Реакция Белоусова-Жаботинского.

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 процессов. ^{[ 2 ]} явления; 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.

История

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 все 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 .

Андрей Адамацкий , ^{[ 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 встречаются 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 молекулярный, а время реакции — 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 ]}

Химический механизм

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 по среде 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 ]}

3 CH ₂ (CO ₂ H) ₂ + 4 BrO ⁻
₃ → 4 руб. ⁻ + 9 СО ₂ + 6 Н ₂ О

Варианты

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 .

См. также

Автозавивка
Автоволновой ревербератор
Реакция Бриггса-Раушера
Рассеяние
Возбудимая среда
Шумовой порядок
Узоры в природе
Реакция-диффузия
Автоколебания
Самоорганизация
Стохастический резонанс
Алан Тьюринг , который математически предсказал осциллирующие химические реакции в начале 1950-х годов.
Брюсселатор
Орегонатор

Ссылки

^ Хадсон, Дж.Л.; Манкин, Дж. К. (1981). «Хаос в реакции Белоусова – Жаботинского». Дж. Хим. Физ . 74 (11): 6171–6177. Бибкод : 1981JChPh..74.6171H . дои : 10.1063/1.441007 .
^ Шанкс, Найл (1 января 2001 г.). «Моделирование биологических систем: реакция Белоусова-Жаботинского» . Основы химии . 3 (1): 33–53. дои : 10.1023/А:1011434929814 . ISSN 1572-8463 . S2CID 96694889 .
^ Мацумото, К.; Цуда, И. (1983). «Шумовой порядок». J Stat Phys . 31 (1): 87–106. Бибкод : 1983JSP....31...87M . дои : 10.1007/BF01010923 . S2CID 189855973 .
^ Уинфри, AT (1984). «Предыстория генератора Белоусова-Жаботинского». Журнал химического образования . 61 (8): 661–663. Бибкод : 1984JChEd..61..661W . дои : 10.1021/ed061p661 .
^ B. P. Belousov (1959). "Периодически действующая реакция и ее механизм" [Periodically acting reaction and its mechanism]. Сборник рефератов по радиационной медицине . 147 : 145.
^ A. M. Zhabotinsky (1964). "Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе" [Periodical process of oxidation of malonic acid solution]. Биофизика . 9 : 306–311.
^ «Энди Адамацки» . Университет Западной Англии, Бристоль. Архивировано из оригинала 12 апреля 2019 г. Проверено 23 октября 2006 г.
^ Мотоике, Икуко Н.; Адамацкий, Эндрю (2005). «Трехзначные логические элементы в реакционно-диффузионных возбудимых средах». Хаос, солитоны и фракталы . 24 (1): 107–14. Бибкод : 2005CSF....24..107M . дои : 10.1016/j.chaos.2004.07.021 .
^ Дуэньяс-Диес М., Перес-Меркадер Х (2019). «Как вычисляет химия: распознавание языка небиохимическими химическими автоматами. От конечных автоматов к машинам Тьюринга» . iScience . 19 : 514–526. Бибкод : 2019iSci...19..514D . дои : 10.1016/j.isci.2019.08.007 . ПМК 6710637 . ПМИД 31442667 .
^ «Картинная галерея» . Кафедра биофизики Магдебургского университета Отто фон Герике. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Палмер, Дж. (11 января 2010 г.). «Создается химический компьютер, имитирующий нейроны» . BBC (Новости науки) .
^ Филд, Ричард Дж.; Ферстерлинг, Хорст Дитер (1986). «О константах скорости оксибромной химии с ионами церия в механизме Филда-Кёреша-Нойеса реакции Белоусова-Жаботинского: Равновесие HBrO ₂ + BrO ₃⁻ + H+ → 2 BrO ₂ • + H ₂ O». Журнал физической химии . 90 (21): 5400–7. doi : 10.1021/j100412a101 .
^ Сиримунгкала, Атчара; Фёрстерлинг, Хорст-Дитер; Дласк, Владимир; Филд, Ричард Дж. (1999). «Реакции бромирования, важные в механизме системы Белоусова-Жаботинского». Журнал физической химии А. 103 (8): 1038–43. Бибкод : 1999JPCA..103.1038S . дои : 10.1021/jp9825213 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Листер, Тед (1995). Демонстрации классической химии (PDF) . Лондон: Отдел образования Королевского химического общества. стр. 3–4. ISBN 978-1-870343-38-1 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 августа 2014 г.
^ Джон Гриббин, Глубокая простота, стр. 126, Рэндом Хаус, 2004 г.
^ Жаботинский, Анатолий (2007). «Реакция Белоусова-Жаботинского» . Схоларпедия . 2 (9): 1435. Бибкод : 2007SchpJ...2.1435Z . doi : 10.4249/scholarpedia.1435 .

