Belousov-Zhabotinsky reaktion

Belousov-Zhabotinsky-reaktionen är en klass av kemiska reaktioner som fortskrider i ett oscillerande läge, där vissa reaktionsparametrar (färg, koncentration av komponenter, temperatur, etc.) ändras periodiskt och bildar en komplex rums-temporal struktur av reaktionsmediet.

För närvarande kombinerar detta namn en hel klass av besläktade kemiska system som liknar mekanismen, men som skiljer sig i de använda katalysatorerna (Ce 3+ , Mn 2+ och Fe 2+ , Ru 2+ -komplex ), organiska reduktionsmedel ( malonsyra , bromomalonsyra , citronsyra , äppelsyra , etc.) och oxidationsmedel (bromater, jodater, etc.).

Under vissa förhållanden kan dessa system uppvisa mycket komplexa former av beteende från regelbundna periodiska till kaotiska svängningar och är ett viktigt föremål för studier av de universella lagarna för icke-linjära system. I synnerhet var det i Belousov-Zhabotinsky-reaktionen som den första experimentella konstiga atttraktorn i kemiska system observerades och dess teoretiskt förutspådda egenskaper verifierades experimentellt.

Historien om upptäckten av den oscillerande reaktionen av B. P. Belousov, experimentell studie av den och många analoger, studie av mekanismen, matematisk modellering, historisk betydelse ges i den kollektiva monografin [1] .

Upptäcktshistorik

Boris Pavlovich Belousov genomförde forskning om Krebs-cykeln och försökte hitta dess oorganiska motsvarighet. Som ett resultat av ett av experimenten 1951, nämligen oxidationen av citronsyra med kaliumbromat i ett surt medium i närvaro av en katalysator - ceriumjoner Ce +3 , upptäckte han självsvängningar . Reaktionsförloppet förändrades med tiden, vilket manifesterades av en periodisk förändring i lösningens färg från färglös (Ce +3 ) till gul (Ce +4 ) och tillbaka. Effekten är ännu mer märkbar i närvaro av ferroinindikatorn . Belousovs meddelande om upptäckten hälsades med skepsis i sovjetiska vetenskapliga kretsar, eftersom man trodde att självsvängningar i kemiska system var omöjliga. Belousovs artikel [2] avvisades två gånger på redaktionerna för sovjetiska tidskrifter, så han kunde publicera resultaten av studier av det oscillerande svaret endast i en förkortad form 8 år senare i en avdelningssamling som publicerades i en liten upplaga [ 3] . Därefter blev denna artikel en av de mest citerade inom detta område, och reaktionen kallades Belousov-reaktionen.

Ytterligare utveckling av forskning om denna reaktion inträffade när professor Simon Elevich Shnol föreslog sin doktorand, den blivande Leninpristagaren Anatoly Markovich Zhabotinsky , att undersöka reaktionens mekanism. Belousov vägrade inbjudan att bedriva gemensam forskning, även om han uttryckte tillfredsställelse över att hans arbete fortsattes [4] . Zhabotinsky genomförde detaljerade studier av reaktionen, inklusive dess olika varianter, och sammanställde också sin första matematiska modell (1964) [5] . Huvudresultaten presenterades i Zhabotinskys bok "Concentration Oscillations" [6] [7] .

1969 upptäckte Zhabotinsky och kollegor att om en reagerande blandning placeras i ett tunt platt lager uppstår koncentrationsförändringar i den, som är synliga för blotta ögat i närvaro av indikatorer.

En hel del reaktioner av typen Belousov-Zhabotinsky är nu kända, till exempel Briggs-Rauscher-reaktionen .

Reaktionsmekanism

Jabotinsky erbjöd den första förklaringen av reaktionsmekanismen och en enkel matematisk modell som kunde uppvisa oscillerande beteende. Därefter utökades och förfinades beskrivningen av mekanismen, de experimentellt observerade dynamiska regimerna, inklusive kaotiska, beräknades teoretiskt och deras överensstämmelse med experimentet visades. Den kompletta listan över elementära reaktionssteg är mycket komplicerad och uppgår till nästan hundra reaktioner med dussintals ämnen och intermediärer . Fram till nu är den detaljerade mekanismen okänd, speciellt reaktionshastighetskonstanterna .

Zhabotinsky-Korzukhin-modellen

Den första modellen av Belousov-Zhabotinsky-reaktionen erhölls 1967 av Zhabotinsky och Korzukhin på basis av urvalet av empiriska samband som korrekt beskriver svängningar i systemet [8] . Den var baserad på den berömda konservativa Lotka-Volterra-modellen .

\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}

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

Brusselsator

Den enklaste modellen som föreslagits av Prigogine [9] , som har oscillerande dynamik.

jag	A	→	X
II	B+X	→	Y+D
III	2X+Y	→	3X	(autokatalys)
IV	X	→	E

V	A+B	→	E+D

Oregonator

Mekanismen som föreslagits av Field och Noyes [10] är en av de enklaste och samtidigt den mest populära i verk som studerar beteendet hos Belousov-Zhabotinsky-reaktionen:

jag	A+Y	$\longrightarrow$	X
II	X+Y	$\longrightarrow$	P
III	B+X	$\longrightarrow$	2X+Z
IV	2 X	$\longrightarrow$	F
V	Z	$\longrightarrow$	f Y

Motsvarande system med vanliga differentialekvationer är:

\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]

Denna modell visar de enklaste svängningarna som liknar de som observerats experimentellt, men den är inte kapabel att visa mer komplexa typer av svängningar, såsom komplexa periodiska och kaotiska.

