Вклад Н.Н. Семенова в область химической кинетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

Учреждение образования

«МОЗЫРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

 ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ им. И.П. ШАМЯКИНА»

 

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

КАФЕДРА БИОЛОГИИ

РАБОТЫ Н.Н. СЕМЕНОВА В ОБЛАСТИ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Специальность 1-02 04 04-03 Биология. Охрана природы

 

Исполнитель:

студент 5 курса 1 группы

заочной формы обучения                                Волчек Сергей Александрович

 

Научный руководитель

кандидат с/х наук, доцент                               Мижуй Сергей Михайлович

 

 

 

 

 

МОЗЫРЬ 2013

 

РЕФРАТ

Курсовая работа: 31 страница, 9 источников.

Ключевые слова:   химическая кинетика, Н.Н. Семенов, химическая физика, химические  процессы.

Цель курсовой работы: изучить вклад Н.Н. Семенова в область химической кинетики.

Задачи:

1. изучить краткую биографию Н.Н. Семенова
2. рассмотреть теоретические и практические работы Н.Н. Семенова

Методы исследований: сбор и обработка литературных данных.

Полученные результаты: в данной курсовой работе рассмотрены краткая биография Н.Н. Семенова, теоретические и практические работы Н.Н. Семенова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..4

 

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ БИОГРАФИЯ Н.Н. СЕМЕНОВА…………………….6

 

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ Н.Н. СЕМЕНОВА………………………………………………………………………13

 

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Н.Н. СЕМЕНОВА……………………………………………………………......18

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………..30

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………31

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Н. Н. Семенов — выдающийся ученый, создатель новой науки — химической физики, науки, изучающей строение химических веществ, кинетику и детальный механизм химических превращений и открывающей новые эффективные пути управления химическими процессами.

Никола́й Никола́евич Семёнов (15.04.1896 – 25.09. 1986) - великий русский ученый и один из наиболее ярких представителей мировой науки ХХ века, основатель всемирно известной научной школы химической физики, академик АН СССР (1932), лауреат Сталинской (1941, 1949), Нобелевской (1956) и Ленинской премии (1976), дважды Герой Социалистического Труда (1966, 1976). Награжден 9 орденами Ленина, высшей наградой Академии наук - золотой медалью им. М.В.Ломоносова (1970). Почетный член академий и научных обществ Англии (1949), Индии (1959), Венгрии (1961), США (1963), Румынии (1965), Чехословакии (1965), Болгарии (1969); почетный доктор в Оксфорде, Брюсселе, Милане, Будапеште, Лондоне, Праге, Берлине, Вроцлаве.

Мировую известность получили работы Н. Н. Семенова и его школы в области химической кинетики и прежде всего цепной теории химической реакции. Он является создателем теории разветвленных цепных реакций —

теории огромного практического значения. Открытые впоследствии физиками цепные ядерные реакции подчиняются общим закономерностям теории Семенова. За работы в области цепных химических реакций ему были присуждена Государственная премия СССР (1941 г.) и Нобелевская премия (1956г.).

В лице Николая Николаевича Семенова химическая наука имела сочетание крупного, оригинального ученого, прокладывающего новые пути в науке, прекрасного  организатора и выдающегося общественника. Несмотря на молодость (36 лет), Николай Николаевич — ученый с мировым именем, стал одним из основоположников новой науки — химической физики, создателем и директором Института химической физики, охватывающего свыше 100 его учеников, среди которых имелись уже крупные ученые, хорошо известные и за границей.

Работами Н. Н. Семенова и его школы в 30—50-х годах были заложены

основы современной теории горения и детонации газовых смесей, взрывчатых веществ и порохов. В руководимом им Институте химической физики были разработаны теория распространения пламени, получившая широкое признание, теория детонации, турбулентного горения. Важнейшими проблемами, получившими развитие в работах Н. Н. Семенова и его учеников, являются ионизация газов, адсорбция и конденсация.

Цель курсовой работы: изучить вклад Н.Н. Семенова в область химической кинетики.

