Belousov-Zhabotinsky reakció

A Belousov-Zhabotinsky reakció az oszcillációs módban lezajló kémiai reakciók osztálya , amelyben bizonyos reakcióparaméterek (szín, komponensek koncentrációja, hőmérséklet stb.) periodikusan változnak, és a reakcióközeg összetett tér-időbeli szerkezetét alkotják.

Jelenleg ez a név a rokon kémiai rendszerek egész osztályát egyesíti, amelyek mechanizmusukban hasonlóak, de különböznek a felhasznált katalizátorokban (Ce 3+ , Mn 2+ és Fe 2+ , Ru 2+ komplexek ), szerves redukálószerekben ( malonsav , bróm-malonsav , citromsav , almasav stb.) és oxidálószerek (bromátok, jodátok stb.).

Bizonyos körülmények között ezek a rendszerek nagyon összetett viselkedésformákat mutathatnak be a szabályos periodikustól a kaotikus oszcillációig, és fontos tárgyai a nemlineáris rendszerek egyetemes törvényeinek tanulmányozásának. Különösen a Belousov-Zhabotinsky reakcióban figyelték meg az első kísérleti furcsa attraktort a kémiai rendszerekben, és ennek elméletileg megjósolt tulajdonságait kísérletileg igazolták.

Az oszcillációs reakció B. P. Belousov felfedezésének történetét, kísérleti tanulmányozását és számos analógját, a mechanizmus tanulmányozását, a matematikai modellezést, a történelmi jelentőségét a kollektív monográfia tartalmazza [1] .

Felfedezési előzmények

Borisz Pavlovics Belousov kutatást végzett a Krebs-ciklusról , megpróbálva megtalálni annak szervetlen megfelelőjét. Az egyik kísérlet eredményeként 1951-ben, nevezetesen a citromsav kálium-bromáttal savas közegben, katalizátor - cériumionok Ce +3 jelenlétében végzett oxidációjával - önoszcillációkat fedezett fel . A reakció lefolyása idővel változott, ami az oldat színének periodikus változásában nyilvánult meg színtelenről (Ce +3 ) sárgára (Ce +4 ) és vissza. A hatás még észrevehetőbb a ferroinindikátor jelenlétében . Belousovnak a felfedezéssel kapcsolatos üzenetét a szovjet tudományos körök szkepticizmussal fogadták, mivel azt hitték, hogy a kémiai rendszerekben az önrezgés lehetetlen. Belousov cikkét [2] kétszer is elutasították a szovjet folyóiratok szerkesztőségeiben, így az oszcillációs válaszreakció tanulmányozásának eredményeit csak 8 évvel később, egy kis példányszámban megjelent tanszéki gyűjteményben tudta közölni rövidített formában [ 3] . Később ez a cikk lett az egyik legtöbbet idézett ezen a területen, és a reakciót Belousov-reakciónak nevezték.

Ennek a reakciónak a kutatása tovább fejlődött, amikor Simon Elevich Shnol professzor azt javasolta végzős hallgatójának, a leendő Lenin-díjas Anatolij Markovics Zsabotinszkijnak , hogy vizsgálja meg a reakció mechanizmusát. Belousov visszautasította a közös kutatásra való felkérést, bár elégedettségét fejezte ki azzal kapcsolatban, hogy munkáját folytatják [4] . Zhabotinsky részletes vizsgálatokat végzett a reakcióról, beleértve annak különféle változatait, és összeállította első matematikai modelljét is (1964) [5] . A fő eredményeket Zhabotinsky "Koncentrációs oszcillációk" [6] [7] című könyvében mutatta be .

1969 -ben Zhabotinsky és munkatársai felfedezték, hogy ha egy reagáló keveréket vékony lapos rétegbe helyeznek, akkor koncentrációváltozások jelennek meg benne, amelyek indikátorok jelenlétében szabad szemmel is láthatóak.

Jó néhány Belousov-Zhabotinsky típusú reakció ismert, például a Briggs-Rauscher reakció .