Utökad Oregonator

Showalter-, Noyes- och Bar-Ely-modellen [11] utvecklades för att simulera reaktionens komplexa periodiska och kaotiska beteende. Kaos kunde dock inte uppnås i denna modell.

ett	A+Y	$\vänster högerpil$	X+P
2	X+Y	$\vänster högerpil$	2P
3	A+X	$\vänster högerpil$	2W
fyra	C+W	$\vänster högerpil$	X+Z'
5	2 X	$\vänster högerpil$	A+P
6	Z'	$\höger pil$	g Y + C

där - Br03- ; _ - HBr02 ; - Br - ; - Ce3 + ; '-Ce 4+ ; - BrO2 • ; — HOBR. $A$ $X$ $Y$ $C$ $Z$ $W$ $P$

Fullständig reaktionsmekanism

Den mest kompletta kända reaktionsmekanismen [12] är en uppsättning av 80 elementära reaktioner.

Grafiskt schema

Betydelsen av upptäckten av reaktionen

Belousov-Zhabotinsky-reaktionen har blivit en av de mest kända kemiska reaktionerna inom vetenskapen, många forskare och grupper av olika vetenskapliga discipliner och områden runt om i världen är engagerade i sin forskning: matematik , kemi , fysik , biologi . Många analoger av det har hittats i olika kemiska system (se till exempel en fastfasanalog - organisk självförökande högtemperatursyntes ). Tusentals artiklar och böcker har publicerats, många kandidat- och doktorsavhandlingar har försvarats. Upptäckten av reaktionen gav faktiskt impulser till utvecklingen av sådana delar av modern vetenskap som synergetik , teorin om dynamiska system och deterministiskt kaos .

Med tanke på betydelsen av de identifierade reaktionerna för vetenskapen erkändes detta arbete som en vetenskaplig upptäckt och infördes i det statliga registret över upptäckter i USSR under nr 174 [13] .

Se även

Anteckningar

↑ Svängningar och vandringsvågor i kemiska system. Ed. R. Field och M. Burger. - M., Mir, 1988 / Oscillationer och resande vågor i kemiska system. Ed. av RJField och M.Burger. 1985 av John Wiley and Sons, Inc. (Engelsk)/
↑ Belousov B.P. Periodiskt verkande reaktion och dess mekanism. lör: Autowave-processer i system med diffusion / Ed. M. T. Grekhovoi (ansvarig redaktör), - Gorky: Institutet för tillämpad fysik vid USSR:s vetenskapsakademi, 1981. - 287 s. - s.76
↑ B. P. Belousov. Periodiskt verkande reaktion och dess mekanism. Samling av abstrakt om strålningsmedicin för 1958 - M: Medgiz, 1959 s.145.
↑ R. Field, M. Burger, 1988 , sid. tjugo.
↑ A. M. Zhabotinsky (1964). Batchoxidationsprocess av malonsyralösning. Biofysik. 9:306-311.
↑ Zhabotinsky A. M. "Koncentrationsfluktuationer". Arkivexemplar daterad 15 juni 2006 på Wayback Machine M .: Nauka, 1974, 179 sid.
↑ Zaikin AN , Zhabotinsky AM Koncentrationsvågutbredning i tvådimensionellt självsvängande system i vätskefas // Nature: journal. - 1970. - T. 225 . - S. 535-537 .
↑ Korzukhin M. D., Zhabotinsky A. M. Matematisk modellering av kemiska och ekologiska självsvängande system. — M.: Nauka, 1965
↑ P. Glandsdorff och I. Prigogine, Termodynamisk teori om struktur, stabilitet och fluktuationer, Wiley, New York (1971)
↑ RJ Field & Richard M. Noyes (1974): Oscillationer i kemiska system. IV. Begränsa cykelbeteende i en modell av en verklig kemisk reaktion. J. Chem. Phys. 60:1877-84
↑ K. Showalter, R.M. Noyes, K. Bar-Eli. En modifierad Oregonator-modell som uppvisar komplicerat gränscykelbeteende i ett flödessystem. J.Chem.Phys. 1978, 69, 2514-2524
↑ L. Gyorgyi, T. Turanyi, RJ Field. Mekanistiska detaljer om den oscillerande Belousov-Zhabotinskii-reaktionen. J Phys. Chem. 1990. 94 (18) 7162-7170
↑ Vetenskapliga upptäckter i Ryssland. Vetenskaplig upptäckt nr 174 "Fenomenet med bildandet av koncentrationsautovågor i ett homogent aktivt kemiskt medium."

Länkar

Från historien om upptäckten och studien av självsvängande processer i kemiska system: till 50-årsdagen av upptäckten av Belousov-Zhabotinsky-reaktionen
B. P. Belousov och hans oscillerande reaktion , journal "Kunskap är makt"
Reaktionsscheman för Belousov Zhabotinsky och Briggs Rauscher Arkiverade 4 april 2008 på Wayback Machine , differentialekvationer
Belousov-Zhabotinsky-reaktionens fenomenologi
V. A. Vavilin. Självsvängningar i vätskefas kemiska system
A. A. Pechenkin. Den ideologiska betydelsen av oscillerande kemiska reaktioner (otillgänglig länk)
Belousov-Zhabotinsky reaktion (en Scholarpedia-artikel)
Oscillationer och resande vågor i kemiska system. / R. Field, M. Burger .. - M . : Mir, 1988.