Belousov-Zhabotinsky-reaktio

Belousov-Zhabotinsky-reaktio on luokka kemiallisia reaktioita , jotka etenevät värähtelevässä tilassa, jossa jotkin reaktioparametrit (väri, komponenttien pitoisuus, lämpötila jne.) muuttuvat ajoittain muodostaen monimutkaisen reaktioväliaineen tila-ajallisen rakenteen.

Tällä hetkellä tämä nimi yhdistää kokonaisen luokan toisiinsa liittyviä kemiallisia järjestelmiä, jotka ovat samanlaisia mekanismiltaan, mutta eroavat käytetyistä katalyyteistä (Ce 3+ , Mn 2+ ja Fe 2+ , Ru 2+ -kompleksit ), orgaanisista pelkistysaineista ( malonihappo , bromimalonihappoa , sitruunahappoa , omenahappoa jne.) ja hapettimia (bromaatteja, jodaatteja jne.).

Tietyissä olosuhteissa nämä järjestelmät voivat osoittaa erittäin monimutkaisia käyttäytymismuotoja säännöllisistä jaksollisista värähtelyistä kaoottisiin värähtelyihin, ja ne ovat tärkeä tutkimuskohde epälineaaristen järjestelmien universaaleissa laeissa. Erityisesti Belousov-Zhabotinsky-reaktiossa havaittiin ensimmäinen kokeellinen outo attraktori kemiallisissa järjestelmissä ja sen teoreettisesti ennustetut ominaisuudet vahvistettiin kokeellisesti.

B. P. Belousovin värähtelyreaktion löytämisen historia, sen ja lukuisten analogien kokeellinen tutkimus, mekanismin tutkimus, matemaattinen mallintaminen, historiallinen merkitys esitetään kollektiivisessa monografiassa [1] .

Löytöhistoria

Boris Pavlovich Belousov suoritti tutkimusta Krebsin syklistä yrittäen löytää sen epäorgaanisen vastineen. Erään vuoden 1951 kokeen, nimittäin sitruunahapon hapetuksen kaliumbromaatilla happamassa väliaineessa katalyytin - serium -ionien Ce +3 läsnä ollessa , seurauksena hän havaitsi itsevärähtelyjä . Reaktion kulku muuttui ajan myötä, mikä ilmeni liuoksen värin ajoittain muuttuneena värittömästä (Ce +3 ) keltaiseksi (Ce +4 ) ja takaisin. Vaikutus on vieläkin selkeämpi ferroiiniindikaattorin läsnä ollessa . Belousovin viesti löydöstä otettiin vastaan skeptisesti Neuvostoliiton tiedepiireissä, koska uskottiin, että itsevärähtelyt kemiallisissa järjestelmissä olivat mahdottomia. Belousovin artikkeli [2] hylättiin kahdesti Neuvostoliiton lehtien toimituksissa, joten hän pystyi julkaisemaan värähtelevän vasteen tutkimustulokset vain lyhennetyssä muodossa 8 vuotta myöhemmin osaston kokoelmassa, joka julkaistiin pienessä levikkeessä [ 3] . Myöhemmin tästä artikkelista tuli yksi tämän alan siteeratuimmista, ja reaktiota kutsuttiin Belousovin reaktioksi.

Tämän reaktion tutkimusta kehitettiin edelleen, kun professori Simon Elevich Shnol ehdotti jatko-opiskelijalleen, tulevalle Lenin-palkinnon voittajalle Anatoli Markovich Zhabotinskylle , tutkimaan reaktion mekanismia. Belousov kieltäytyi kutsusta tehdä yhteistä tutkimusta, vaikka hän ilmaisikin tyytyväisyytensä työnsä jatkamiseen [4] . Zhabotinsky suoritti yksityiskohtaisia tutkimuksia reaktiosta, mukaan lukien sen eri muunnelmat, ja myös kokosi ensimmäisen matemaattisen mallinsa (1964) [5] . Tärkeimmät tulokset esiteltiin Zhabotinskyn kirjassa "Concentration Oscillations" [6] [7] .

Vuonna 1969 Zhabotinsky ja kollegat havaitsivat, että jos reagoiva seos laitetaan ohueen tasaiseen kerrokseen, siihen ilmestyy pitoisuusmuutoksia, jotka näkyvät paljaalla silmällä indikaattoreiden läsnä ollessa.

