Реакция Белоусова -Жаботинского , или реакция БЗ , — одна из классов реакций, которые служат классическим примером неравновесной термодинамики , приводящей к установлению нелинейного химического осциллятора . Единственным общим элементом в этих генераторах является включение брома и кислоты. Реакции важны для теоретической химии, поскольку они показывают, что в химических реакциях не обязательно должно доминировать равновесное термодинамическое поведение. Эти реакции далеки от равновесия, остаются таковыми в течение значительного времени и развиваются хаотично . [1] В этом смысле они представляют собой интересную химическую модель неравновесных биологических [2] явлений; как таковые, математические модели и моделирование самих реакций БЗ представляют теоретический интерес, демонстрируя явление как индуцированный шумом порядок . [3]
Существенным аспектом реакции БЗ является ее так называемая «возбудимость»; под влиянием стимулов в среде, которая в противном случае была бы совершенно спокойной, развиваются паттерны. Некоторые часовые реакции, такие как Бриггс-Раушер и BZ с использованием хлорида трис (бипиридина) рутения (II) в качестве катализатора, могут быть возбуждены до самоорганизующейся активности под воздействием света.
Открытие этого 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 раствором и бесцветным раствором. Это связано с тем, 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 получил отказ на том основании, что он не смог объяснить свои результаты так, чтобы это удовлетворило редакцию журналов, в которые он представил свои результаты. [4] Советский биохимик Саймон Эльевич Шнолль призвал Белоусова продолжать усилия по публикации своих результатов. В 1959 году его работа была наконец опубликована в менее респектабельном нерецензируемом журнале. [5]
После публикации Белоусова Шнолль в 1961 году передал проект аспиранту Анатолию Жаботинскому , который подробно исследовал последовательность реакций; [6] однако результаты работы этих людей 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 , комплекс фенантролина и железа , является распространенным индикатором . Эти реакции, если проводить их в чашках Петри , приводят сначала к образованию цветных пятен. Эти пятна превращаются в серию расширяющихся концентрических колец или, возможно, расширяющихся спиралей, подобных шаблонам, генерируемым циклическим клеточным автоматом . Цвета исчезают, если посуду встряхнуть, а затем появляются снова. Волны продолжаются до тех пор, пока не израсходуются реагенты. Реакцию также можно проводить в стакане с помощью магнитной мешалки .
Эндрю Адамацки , [7] ученый-компьютерщик из Университета Западной Англии , сообщил о жидкостных логических элементах, использующих реакцию БЗ. [8] Реакция БЗ также использовалась Хуаном Пересом-Меркадером и его группой в Гарвардском университете для создания полностью химической машины Тьюринга, способной распознавать язык Хомского типа 1 . [9]
Поразительно похожие колебательные спиральные паттерны появляются повсюду в природе, в самых разных пространственных и временных масштабах, например, в модели роста Dictyostelium discoideum , колонии почвенных амеб . [10] В реакции БЗ размер взаимодействующих элементов является молекулярным, а время реакции составляет минуты. В случае почвенной амебы размер элементов типичен для одноклеточных организмов, а продолжительность процесса составляет от нескольких дней до нескольких лет.
Исследователи также изучают возможность создания «мокрого компьютера» , используя самосоздаваемые «клетки» и другие методы для имитации определенных свойств нейронов . [11]
Механизм этой реакции очень сложен и, как полагают, включает около 18 различных стадий, которые были предметом ряда исследовательских работ. [12] [13]
Подобно реакции Бриггса-Раушера , происходят два ключевых процесса (оба являются автокаталитическими ); В процессе А образуется молекулярный бром, придающий красный цвет, а в процессе Б бром расходуется на образование бромид-ионов. [14] Теоретически реакция напоминает идеальную модель Тьюринга , систему, которая качественно возникает в результате решения уравнений диффузии реакции для реакции, которая генерирует как ингибитор реакции, так и промотор реакции, из которых оба диффундируют через среду с разной скоростью. [15]
В одном из наиболее распространенных вариантов этой реакции используется малоновая кислота (CH 2 (CO 2 H) 2 ) в качестве кислоты и бромат калия (KBrO 3 ) в качестве источника брома. Общее уравнение: [14]
Существует множество вариантов реакции. Единственным ключевым химическим веществом является броматный окислитель. Ионом-катализатором чаще всего является церий, но может быть также марганец или комплексы железа, рутения, кобальта, меди, хрома, серебра, никеля и осмия. Можно использовать множество различных восстановителей. (Жаботинский, 1964б; Филд и Бургер, 1985) [16]
При проведении реакции в микроэмульсии можно наблюдать множество различных закономерностей .
