Реакция Белоусова — Жаботинского

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова — Жаботинского с ферроином

Реакция Белоусова — Жаботинского — класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce3+, Mn2+ и комплексы Fe2+, Ru2+), органическими восстановителями (малоновая кислота, броммалоновая кислота, лимонная кислота, яблочная кислота и др.) и окислителями (броматы, иодаты и др.).

При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. В частности, именно в реакции Белоусова — Жаботинского наблюдался первый экспериментальный странный аттрактор в химических системах и была осуществлена экспериментальная проверка его теоретически предсказанных свойств.

История открытия колебательной реакции Белоусовым Б. П., экспериментальное исследование её и многочисленных аналогов, изучение механизма, математическое моделирование, историческое значение приведены в коллективной монографии[1].

История открытия[править | править вики-текст]

Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова — Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Борис Павлович Белоусов проводил исследования цикла Кребса, пытаясь найти его неорганический аналог. В результате одного из экспериментов в 1951 году, а именно окисления лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce+3, он обнаружил автоколебания. Течение реакции менялось со временем, что проявлялось периодическим изменением цвета раствора от бесцветного (Ce+3) к жёлтому (Ce+4) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора ферроина. Сообщение Белоусова об открытии было встречено в советских научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Статью Белоусова[2] дважды отклоняли в редакциях советских журналов, поэтому опубликовать результаты исследований колебательной реакции он смог только в сокращённом виде спустя 8 лет в ведомственном сборнике, выходившем небольшим тиражом[3]. Впоследствии эта статья стала одной из самых цитируемых в данной области, а реакция получила название реакции Белоусова.

Дальнейшее развитие исследований этой реакции произошло, когда профессор Симон Эльевич Шноль предложил своему аспиранту, в будущем лауреату Ленинской премии Анатолию Марковичу Жаботинскому исследовать механизм реакции. От приглашения проводить совместные исследования Белоусов отказался, хотя выражал удовлетворение тем, что его работа продолжена[4]. Группа Жаботинского провела подробные исследования реакции, включая её различные варианты, а также составила первую математическую модель. Основные результаты были изложены в книге Жаботинского «Концентрационные колебания»[5].

В 1969 году Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов.

Сейчас известно довольно много реакций типа Белоусова — Жаботинского, например, реакция Бриггса — Раушера.

Механизм реакции[править | править вики-текст]

Жаботинский предложил первое объяснение механизма реакции и простую математическую модель, которая была способна демонстрировать колебательное поведение. В дальнейшем описание механизма было расширено и уточнено, экспериментально наблюдаемые динамические режимы, включая хаотические, были теоретически рассчитаны, и показано их соответствие эксперименту. Полный список элементарных стадий реакции очень сложен и составляет почти сотню реакций с десятками веществ и интермедиатов. До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно константы скоростей реакций.

Модель Жаботинского — Корзухина[править | править вики-текст]

Первая модель реакции Белоусова — Жаботинского была получена в 1967 году Жаботинским и Корзухиным на основе подбора эмпирических соотношений, правильно описывающих колебания в системе[6]. В её основе лежала знаменитая консервативная модель Лотки — Вольтерры.

здесь = [Ce4+], C=[Ce4+]0 + [Ce3+]0, — концентрация автокатализатора, = [Br].

Брюсселятор[править | править вики-текст]

Колебательная динамика модели «брюсселятор» и моделирование с её помощью волн

Простейшая модель, предложенная Пригожиным[7], которая имеет колебательную динамику.

I A X
II B + X Y + D
III 2X + Y 3X (автокатализ)
IV X E

V A + B E + D

Орегонатор[править | править вики-текст]

Механизм, предложенный Филдом и Нойесом[8], является одним из простейших и в то же время наиболее популярным в работах, исследующих поведение реакции Белоусова — Жаботинского:

I A + Y X
II X + Y P
III B + X 2 X + Z
IV 2 X Q
V Z f Y

Соответствующая система обыкновенных дифференциальных уравнений:

Эта модель демонстрирует простейшие колебания, похожие на экспериментально наблюдаемые, однако она не способна показывать более сложные типы колебаний, например сложнопериодические и хаотические.