Nykyään tunnetaan melko vähän Belousov-Zhabotinsky-tyyppisiä reaktioita, esimerkiksi Briggs-Rauscher-reaktio .

Reaktiomekanismi

Jabotinsky tarjosi ensimmäisen selityksen reaktiomekanismista ja yksinkertaisen matemaattisen mallin , joka kykeni osoittamaan värähtelevää käyttäytymistä. Myöhemmin mekanismin kuvausta laajennettiin ja tarkennettiin, kokeellisesti havaitut dynaamiset tilat, mukaan lukien kaoottiset, laskettiin teoreettisesti ja osoitettiin niiden yhteensopivuus kokeen kanssa. Täydellinen luettelo alkuainereaktiovaiheista on hyvin monimutkainen ja sisältää lähes sata reaktiota kymmenien aineiden ja välituotteiden kanssa . Toistaiseksi yksityiskohtainen mekanismi on tuntematon, varsinkin reaktionopeusvakiot .

Zhabotinsky-Korzukhinin malli

Ensimmäisen Belousov-Zhabotinsky-reaktion mallin saivat Zhabotinsky ja Korzukhin vuonna 1967 empiiristen suhteiden valinnan perusteella, jotka kuvaavat oikein järjestelmän värähtelyjä [8] . Se perustui kuuluisaan konservatiiviseen Lotka-Volterra-malliin .

\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}

tässä = [Ce 4+ ], C=[Ce 4+ ] 0 + [Ce 3+ ] 0 , on autokatalyytin pitoisuus, = [Br − ]. $X_{2}$ $X_{1}$ $X_3$

Brusselsator

Yksinkertaisin Prigoginen [9] ehdottama malli , jolla on värähtelydynamiikka.

minä	A	→	X
II	B+X	→	Y+D
III	2X+Y	→	3X	(autokatalyysi)
IV	X	→	E

V	A+B	→	E+D

Oregonator

Fieldin ja Noyesin [10] ehdottama mekanismi on yksi yksinkertaisimmista ja samalla suosituimmista Belousov-Zhabotinsky-reaktion käyttäytymistä tutkivissa teoksissa:

minä	A+Y	$\longrightnuoli$	X
II	X+Y	$\longrightnuoli$	P
III	B+X	$\longrightnuoli$	2X+Z
IV	2 X	$\longrightnuoli$	K
V	Z	$\longrightnuoli$	fY

Vastaava tavallinen differentiaaliyhtälöjärjestelmä on:

\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]

Tämä malli osoittaa yksinkertaisimmat värähtelyt, jotka ovat samanlaisia kuin kokeellisesti havaitut, mutta se ei pysty näyttämään monimutkaisempia värähtelytyyppejä, kuten monimutkaisia jaksollisia ja kaoottisia.

Extended Oregonator

Showalter-, Noyes- ja Bar-Ely-malli [11] kehitettiin simuloimaan reaktion monimutkaista jaksoittaista ja kaoottista käyttäytymistä. Kaaosta ei kuitenkaan saatu tähän malliin.

yksi	A+Y	$\vasen oikea nuoli$	X+P
2	X+Y	$\vasen oikea nuoli$	2P
3	A+X	$\vasen oikea nuoli$	2W
neljä	C+W	$\vasen oikea nuoli$	X+Z'
5	2 X	$\vasen oikea nuoli$	A+P
6	Z'	$\nuoli oikealle$	g Y + C

jossa - Br03- ; _ - HBr02 ; - Br- ; - Ce3 + ; '-Ce4 + ; - Br02 ; _ — HOBR. $A$ $X$ $Y$ $C$ $Z$ $W$ $P$

Täysi reaktiomekanismi

Täydellisin tunnettu reaktiomekanismi [12] on 80 alkuainereaktion sarja.

Graafinen kaavio

Reaktion löydön merkitys

Belousov-Zhabotinsky-reaktiosta on tullut yksi tieteen tunnetuimmista kemiallisista reaktioista, sen tutkimukseen osallistuvat monet tutkijat ja eri tieteenalojen ja alueiden ryhmät ympäri maailmaa: matematiikka , kemia , fysiikka , biologia . Sen lukuisia analogeja on löydetty erilaisista kemiallisista systeemeistä (katso esimerkiksi kiinteäfaasinen analogi - orgaaninen itsestään lisääntyvä korkean lämpötilan synteesi ). Tuhansia artikkeleita ja kirjoja on julkaistu, useita kandidaatteja ja väitöskirjoja on puolustanut. Reaktion löytäminen itse asiassa antoi sysäyksen sellaisille modernin tieteen osille kuin synergia , dynaamisten järjestelmien teoria ja deterministinen kaaos .