Задачи:

3. изучить краткую биографию Н.Н. Семенова
4. рассмотреть теоретические и практические работы Н.Н. Семенова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. КРАТКАЯ БИОГРАФИЯ Н. Н. СЕМЕНОВА      

 

Николай Николаевич Семенов родился 15 апреля 1896 года в Саратове, в семье Николая Александровича и Елены Дмитриевны Семеновых. Окончив в 1913 году реальную школу в Самаре, он поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета, где, занимаясь у известного русского физика Абрама Иоффе, проявил себя активным студентом.  
Окончив университет в 1917 году, в год свершения русской революции, Николай был оставлен для подготовки к профессорскому званию [1, с.174].

До весны 1918 года он работал в Петрограде. 
Вот как писал о том времени в одной из своих автобиографий сам ученый: 
«Будучи увлечен научной работой, я мало интересовался политикой и в событиях разбирался плохо. Весной 1918 года я поехал на каникулы к родителям в Самару, где меня и застал Чехословацкий переворот. Под влиянием окружившей меня мелкобуржуазной среды и известного доверия, которое питала в то время мелкая буржуазия к меньшевикам и эсерам (как известно, возглавлявшим самарский Комуч), я вступил добровольно в середине июля в так называемую «народную армию» самарской «учредилки». 
Я был назначен солдатом в артиллерийскую батарею, где в течение всего времени моего пребывания в «армии» (длившемся около месяца) я выполнял обязанности коновода. Из этого месяца около трех недель я провел на фронте… 
Воспользовавшись известием о тяжелом состоянии отца (он вскоре умер), я в середине августа добился получения отпуска в Самару, устроил себе перевод во вновь формирующуюся Уфимскую батарею и, не заезжая в Уфу, проехал (в сентябре) прямо в Томск, дезертировал, таким образом, из белой армии. Томск в то время был единственным университетским городом Сибири, и я поехал туда, рассчитывая вновь отдаться научной работе. И действительно, профессор Вейнберг (сейчас служит в Ленинграде) тотчас же предоставил мне возможность научно работать в лабораториях Технологического института, а с декабря я стал также вести преподавание в университете при кафедре физики (профессор Поспелов). За время пребывания в Томске я сделал несколько небольших, но зато совершенно самостоятельных научных работ. Я организовал при Технологическом институте постоянно действующий научный семинар и, наконец, также по собственной инициативе руководил научной работой и научным образованием кружка наиболее талантливой студенческой молодежи. 
        В сентябре 1919 года я был мобилизован Колчаком и попал в качестве «нижнего чина» в Томский артиллерийский дивизион, откуда благодаря хлопотам профессора Вейнберга и моим был переведен (в октябре 1919 года) в радиобаталисты и тотчас откомандирован оттуда в Технологический институт, где и продолжал научную работу.  После прихода в Томск Красной Армии (в декабре) я по ходатайству университета был окончательно отчислен из радиобатальона (уже перешедшего в состав красных войск) распоряжением коменданта Томска. После я продолжал научную и преподавательскую работу до мая 1920 года, когда по приглашению Государственного физико-технического и рентгенологического института я переехал на работу в Петроград». 
           Семенов назначается заместителем директора Петроградского физико-технического института и руководителем лаборатории электронных явлений. 
В 1921 году Семенов женился на Марии Исидоровне Борейше-Ливеровской — яркой, талантливой женщине. Она была известным специалистом в области романской филологии, работала в Петроградском университете на кафедре В.М. Жирмунского, переводила Данте. Мария Исидоровна была намного старше Николая Николаевича и имела четверых детей. С самого начала этот непростой брак оказался омраченным тяжелой болезнью, обрушившейся на жену. Она скончалась в августе 1923 года, прожив с Николаем Николаевичем менее двух лет. Его тяжелейшую душевную драму смягчила и излечила племянница Марии Исидоровны, Наталия Николаевна Бурцева. Она стала женой Семенова и матерью двух их детей — Юрия и Людмилы.

В то тяжелое время в сотрудничестве с Петром Капицей Семенов предложил способ измерения магнитного момента атома в неоднородном магнитном поле, описав экспериментальный процесс в статье, которая была опубликована в 1922 году. Этот метод был позднее успешно развит Отто Штерном и Вальтером Герлахом.

