化學研究中的系統(tǒng)方法自組織問題
化學先生 / 2019-08-21
化學中許多過程無疑比物理過程要復雜得多。例如,多相催化過程，像在鉑催化條件下氨氧化制硝酸，在氧化銅表面催化情況下使N2O分解，還有燃燒、酶催化等都是十分繁雜的過程。對這些過程以前多是經(jīng)驗性的解釋，缺乏機理性的說明。
為了探討上述問題，普利高津等人首先討論了從化學平衡向化學非平衡的轉化，這是對化學思想方法的發(fā)展,是一個突出的貢獻。為了說明上述問題,試討論下面這個一般的反應形式:
k
A+B→C+D
式中反應物A和B在一定條件 下生成C和D,其中速率常數(shù)k，一般是溫度與壓力的函數(shù)。上述反應開始以后，反應物A和B隨著時間的推移而減少，而C和D隨著時間的推移而增加。上式的逆反應為:
k＇
C+D→A+B
如果在一個孤立體系中、經(jīng)過足夠長的時間以后，共存的四種物質A.B.C.D的數(shù)量將保持一個固定的比例.此時，我們就說體系達到了化學平衡，可以求得平穩(wěn)常數(shù):
k＇
K=一
k
達到平衡的反應式如下:
k
A+B?C+D
k＇
反應達到化學平衡以后，反應物和聲物的濃度都不隨時間變化，這在化學中已作為常識被接受下來，并形成了一種傳統(tǒng)的觀念。但是，普利高津等人則從這種情況中看出了問題，他們指出，上述反應如在開放體系中則完全是另一個樣子。為此他們設計了一個上述反應的開放體系，如圖15一1。
上述反應體 系有物質流的流人(反應物A、B)和流出(產(chǎn)物C、D),我們控制流人和流出的量就可以創(chuàng)造一種條件 使體系達到一種狀態(tài) ,在這種狀態(tài)下，反應體系中A、B、C、D的濃度不隨時間變化而保持恒定，但是它們之間濃度的比例，再也不是由平衡常數(shù)K決定，而是因為體系開放以后重新組織起來了。從數(shù)學意義上說，A、B、C、D濃度隨時間的變化率為零,寫成濃度的時間導數(shù)如下:
dCA dCB
一一=一一=…=0
dt dt
上述狀態(tài)是一種“非 平衡定態(tài)”，它和封閉體系反應的平衡態(tài)有本質的不同:平衡態(tài)如改變濃度.壓力、溫度等，反應體系將按照勒夏特列原理自發(fā)地重建平衡非平衡定態(tài)則不然，它可以在物質(或能量)流人或流出中，完全建立一種新的秩序(宏觀上的有序結構等》，如它可以使正反應速率遠遠大于逆反應速率面大量形成產(chǎn)物、反過來也可以。也就是說，這種開放體系能促使物質運動的變化，平衡態(tài)則無力做到這一點。
普利高津等人的思想方法有重要意義。 事實上，幾個世紀以來，化學家在實驗室中設計的化學反應體系，多半是一種閉合的體系.所以。那些化學變化無論經(jīng)過多少步驟，一種類似于平衡態(tài)的均勻的、不隨時間變化的狀態(tài)總要出現(xiàn)。而真正的現(xiàn)實井不是這樣，在自然界的化學進化和生命起源與發(fā)展中,絕大部分體系都不是封閉體系，而是開放的，正因為這樣,世界才能通過化學來進化。
普利高津等人不僅用開放體系的思想方法成功地解釋了化學進化，還成功地解釋了以下問題:
⑴自催化問題。認為某產(chǎn)品可以增大其反應速率，和體系中各要素相互作用與按照一定的方式流通有關，這種自催化過程只有用非平衡的理論才能說明。
(2) 燃燒過程。布魯塞爾學派認為，在燃燒過程中，由于含有未成對電子自由基的存在，自由基通過與其他分子反應而進- 步產(chǎn)生更多的自由基,因而雪崩式地加速反應,形成燃燒。對于這一過程，只有非平衡化學方法才能對其機理做出正確說明。
(3) 生物化學與自身繁殖。普利高津認為，這是一個復雜的自組織、自催化的過程。平衡態(tài)是不會出現(xiàn)這種情況的。生命化學中，遺傳物質因特種蛋白質(酶)的介人而被復制，它們按照保存在遺傳物質中的指令進行自我合成，這種過程只有用非平衡自組織的理論方法才能說明。
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