Реакция Белоусова-Жаботинского , или реакция BZ , является одной из реакций, которые служат классическим примером неравновесной термодинамики , приводящей к установлению нелинейного химического осциллятора . Единственным общим элементом в этих осцилляторах является включение брома и кислоты. Реакции важны для теоретической химии, поскольку они показывают, что химические реакции не обязательно должны подчиняться равновесному термодинамическому поведению. Эти реакции далеки от равновесия и остаются таковыми в течение значительного периода времени и развиваются хаотично . [1] В этом смысле они представляют собой интересную химическую модель неравновесных биологических [2] явлений; как таковые, математические модели и симуляции самих реакций BZ представляют теоретический интерес, показывая явление как порядок, вызванный шумом . [3]
Существенным аспектом реакции BZ является ее так называемая «возбудимость»; под воздействием стимулов, паттерны развиваются в том, что в противном случае было бы совершенно спокойной средой. Некоторые часовые реакции, такие как Бриггс-Раушер и BZ, использующие в качестве катализатора хлорид трис(бипиридин)рутения(II), могут быть возбуждены в самоорганизующуюся активность 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 ионов церия(IV) и церия(III) колебалось, 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 свои результаты, но им было отказано на том основании, что он не смог объяснить свои результаты так, чтобы удовлетворить редакторов журналов, в которые он их отправлял. [4] Советский биохимик Симон Эльевич Шноль призвал Белоусова продолжить свои усилия по публикации своих результатов. В 1959 году его работа была наконец опубликована в менее респектабельном, нерецензируемом журнале. [5]
После публикации Белоусова в 1961 году Шноль передал проект аспиранту Анатолию Жаботинскому , который подробно исследовал последовательность реакций; [6] однако результаты работы этих ученых все еще не получили широкого распространения и не были известны на Западе до конференции в Праге в 1968 году.
В химической литературе и в Интернете доступно множество коктейлей BZ. Ферроин , комплекс фенантролина и железа , является распространенным индикатором . Эти реакции, если проводить их в чашках Петри , приводят к образованию сначала цветных пятен. Эти пятна вырастают в ряд расширяющихся концентрических колец или, возможно, расширяющихся спиралей, похожих на узоры, создаваемые циклическим клеточным автоматом . Цвета исчезают, если встряхнуть чашки, а затем снова появляются. Волны продолжаются до тех пор, пока реагенты не будут израсходованы. Реакцию также можно проводить в стакане с использованием магнитной мешалки . [ требуется цитата ]
Эндрю Адамацкий , [7] специалист по информатике из Университета Западной Англии , сообщил о жидких логических вентилях, использующих реакцию BZ. [8] Реакция BZ 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 узоры появляются и в других местах природы, в совершенно разных пространственных и временных масштабах, например, узор роста Dictyostelium discoideum , колонии почвенной амебы . [10] В реакции BZ размер взаимодействующих элементов молекулярный, а временной масштаб реакции составляет минуты. В случае почвенной амебы размер элементов типичен для одноклеточных организмов, а время реакции составляет от нескольких дней до нескольких лет.
Исследователи также изучают создание «мокрого компьютера» , используя самосоздающиеся «клетки» и другие методы для имитации определенных свойств нейронов . [11]
Механизм этой реакции очень сложен и, как полагают, включает около 18 различных этапов, которые были предметом ряда исследовательских работ. [12] [13]
Аналогично реакции Бриггса-Раушера , происходят два ключевых процесса (оба из которых являются автокаталитическими ); процесс A генерирует молекулярный бром, давая красный цвет, а процесс B потребляет бром, давая ионы брома. [14] Теоретически реакция напоминает идеальную модель Тьюринга , систему, которая качественно возникает из решения уравнений диффузии реакции для реакции, которая генерирует как ингибитор реакции, так и промотор реакции, из которых два диффундируют через среду с разной скоростью. [15]
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: [14]
Существует множество вариантов реакции. Единственным ключевым химикатом является окислитель бромат. Катализатором чаще всего является ион церия, но это 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 .