Затем Семенов возвращается к проблеме ионизации газов, по-видимому, первой научной проблеме, которая его заинтересовала. Еще будучи студентом университета, он опубликовал свою первую статью, в которой говорилось о столкновениях между электронами и молекулами. По возвращении из Томска Семенов занялся более глубокими исследованиями процессов диссоциации и рекомбинации, в т.ч. потенциалом ионизации металлов и паров солей. Результаты этих и других исследований собраны в книге «Химия электрона», которую он написал в 1927 году в соавторстве с двумя своими студентами. Семенов 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 году вместе с известным физиком-теоретиком Яковом Френкелем он разработал всеобъемлющую теорию этих явлений [1, с.65]. 
          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 Семенов 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.

Вскоре после окончания этой работы в 1928 году Семенов был назначен профессором Ленинградского физико-технического института, где он помог организовать физико-механическое отделение, а также ввел обучение физической химии. По его настоянию и с помощью его коллег, заинтересованных в развитии физической химии, лаборатория физики электрона превратилась в 1931 году в Институт химической физики Академии наук СССР, и Семенов стал его первым директором: «В 1931 году был создан под моим руководством новый институт, и я смог его целиком укомплектовать своими учениками. Странно подумать, что в 1920 году, получив приказ организовать лабораторию в Физико-техническом институте, я был один, а всего через десять лет, в 1931 году, у меня уже был коллектив из 50 подготовленных мною хороших, активных ученых!

Так быстро росли кадры во всех лабораториях Физико-технического института, да и во многих других институтах, организованных в стране на рубеже двадцатых годов.

Не надо думать, что наши 25-летние научные руководители тех лет были какими-то неполноценными людьми в науке. Нет, в те годы рост знаний и опыта у представителей талантливой молодежи был поразителен. Все они к этому возрасту имели уже по несколько печатных работ, порою обладавших существенно пионерским значением в масштабе всей мировой науки. На эти работы широко ссылались в своих трудах иностранные ученые. 
В нашей лаборатории были подготовлены основополагающие работы по теории разветвленных химических цепных реакций, теории теплового взрыва, тепловой теории пробоя диэлектриков, теории молекулярных пучков, по первому применению масс-спектроскопии в химии и многие другие».

В 1929 году Семенов был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, а в 1932 году стал академиком.

К этому времени Семенов 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 году, 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 году 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 году 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. Семенов 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 прошествии этого срока стало очевидно, что наш ученый был прав [2, с.43].

В 1934 году Семенов 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 Семенов 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 году, 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.

Служба у Колчака в свете последующих сталинских репрессий, видимо, часто держала Николая Николаевича в напряжении. Он не знал, что в 1937 году в Ленинграде было сфабриковано «университетское» дело о якобы существовавшей «фашистско-террористической организации». В эту организацию вместе с известными физиками (В.А. Фок, Л.Д. Ландау и др.) должен был войти и «заговорщик» Н.Н. Семенов, но, к счастью, ареста не последовало.

В годы войны Семенов, как и многие советские известные ученые, эвакуировался в Казань. Здесь он работает над задачами связанными с вопросами горения и взрыва. В 1943 году ученый переезжает в Москву, куда, согласно постановлению правительства, был переведен Институт химической физики. Институт Семенова принял активное участие в зарождающемся советском атомном проекте.

В конце сороковых годов Николай Николаевич подвергся отвратительной травле, когда группа «негодяев от науки» обвинила его в отсутствии патриотизма, «низкопоклонстве перед иностранщиной», даже в плагиате. Семенова «спасла» от участи Капицы причастность к работам по урану — воистину сработал «урановый щит».

В 1956 году Семенову совместно с Хиншелвудом была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования в области механизма химических реакций». В Нобелевской лекции Семенов 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».

После того как в 1944 году Семенов был назначен профессором МГУ, он продолжал публиковать свои работы по различным проблемам вплоть до восьмидесятых годов. Его объемная работа по окислению паров фосфора не потеряла своей актуальности и сегодня, спустя много лет со дня ее создания. Во время второй мировой войны Институт химической физики переехал в Москву. Многие направления проводимых там исследований непосредственно связаны с первоначальными научными интересами Семенова, хотя теперь они осуществлялись с помощью масс-спектрометрии и квантовой механики.