Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из реакции Белоусова-Жаботинского )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Компьютерное моделирование реакции Белоусова – Жаботинского.
Узоры в чашке Петри

Белоусова-Жаботинского реакция или реакция БЗ , является одним из класса реакций , которые служат в качестве классического примера неравновесной термодинамики , что приводит к созданию нелинейного химического осциллятора . Единственным общим элементом в этих генераторах является включение брома и кислоты. Реакции важны для теоретической химии, поскольку они показывают, что химические реакции не обязательно должны определяться равновесным термодинамическим поведением. Эти реакции далеки от равновесия, остаются таковыми в течение значительного периода времени и развиваются хаотично . [1]В этом смысле они представляют собой интересную химическую модель неравновесных биологических [ требуется разъяснение ] явлений; как таковые, математические модели и моделирование реакций BZ сами по себе представляют теоретический интерес, демонстрируя явление как индуцированный шумом порядок . [2]

Участок электродного потенциала реакции BZ, используя серебряные электроды против Ag / AgNO 3 полуэлемента

Существенным аспектом реакции БЖ является ее так называемая «возбудимость»; под влиянием стимулов паттерны развиваются в том, что в противном случае было бы совершенно неподвижной средой. Некоторые часовые реакции, такие как Бриггс-Раушер и Б.З. с использованием хлорида трис (бипиридин) рутения (II) в качестве катализатора, могут быть возбуждены в самоорганизующуюся активность под действием света.

История [ править ]

Перемешиваемая реакционная смесь BZ показывает изменение цвета с течением времени.

Открытие явления приписывают Борису Белоусову . В 1951 году, пытаясь найти неорганический аналог цикла Кребса , он заметил, что в смеси бромата калия , сульфата церия (IV) , малоновой кислоты и лимонной кислоты в разбавленной серной кислоте соотношение концентраций Ионы церия (IV) и церия (III) колебались, в результате чего цвет раствора колебался между желтым и бесцветным. Это происходит из-за того, что ионы церия (IV) восстанавливаются малоновой кислотой до ионов церия (III), которые затем окисляются обратно до ионов церия (IV) ионами бромата (V).

Белоусов предпринял две попытки опубликовать свое открытие, но ему было отказано на том основании, что он не мог объяснить свои результаты к удовлетворению редакторов журналов, в которые он отправлял свои результаты. [3] Советский биохимик Симон Эльевич Шнолль призвал Белоусова продолжить свои усилия по публикации своих результатов. В 1959 году его работа была наконец опубликована в менее респектабельном, нерецензируемом журнале. [4]

После публикации Белоусова Шнолль передал проект в 1961 году аспиранту Анатолию Жаботинскому , который подробно исследовал последовательность реакций; [5] однако результаты работы этих людей все еще не получили широкого распространения и не были известны на Западе до конференции в Праге в 1968 году.

Ряд коктейлей BZ доступен в химической литературе и в Интернете. Ферроин , А комплекс из фенантролина и железа , является общим показателем . Эти реакции, если их проводить в чашках Петри , приводят к образованию сначала цветных пятен. Эти пятна превращаются в серию расширяющихся концентрических колец или, возможно, расширяющихся спиралей, похожих на паттерны, генерируемые циклическим клеточным автоматом . Цвета исчезают, если посуду встряхивать, а затем снова появляются. Волны продолжаются до тех пор, пока не израсходуются реагенты. Реакцию также можно проводить в химическом стакане с помощью магнитной мешалки .

Эндрю Адамацки , [6] компьютерный ученый в Университете Западной Англии , сообщили о жидких логических элементов с использованием реакции БЖ. [7]

Поразительно похожие колебательные спиральные паттерны появляются повсюду в природе, в очень разных пространственных и временных масштабах, например, паттерн роста Dictyostelium discoideum , колонии амеб, обитающей в почве . [8] В реакции BZ размер взаимодействующих элементов является молекулярным, а время реакции составляет минуты. В случае почвенной амебы размер элементов типичен для одноклеточных организмов, а время составляет от нескольких дней до нескольких лет.

Исследователи также изучают возможность создания «мокрого компьютера», используя самосоздающиеся «клетки» и другие методы для имитации определенных свойств нейронов . [9]

Химический механизм [ править ]

Механизм этой реакции очень сложен и, как считается, включает около 18 различных этапов, которые были предметом ряда исследовательских работ. [10] [11]

Подобно реакции Бриггса – Раушера , происходят два ключевых процесса (оба являются автокаталитическими ); процесс A генерирует молекулярный бром, придающий красную окраску, а процесс B потребляет бром с образованием ионов бромида. [12]

Один из наиболее распространенных вариантов этой реакции использует малоновую кислоту (CH 2 (CO 2 H) 2 ) в качестве кислоты и бромат калия (KBrO 3 ) в качестве источника брома. Общее уравнение выглядит так: [12]

3 CH 2 (CO 2 H) 2 + 4 BrO-
3→ 4 Br - + 9 CO 2 + 6 H 2 O

Варианты [ править ]

Существует множество вариантов реакции. Единственным ключевым химическим веществом является окислитель бромата. Ионом катализатора чаще всего является церий, но это также может быть марганец или комплексы железа, рутения, кобальта, меди, хрома, серебра, никеля и осмия. Можно использовать множество различных восстановителей. (Жаботинский, 1964б; Филд и Бургер, 1985) [13]

Когда реакцию проводят в микроэмульсии, можно наблюдать множество различных закономерностей .