Reakció mechanizmus

Jabotinsky felajánlotta a reakciómechanizmus első magyarázatát és egy egyszerű matematikai modellt , amely képes volt oszcilláló viselkedést mutatni. Ezt követően a mechanizmus leírását kibővítettük és finomítottuk, a kísérletileg megfigyelt dinamikus rezsimeket, beleértve a kaotikusakat is, elméletileg kiszámítottuk, és megmutattuk a kísérlettel való egyezésüket. Az elemi reakciólépések teljes listája nagyon bonyolult, és csaknem száz reakciót tesz ki több tucat anyaggal és intermedierrel . Ez idáig a részletes mechanizmus nem ismert, különösen a reakciósebesség -állandók .

A Zhabotinsky-Korzukhin modell

A Belousov-Zhabotinsky reakció első modelljét 1967-ben Zhabotinsky és Korzukhin szerezte meg a rendszer rezgéseit helyesen leíró empirikus összefüggések kiválasztása alapján [8] . A híres konzervatív Lotka-Volterra modell alapján készült .

\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}

itt = [Ce 4+ ], C=[Ce 4+ ] 0 + [Ce 3+ ] 0 , az autokatalizátor koncentrációja, = [Br − ]. $X_{2}$ $X_{1}$ $X_3$

Brusselsator

A Prigogine [9] által javasolt legegyszerűbb modell , amely oszcillációs dinamikával rendelkezik.

én	A	→	x
II	B+X	→	I+D
III	2X+Y	→	3X	(autokatalízis)
IV	x	→	E

V	A+B	→	E+D

Oregonator

A Field és Noyes [10] által javasolt mechanizmus az egyik legegyszerűbb és egyben a legnépszerűbb a Belousov-Zhabotinsky reakció viselkedését tanulmányozó munkákban:

én	A+Y	$\longrightarrow$	x
II	X+Y	$\longrightarrow$	P
III	B+X	$\longrightarrow$	2X+Z
IV	2 X	$\longrightarrow$	K
V	Z	$\longrightarrow$	f Y

A megfelelő közönséges differenciálegyenletrendszer a következő:

\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]

Ez a modell a kísérletileg megfigyeltekhez hasonló legegyszerűbb oszcillációkat mutatja be, de nem képes bonyolultabb típusú rezgések kimutatására, mint például az összetett periodikus és kaotikus.

Extended Oregonator

A Showalter, Noyes és Bar-Ely modellt [11] a reakció összetett periodikus és kaotikus viselkedésének szimulálására fejlesztették ki. A káoszt azonban nem lehetett elérni ebben a modellben.

egy	A+Y	$\bal jobbra nyíl$	X+P
2	X+Y	$\bal jobbra nyíl$	2P
3	A+X	$\bal jobbra nyíl$	2W
négy	C+W	$\bal jobbra nyíl$	X+Z'
5	2 X	$\bal jobbra nyíl$	A+P
6	Z'	$\jobb nyíl$	g Y + C

ahol - Br03- ; _ - HBr02 ; - Br - ; - Ce 3+ ; '-Ce 4+ ; - Br02 • ; — HOBR. $A$ $x$ $Y$ $C$ $Z$ $W$ $P$

Teljes reakciómechanizmus

A legteljesebb ismert reakciómechanizmus [12] egy 80 elemi reakcióból álló halmaz.

Grafikus séma

A reakció felfedezésének jelentősége

A Belousov-Zhabotinsky-reakció a tudomány egyik leghíresebb kémiai reakciójává vált, számos tudós és csoport foglalkozik a világ különböző tudományágaival és területeivel: matematika , kémia , fizika , biológia . Számos analógját találták különféle kémiai rendszerekben (lásd például egy szilárd fázisú analóg - szerves önszaporodó magas hőmérsékletű szintézis ). Cikkek és könyvek ezrei jelentek meg, számos kandidátusi és doktori disszertációt védtek meg. A reakció felfedezése valójában lendületet adott a modern tudomány olyan szakaszainak fejlődéséhez, mint a szinergetika , a dinamikus rendszerek elmélete és a determinisztikus káosz .

