化學混沌

所謂化學混沌,通常是指化學反應系統中某些組份的巨觀濃度不規則地隨時間變化的現象。這裡濃度變化的不規則性並非由於實驗條件的不確定性或測量儀器的不準確性造成,而是完全由系統內部的反應動力學機理所決定。

定義

化學混沌是一種關於化學過程的科學,是關於化學過程演化的化學。

特點

與傳統經典熱力學相比,具有如下四大特點:

1.時空微觀有序而巨觀無序:平衡態是熵最大狀態即最無序狀態,是分子水平上的無序,微觀上的無序;混沌只有在遠離平衡態下才會出現,是由一種時空巨觀有序的耗散結構失去穩定性而出現的巨觀上無序的現象。

2.局域不穩定而整體穩定:對孤立體系而言,平衡態是穩定的狀態;化學混沌是體系遠離平衡條件,處於非平衡態的非線性區,是一種無序的均勻態,在局域範圍內不穩定而整體穩定。這使得混沌運動具有某種“隨機性”,也就是表象上看到的混沌運動“混亂的”重要原因。

3.靈敏初條件:真實的化學過程初始條件的微弱差異,會引起結果巨大不同的化學混沌過程。即化學混沌對初始條件是敏感的,因此稱為靈敏初條件。用天文氣象的“蝴蝶效應”來形象地比喻就是:今天在北京城上空一隻小蝴蝶飛翔時攪動了空氣就會某時在紐約形成狂風暴雨。

4.分數維的空間結構:分數維即為非整數維。歐幾里德幾何是整數維的,而自然界絕大部分是分數維的結構。例如:海岸線的長度,取決於測量時所用尺的長度大小,如用的尺越小,可測量到更多曲折的地方。海岸線的長度是無限可分的,混噸的空間結構也是無限可分的。

化學混沌論的套用

混沌論在化學科學中的最主要的現象是化學振盪(規則的、周期性的化學變化,也稱化學鍾)和化學湍流(不規則、非周期性的化學變化)。自50年代以來化學振盪在各方面的套用日益廣泛,其中在分析化學中套用較多。當體系中存在濃度振盪時,其振盪頻率與催化劑濃度間存在依賴關係,據此可測定作為催化劑的某些離子,如10mol/LCe(III),10mol/LMN(II),10mol/[Fe(Phen)]等;又如釕化合物在濃度為10mol/L時可催化Ce(IV)氧化丙二酸的反應,使B—Z反應體系振盪頻率增大,其振盪頻率和釕(III)濃度間存在簡單比例關係,從而可測定各種溶液中的釕;還如在B—Z振盪反應體系中引入微量Cl,會阻抑振盪反應,使振盪反應的振幅減小,其減小值與氯離子濃度呈線性關係,可用以測定氯(檢出下限可達5×10mol/L)。
此外,在化學振盪基礎上發展起來的電化學振盪更廣泛地運用於理論研究和套用實踐(如仿生學、臨床醫學等)。人們根據生物膜或人工膜對某些分子(乙醇、糖類、胺等)具有獨特的電位振盪特徵來模擬味覺、嗅覺的生物過程,作為識別分子的信號來模仿味覺和嗅覺器官,其中味覺感測器的研究在模擬生物膜模型、離子在生物膜中轉移機理等仿生學研究領域具有重要意義,在食品檢測與控制、環境保護等領域具有廣闊的套用前景;腦電波、心電圖(電位差振盪)等也在臨床診斷和病理研究中獲得套用;在生物信息傳遞方面,根據動物大腦的電位振盪方式對外界刺激所產生的回響建立的神經動力學模型,研究生物神經活動過程,探索人們對動物以及人的大腦活動的認識之謎,從而進一步為人類服務。
總之,化學混沌是一種關於化學過程的科學,是關於化學過程演化的化學。它與傳統的經典熱力學相互補充,將促進人們對實際、真實的化學過程的研究和認識,必將推動化學乃至其它學科的進一步發展。正如對耗散結構理論研究作出重大貢獻的諾貝爾獎獲得者普里戈金教授所說的那樣:“對我們以自身為尺度的世界的發現才剛剛開始,而且看來從巨觀或微觀尺度上對世界的探索同樣地充滿著令人驚奇的事情.”

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