Расширенный орегонатор[править | править вики-текст]

Модель Шоуалтера, Нойеса и Бар-Эли[9] разрабатывалась для моделирования сложнопериодического и хаотического поведения реакции. Однако хаос получить в этой модели не удалось.

1 A + Y X + P
2 X + Y 2 P
3 A + X 2 W
4 C + W X + Z'
5 2 X A + P
6 Z' g Y + C

где — BrO3; — HBrO2; — Br; — Ce3+; ' — Ce4+; — BrO2; — HOBr.

Полный реакционный механизм[править | править вики-текст]

Наиболее полный известный реакционный механизм[10] представляет собой набор 80-ти элементарных реакций.

80-ти стадийный механизм реакции Белоусова-Жаботинского

Графическая схема[править | править вики-текст]

Графическая схема механизма реакции Белоусова-Жаботинского

Значение открытия реакции[править | править вики-текст]

Реакция Белоусова — Жаботинского стала одной из самых известных в науке химических реакций, её исследованиями занимаются множество учёных и групп различных научных дисциплин и направлений во всём мире: математике, химии, физике, биологии. Обнаружены её многочисленные аналоги в разных химических системах (см., например, твердофазный аналог — органический самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Опубликованы тысячи статей и книг, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций. Открытие реакции фактически дало толчок к развитию таких разделов современной науки, как синергетика, теория динамических систем и детерминированного хаоса.

Учитывая значимость выявленных реакций для науки, эта работа была признана как научное открытие и занесена в Государственный реестр открытий СССР под № 174[11].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Колебания и бегущие волны в химических системах. Ред. Р.Филд и М. Бургер. М., «Мир», 1988 /Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc. (Engl)/
  2. Белоусов Б. П. Периодически действующая реакция и её механизм. Сб.: Автоволновые процессы в системах с диффузией. — Горький: Изд-во ГГУ, 1951, с.76
  3. Б. П. Белоусов. Периодически действующая реакция и её механизм. Сборник рефератов по радиационной медицине за 1958 г. -М: Медгиз, 1959 с.145.
  4. [см. ссылку 9, стр. 20]
  5. Жаботинский А. М. «Концентрационные колебания». М.: Наука, 1974, 179 с.
  6. Корзухин М. Д., Жаботинский А. М. Математическое моделирование химических и экологических автоколебательных систем. — М.: Наука, 1965
  7. P. Glandsdorff and I. Prigogine, Thermodynamic theory of structure, stability and fluctuations, Wiley, New York (1971)
  8. R. J. Field & Richard M. Noyes (1974): Oscillations in chemical systems. IV. Limit cycle behavior in a model of a real chemical reaction. J. Chem. Phys. 60:1877-84
  9. K. Showalter, R.M. Noyes, K. Bar-Eli. A Modified Oregonator Model Exhibiting Com-plicated Limit Cycle Behavior in a Flow System. J.Chem.Phys. 1978, 69, 2514—2524
  10. L. Gyorgyi, T. Turanyi, R.J. Field. Mechanistic Details of the Oscillatory Belousov-Zhabotinskii Reaction. J. Phys. Chem. 1990. 94 (18) 7162-7170
  11. Научные открытия России. Научное открытие № 174 «Явление образования концентрационных автоволн в гомогенной активной химической среде».

Ссылки[править | править вики-текст]

  1. Видеодемонстрация процесса
  2. Из истории открытия и изучения автоколебательных процессов в химических системах: к 50-летию открытия реакции Белоусова — Жаботинского
  3. Б. П. Белоусов и его колебательная реакция, журнал «Знание — сила»
  4. Реакционные схемы Белоусова Жаботинского и Бриггса Раушера, дифференциальные уравнения
  5. The Phenomenology of the Belousov-Zhabotinsky Reaction
  6. В. А. Вавилин. Автоколебания в жидкофазных химических системах
  7. А. А. Печенкин. Мировоззренческое значение колебательных химических реакций
  8. Belousov-Zhabotinsky reaction (a Scholarpedia article)
  9. Колебания и бегущие волны в химических системах. Ред. Р.Филд и М. Бургер. М., «Мир», 1988 /Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc. (Engl)/