.
Количества B и C измеряются в миллиграммах или тоннах и являются макроскопическими характеристиками протекающего процесса превращения веществ. Но и количество продукта dC, изображаемое символом дифференциала, на практике является макроскопической величиной, измеряемой долями миллиграмма или тонны. Однако сам процесс химического превращения не дифференциальной природы. Это микроскопический физический процесс, который Природа отслеживает не в граммах, а в числе случившихся элементарных актов химического превращения C = A + B. Поэтому не следует удивляться, что в каких-то сложных случаях такое неадекватное представление о ходе процесса не позволяет получить правильный прогноз.
В данной работе предлагается проверить возможность прямого следования природной логике микроскопического акта химического превращения, а макроскопические следствия из физических представлений получать статистическими методами.