Kun otetaan huomioon tunnistettujen reaktioiden merkitys tieteelle, tämä työ tunnustettiin tieteelliseksi löydökseksi ja kirjattiin Neuvostoliiton valtion löytörekisteriin numerolla 174 [13] .

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Värähtelyt ja liikkuvat aallot kemiallisissa järjestelmissä. Ed. R. Field ja M. Burger. - M., Mir, 1988 / Värähtelyt ja liikkuvat aallot kemiallisissa järjestelmissä. Ed. RJField ja M.Burger. 1985, kirjoittanut John Wiley and Sons, Inc. (Englanti)/
↑ Belousov B.P. Jaksottaisesti vaikuttava reaktio ja sen mekanismi. la: Autowave-prosessit diffuusiojärjestelmissä / Ed. M. T. Grekhovoi (vastaava toimittaja), - Gorki: Neuvostoliiton tiedeakatemian sovelletun fysiikan instituutti, 1981. - 287 s. - s.76
↑ B. P. Belousov. Jaksottaisesti vaikuttava reaktio ja sen mekanismi. Kokoelma tiivistelmiä säteilylääketieteestä vuodelle 1958 - M: Medgiz, 1959 s. 145.
↑ R. Field, M. Burger, 1988 , s. kaksikymmentä.
↑ A. M. Zhabotinsky (1964). Malonihappoliuoksen erähapetusprosessi. Biofysiikka. 9:306-311.
↑ Zhabotinsky A. M. "Pittymisvaihtelut". Arkistokopio päivätty 15. kesäkuuta 2006 Wayback Machinessa M .: Nauka, 1974, 179 s.
↑ Zaikin AN , Zhabotinsky AM Keskittymisaallon eteneminen kaksiulotteisessa nestefaasissa itsevärähtelevässä järjestelmässä // Nature : Journal. - 1970. - T. 225 . - S. 535-537 .
↑ Korzukhin M. D., Zhabotinsky A. M. Kemiallisten ja ekologisten itsevärähtelevien järjestelmien matemaattinen mallintaminen. - M.: Nauka, 1965
↑ P. Glandsdorff ja I. Prigogine, Thermodynamic theory of structure, stability and fluktuations, Wiley, New York (1971)
↑ RJ Field & Richard M. Noyes (1974): Värähtelyt kemiallisissa järjestelmissä. IV. Rajoita syklin käyttäytymistä todellisen kemiallisen reaktion mallissa. J. Chem. Phys. 60:1877-84
↑ K. Showalter, R.M. Noyes, K. Bar-Eli. Muokattu Oregonator-malli, jolla on monimutkainen rajasyklikäyttäytyminen virtausjärjestelmässä. J. Chem. Phys. 1978, 69, 2514-2524
↑ L. Gyorgyi, T. Turanyi, RJ Field. Oskillatorisen Belousov-Zhabotinski-reaktion mekaaniset yksityiskohdat. J Phys. Chem. 1990. 94 (18) 7162-7170
↑ Tieteelliset löydöt Venäjällä. Tieteellinen löytö nro 174 "Ilmiö keskittymisautoaaltojen muodostumisesta homogeenisessa aktiivisessa kemiallisessa väliaineessa."

Linkit

Itsevärähtelevien prosessien löytämisen ja tutkimuksen historiasta kemiallisissa järjestelmissä: Belousov-Zhabotinsky-reaktion löytämisen 50-vuotispäivään
B. P. Belousov ja hänen värähtelevä reaktio , aikakauslehti "Tieto on valtaa"
Belousov Zhabotinskyn ja Briggs Rauscherin reaktiokaaviot Arkistoitu 4. huhtikuuta 2008 Wayback Machinessa , differentiaaliyhtälöt
Belousov-Zhabotinsky-reaktion fenomenologia
V. A. Vavilin. Itsevärähtelyt nestefaasikemiallisissa järjestelmissä
A. A. Pechenkin. Värähtelevien kemiallisten reaktioiden ideologinen merkitys (pääsemätön linkki)
Belousov-Zhabotinsky-reaktio (Scholarpedian artikkeli)
Värähtelyt ja liikkuvat aallot kemiallisissa järjestelmissä. / R. Field, M. Burger .. - M. : Mir, 1988.