См. Также [ править ]

  • Автоволна
  • Автоволновый ревербератор
  • Реакция Бриггса – Раушера
  • Рассеивание
  • Возбудимая среда
  • Порядок, вызванный шумом
  • Узоры в природе
  • Реакция – диффузия
  • Автоколебание
  • Самоорганизация
  • Алан Тьюринг , математически предсказавший осциллирующие химические реакции в начале 1950-х годов.
  • Брюсселятор
  • Орегонатор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хадсон, JL; Манкин, JC (1981). «Хаос в реакции Белоусова – Жаботинского». J. Chem. Phys . 74 (11): 6171–6177. DOI : 10.1063 / 1.441007 .
  2. ^ Мацумото, К .; Цуда, И. (1983). «Шумовой порядок». J Stat Phys . 31 (1): 87–106. DOI : 10.1007 / BF01010923 . S2CID 189855973 . 
  3. ^ Уинфри, AT (1984). «Предыстория осциллятора Белоусова-Жаботинского». Журнал химического образования . 61 (8): 661–663. Bibcode : 1984JChEd..61..661W . DOI : 10.1021 / ed061p661 .
  4. ↑ Б.П. Белоусов (1959). "Периодически действующая реакция и ее механизм" [Периодически действующая реакция и ее механизм]. Сборник рефератов по радиационной медицине . 147 : 145.
  5. ↑ AM Жаботинский (1964). "Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе". Биофизика . 9 : 306–311.
  6. ^ "Энди Адамацки" . Университет Западной Англии, Бристоль. Архивировано из оригинала на 2019-04-12 . Проверено 23 октября 2006 .
  7. ^ Motoike, Ikuko N .; Адамацки, Эндрю (2005). «Трехзначные логические ворота в реакционно-диффузионных возбудимых средах». Хаос, солитоны и фракталы . 24 (1): 107–14. Bibcode : 2005CSF .... 24..107M . DOI : 10.1016 / j.chaos.2004.07.021 .
  8. ^ "Картинная галерея" . Кафедра биофизики Магдебургского университета Отто фон Герике.
  9. ^ Палмер, Дж. (11 января 2010 г.). «Химический компьютер, который имитирует создаваемые нейроны» . BBC (Новости науки) .
  10. ^ Филд, Ричард Дж .; Ферстерлинг, Хорст Дитер (1986). «О константах скорости химии оксибромина с ионами церия в механизме Филда-Кёрёша-Нойеса реакции Белоусова-Жаботинского: равновесие HBrO 2 + BrO 3 - + H + → 2 BrO 2 • + H 2 O». Журнал физической химии . 90 (21): 5400–7. DOI : 10.1021 / j100412a101 .
  11. ^ Сиримунгкала, Атчара; Ферстерлинг, Хорст-Дитер; Дласк, Владимир; Филд, Ричард Дж. (1999). «Реакции бромирования, важные в механизме системы Белоусова-Жаботинского». Журнал физической химии . 103 (8): 1038–43. Bibcode : 1999JPCA..103.1038S . DOI : 10.1021 / jp9825213 .
  12. ^ a b Листер, Тед (1995). Демонстрации классической химии (PDF) . Лондон: Отдел образования Королевского химического общества. С. 3–4. ISBN  978-1-870343-38-1. Архивировано из оригинального (PDF) 16 августа 2014 года. CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  13. ↑ Жаботинский, Анатолий (2007). «Реакция Белоусова-Жаботинского» . Scholarpedia . 2 (9): 1435. DOI : 10,4249 / scholarpedia.1435 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Строгац, С. (2003). SYNC, развивающаяся наука о спонтанном порядке . Гиперион. С. 212–216, 219. ISBN 0-7868-6844-9.
  • Пабиан, РК; Зариньш, А. Полосатые агаты, происхождение и включения . Учебный циркуляр. 12 . Университет Небраски-Линкольн.
  • Ичино, Т .; Asahi, T .; Kitahata, H .; Магоме, Н .; Агладзе, К .; Йошикава, К. (2008). «Микрофрахт, доставленный химическими волнами». Журнал физической химии C . 112 (8): 3032–5. DOI : 10.1021 / jp7097922 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Интерактивный научный эксперимент, демонстрирующий реакцию BZ (A-Level) [ постоянная мертвая ссылка ]
  • Обзорная статья по математике реакции БЖ
  • Статья в Scholarpedia о реакции Белоусова-Жаботинского
  • Реакция Белоусова – Жаботинского.
  • Реакция Белоусова-Жаботинского
  • Феноменология реакции Белоусова – Жаботинского с иллюстрациями
  • БЖ реакция и объяснение в Периодической таблице видео
  • Реакция Белоусова – Жаботинского (файл PDF)
  • «Бумажный груз поднимается на поверхность химических волн» - колеблющиеся химические волны, вызванные реакциями BZ, могут перемещать небольшие объекты, New Scientist , 18 февраля 2008 г.
  • Домашняя страница Анатолия Михайловича Жаботинского
  • Моделирование реакций Белоусова-Жаботинского в Pixel Bender . Моделирование реакции Белоусова-Жаботинского внутри Flash Player.