Belousov-Zhabotinsky reaktion

Belousov-Zhabotinsky-reaktionen er en klasse af kemiske reaktioner , der forløber i en oscillerende tilstand, hvor nogle reaktionsparametre (farve, koncentration af komponenter, temperatur osv.) ændres periodisk, hvilket danner en kompleks rumlig-temporal struktur af reaktionsmediet.

I øjeblikket kombinerer dette navn en hel klasse af beslægtede kemiske systemer, der ligner hinanden i mekanisme, men adskiller sig i de anvendte katalysatorer (Ce 3+ , Mn 2+ og Fe 2+ , Ru 2+ komplekser ), organiske reduktionsmidler ( malonsyre , bromomalonsyre , citronsyre , æblesyre osv.) og oxidationsmidler (bromater, iodater osv.).

Under visse forhold kan disse systemer demonstrere meget komplekse former for adfærd fra regelmæssige periodiske til kaotiske svingninger og er et vigtigt objekt for undersøgelse af de universelle love for ikke-lineære systemer. Især var det i Belousov-Zhabotinsky-reaktionen, at den første eksperimentelle mærkelige attraktor i kemiske systemer blev observeret, og dens teoretisk forudsagte egenskaber blev eksperimentelt verificeret.

Historien om opdagelsen af den oscillerende reaktion af B. P. Belousov, eksperimentel undersøgelse af den og talrige analoger, undersøgelse af mekanismen, matematisk modellering, historisk betydning er givet i den kollektive monografi [1] .

Opdagelseshistorie

Boris Pavlovich Belousov forskede i Krebs-cyklussen og forsøgte at finde dens uorganiske modstykke. Som et resultat af et af eksperimenterne i 1951, nemlig oxidationen af citronsyre med kaliumbromat i et surt medium i nærværelse af en katalysator - ceriumioner Ce +3 , opdagede han selvsvingninger . Reaktionsforløbet ændrede sig med tiden, hvilket viste sig ved en periodisk ændring i opløsningens farve fra farveløs (Ce +3 ) til gul (Ce +4 ) og tilbage. Effekten er endnu mere mærkbar i nærvær af ferroinindikatoren . Belousovs besked om opdagelsen blev mødt med skepsis i sovjetiske videnskabelige kredse, da man mente, at selvsvingninger i kemiske systemer var umulige. Belousovs artikel [2] blev afvist to gange i de sovjetiske tidsskrifters redaktioner, så han var i stand til kun at offentliggøre resultaterne af undersøgelser af den oscillerende respons i en forkortet form 8 år senere i en afdelingssamling, der blev offentliggjort i et lille oplag [ 3] . Efterfølgende blev denne artikel en af de mest citerede på dette område, og reaktionen blev kaldt Belousov-reaktionen.

Yderligere udvikling af forskning i denne reaktion skete, da professor Simon Elevich Shnol foreslog sin kandidatstuderende, den fremtidige Lenin-prisvinder Anatoly Markovich Zhabotinsky , at undersøge reaktionens mekanisme. Belousov afslog invitationen til at udføre fælles forskning, selvom han udtrykte tilfredshed med, at hans arbejde blev videreført [4] . Zhabotinsky udførte detaljerede undersøgelser af reaktionen, herunder dens forskellige varianter, og kompilerede også dens første matematiske model (1964) [5] . Hovedresultaterne blev præsenteret i Zhabotinskys bog "Concentration Oscillations" [6] [7] .

I 1969 opdagede Zhabotinsky og kolleger, at hvis en reagerende blanding placeres i et tyndt fladt lag, opstår der koncentrationsændringer i det, som er synlige for det blotte øje i nærvær af indikatorer.

En hel del reaktioner af Belousov-Zhabotinsky-typen er nu kendt, for eksempel Briggs-Rauscher-reaktionen .

Reaktionsmekanisme

Jabotinsky tilbød den første forklaring på reaktionsmekanismen og en simpel matematisk model , der var i stand til at udvise oscillerende adfærd. Efterfølgende blev beskrivelsen af mekanismen udvidet og forfinet, de eksperimentelt observerede dynamiske regimer, herunder kaotiske, blev teoretisk beregnet, og deres overensstemmelse med eksperimentet blev vist. Den komplette liste over elementære reaktionstrin er meget kompliceret og beløber sig til næsten hundrede reaktioner med snesevis af stoffer og mellemprodukter . Indtil nu er den detaljerede mekanisme ukendt, især reaktionshastighedskonstanterne .

Zhabotinsky-Korzukhin-modellen

Den første model af Belousov-Zhabotinsky-reaktionen blev opnået i 1967 af Zhabotinsky og Korzukhin på basis af udvælgelsen af empiriske sammenhænge, der korrekt beskriver oscillationer i systemet [8] . Den var baseret på den berømte konservative Lotka-Volterra-model .