Tekintettel az azonosított reakciók tudományra gyakorolt jelentőségére, ezt a munkát tudományos felfedezésként ismerték el, és a Szovjetunió Felfedezések Állami Nyilvántartásába 174. szám alatt vették fel [13] .

Lásd még

Jegyzetek

↑ Rezgések és haladó hullámok kémiai rendszerekben. Szerk. R. Field és M. Burger. - M., Mir, 1988 / Oszcillációk és utazóhullámok kémiai rendszerekben. Szerk. RJField és M.Burger. 1985, John Wiley and Sons, Inc. (Angol)/
↑ Belousov B.P. Periodikusan ható reakció és mechanizmusa. Szo: Autowave folyamatok diffúziós rendszerekben / Szerk. M. T. Grekhovoi (felelős szerkesztő), - Gorkij: A Szovjetunió Tudományos Akadémia Alkalmazott Fizikai Intézete, 1981. - 287 p. - 76. o
↑ B. P. Belousov. Periodikusan ható reakció és mechanizmusa. Kivonatok gyűjteménye a sugárgyógyászatról 1958-ra - M: Medgiz, 1959, 145. o.
↑ R. Field, M. Burger, 1988 , p. húsz.
↑ A. M. Zhabotinsky (1964). A malonsav oldat szakaszos oxidációs folyamata. Biofizika. 9:306-311.
↑ Zhabotinsky A. M. "Koncentráció-ingadozások". Archív másolat 2006. június 15-én a Wayback Machine M .: Nauka, 1974, 179 p.
↑ Zaikin AN , Zhabotinsky AM Koncentrációs hullám terjedése kétdimenziós folyadékfázisú önoszcilláló rendszerben // Nature : Journal. - 1970. - T. 225 . - S. 535-537 .
↑ Korzukhin M. D., Zhabotinsky A. M. Kémiai és ökológiai önoszcillációs rendszerek matematikai modellezése. — M.: Nauka, 1965
↑ P. Glandsdorff és I. Prigogine, Thermodynamic theory of structure, stability and fluktuációk, Wiley, New York (1971)
↑ RJ Field & Richard M. Noyes (1974): Oszcillációk kémiai rendszerekben. IV. A ciklus viselkedésének korlátozása egy valódi kémiai reakció modelljében. J. Chem. Phys. 60:1877-84
↑ K. Showalter, R. M. Noyes, K. Bar-Eli. Módosított Oregonator-modell, amely bonyolult határciklus-viselkedést mutat egy áramlási rendszerben. J. Chem. Phys. 69, 2514-2524 (1978)]
↑ L. Györgyi, T. Turanyi, RJ Field. Az oszcillációs Belousov-Zhabotinskii reakció mechanikai részletei. J Phys. Chem. 1990. 94 (18), 7162-7170
↑ Tudományos felfedezések Oroszországban. 174. számú tudományos felfedezés "A koncentrációs autohullámok kialakulásának jelensége homogén aktív kémiai közegben."

Linkek

A kémiai rendszerekben zajló önoszcilláló folyamatok felfedezésének és tanulmányozásának történetétől: a Belousov-Zhabotinsky reakció felfedezésének 50. évfordulójáig
B. P. Belousov és oszcillációs reakciója , folyóirat "A tudás hatalom"
Belousov Zhabotinsky és Briggs Rauscher reakciósémái archiválva 2008. április 4-én a Wayback Machine -nél , differenciálegyenletek
A Belousov-Zhabotinsky reakció fenomenológiája
V. A. Vavilin. Önrezgések folyadékfázisú kémiai rendszerekben
A. A. Pecsenkin. Az oszcillációs kémiai reakciók ideológiai jelentősége (hozzáférhetetlen kapcsolat)
Belousov-Zhabotinsky reakció (a Scholarpedia cikk)
Rezgések és haladó hullámok kémiai rendszerekben. / R. Field, M. Burger .. - M . : Mir, 1988.