\frac{d X_1}{dt} = k_1 X_1 (C - X_2) - k_0 X_1 X_3

\frac{d X_2}{dt} = k_1 X_1 (C - X_2) - k_2 X_2

{\frac {dX_{3}}{dt}}=k_{2}X_{2}-k_{3}X_{3}

her = [Ce 4+ ], C=[Ce 4+ ] 0 + [Ce 3+ ] 0 , er autokatalysatorkoncentrationen, = [Br − ]. $X_{2}$ $X_{1}$ $X_3$

Brusselsator

Den enkleste model foreslået af Prigogine [9] , som har oscillerende dynamik.

jeg	EN	→	x
II	B+X	→	Y+D
III	2X+Y	→	3X	(autokatalyse)
IV	x	→	E

V	A+B	→	E+D

Oregonator

Mekanismen foreslået af Field og Noyes [10] er en af de enkleste og på samme tid den mest populære i værker, der studerer adfærden af Belousov-Zhabotinsky-reaktionen:

jeg	A+Y	$\lang højrepil$	x
II	X+Y	$\lang højrepil$	P
III	B+X	$\lang højrepil$	2X+Z
IV	2 X	$\lang højrepil$	Q
V	Z	$\lang højrepil$	f Y

Det tilsvarende system af almindelige differentialligninger er:

\frac{d [X]}{dt}= k_I [A] [Y] - k_{II} [X] [Y] + k_{III} [B] [X] - k_{IV} [X]^ 2

\frac{d [Y]}{dt}= -k_I [A] [Y] - k_{II} [X] [Y] + f k_V [Z]

\frac{d[Z]}{dt}= k_{III}[B][X] - k_V[Z]

Denne model demonstrerer de enkleste svingninger, der ligner dem, der er observeret eksperimentelt, men den er ikke i stand til at vise mere komplekse typer af svingninger, såsom komplekse periodiske og kaotiske.

Udvidet Oregonator

Showalter, Noyes og Bar-Ely modellen [11] blev udviklet til at simulere reaktionens komplekse periodiske og kaotiske adfærd. Kaos kunne dog ikke opnås i denne model.

en	A+Y	$\venstrehøjrepil$	X+P
2	X+Y	$\venstrehøjrepil$	2P
3	A+X	$\venstrehøjrepil$	2W
fire	C+W	$\venstrehøjrepil$	X+Z'
5	2 X	$\venstrehøjrepil$	A+P
6	Z'	$\højre pil$	g Y + C

hvor - Br03- ; _ - HBr02 ; - Br - ; - Ce3 + ; '-Ce 4+ ; - BrO 2 • ; — HOBR. $EN$ $x$ $Y$ $C$ $Z$ $W$ $P$

Fuld reaktionsmekanisme

Den mest komplette kendte reaktionsmekanisme [12] er et sæt af 80 elementære reaktioner.

Grafisk skema

Betydningen af opdagelsen af reaktionen

Belousov-Zhabotinsky-reaktionen er blevet en af de mest berømte kemiske reaktioner i videnskaben, mange videnskabsmænd og grupper af forskellige videnskabelige discipliner og områder rundt om i verden er engageret i sin forskning: matematik , kemi , fysik , biologi . Talrige analoger af det er blevet fundet i forskellige kemiske systemer (se f.eks. en fastfase-analog - organisk selvformerende højtemperatursyntese ). Der er udgivet tusindvis af artikler og bøger, mange kandidat- og doktorafhandlinger er blevet forsvaret. Opdagelsen af reaktionen gav faktisk skub til udviklingen af sådanne dele af moderne videnskab som synergetik , teorien om dynamiske systemer og deterministisk kaos .

I betragtning af betydningen af de identificerede reaktioner for videnskaben, blev dette arbejde anerkendt som en videnskabelig opdagelse og opført i USSR's statsregistr over opdagelser under nr. 174 [13] .

Se også

Noter

↑ Oscillationer og vandrende bølger i kemiske systemer. Ed. R. Field og M. Burger. - M., Mir, 1988 / Oscillationer og vandrende bølger i kemiske systemer. Ed. af RJField og M.Burger. 1985 af John Wiley and Sons, Inc. (Engelsk)/
↑ Belousov B.P. Periodisk virkende reaktion og dens mekanisme. Lør: Autowave processer i systemer med diffusion / Udg. M. T. Grekhovoi (ansvarlig redaktør), - Gorky: Institut for Anvendt Fysik ved Akademiet for Videnskaber i USSR, 1981. - 287 s. - s.76
↑ B. P. Belousov. Periodisk virkende reaktion og dens mekanisme. Samling af abstracts om strålemedicin for 1958 - M: Medgiz, 1959 s.145.
↑ R. Field, M. Burger, 1988 , s. tyve.
↑ A. M. Zhabotinsky (1964). Batch-oxidationsproces af malonsyreopløsning. Biofysik. 9:306-311.
↑ Zhabotinsky A. M. "Koncentrationssvingninger". Arkivkopi dateret 15. juni 2006 på Wayback Machine M .: Nauka, 1974, 179 s.
↑ Zaikin AN , Zhabotinsky AM Koncentrationsbølgeudbredelse i todimensionelt væskefase selvoscillerende system // Nature : journal. - 1970. - T. 225 . - S. 535-537 .
↑ Korzukhin M. D., Zhabotinsky A. M. Matematisk modellering af kemiske og økologiske selvoscillerende systemer. — M.: Nauka, 1965
↑ P. Glandsdorff og I. Prigogine, Termodynamisk teori om struktur, stabilitet og fluktuationer, Wiley, New York (1971)
↑ RJ Field & Richard M. Noyes (1974): Oscillations in chemical systems. IV. Begræns cyklusadfærd i en model af en rigtig kemisk reaktion. J. Chem. Phys. 60:1877-84
↑ K. Showalter, R.M. Noyes, K. Bar-Eli. En modificeret Oregonator-model, der udviser kompliceret grænsecyklusadfærd i et flowsystem. J.Chem.Phys. 1978, 69, 2514-2524
↑ L. Gyorgyi, T. Turanyi, RJ Field. Mekanistiske detaljer om den oscillerende Belousov-Zhabotinskii reaktion. J Phys. Chem. 1990. 94 (18) 7162-7170
↑ Videnskabelige opdagelser i Rusland. Videnskabelig opdagelse nr. 174 "Fænomenet med dannelsen af koncentrationsautobølger i et homogent aktivt kemisk medium."