Дальнейшее чтение

Строгац, С. (2003). СИНХРОНИЗАЦИЯ, развивающаяся наука о спонтанном порядке . Гиперион. стр. 212–216, 219. ISBN. 0-7868-6844-9 .
Пабиан, РК; Зариньш А. Полосчатые агаты, происхождение и включения . Образовательный циркуляр. Том. 12. Университет Небраски-Линкольн.
Ичино, Т.; Асахи, Т.; Китахата, Х.; Магоме, Н.; Агладзе, К.; Ёсикава, К. (2008). «Микрогрузы, доставляемые химическими волнами» . Журнал физической химии C. 112 (8): 3032–5. дои : 10.1021/jp7097922 .

Внешние ссылки

Интерактивный научный эксперимент, демонстрирующий реакцию BZ (уровень A) ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
Обзорная статья по математике реакции БЗ
Статья в Scholarpedia о реакции Белоусова-Жаботинского
Реакция Белоусова–Жаботинского.
Реакция Белоусова-Жаботинского.
Феноменология реакции Белоусова-Жаботинского с картинками.
Реакция БЖ и пояснения в Таблице Менделеева Видео
Реакция Белоусова-Жаботинского (PDF-файл)
«Бумажный груз распространяется по химическим волнам» - Колебательные химические волны, вызванные реакциями BZ, могут приводить в движение небольшие объекты, New Scientist , 18 февраля 2008 г.
Домашняя страница Жаботинского Анатолия Михайловича ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
Моделирование реакций Белоусова-Жаботинского в Pixel Bender Моделирование реакции Белоусова-Жаботинского, выполняемое в Flash Player

[1] Хадсон, Дж.Л.; Манкин, Дж. К. (1981). «Хаос в реакции Белоусова – Жаботинского». Дж. Хим. Физ . 74 (11): 6171–6177. Бибкод : 1981JChPh..74.6171H . дои : 10.1063/1.441007 .

[2] Шанкс, Найл (1 января 2001 г.). «Моделирование биологических систем: реакция Белоусова-Жаботинского» . Основы химии . 3 (1): 33–53. дои : 10.1023/А:1011434929814 . ISSN 1572-8463 . S2CID 96694889 .

[3] Мацумото, К.; Цуда, И. (1983). «Шумовой порядок». J Stat Phys . 31 (1): 87–106. Бибкод : 1983JSP....31...87M . дои : 10.1007/BF01010923 . S2CID 189855973 .

[4] Уинфри, AT (1984). «Предыстория генератора Белоусова-Жаботинского». Журнал химического образования . 61 (8): 661–663. Бибкод : 1984JChEd..61..661W . дои : 10.1021/ed061p661 .

[5] B. P. Belousov (1959). "Периодически действующая реакция и ее механизм" [Periodically acting reaction and its mechanism]. Сборник рефератов по радиационной медицине . 147 : 145.

[6] A. M. Zhabotinsky (1964). "Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе" [Periodical process of oxidation of malonic acid solution]. Биофизика . 9 : 306–311.

[7] «Энди Адамацки» . Университет Западной Англии, Бристоль. Архивировано из оригинала 12 апреля 2019 г. Проверено 23 октября 2006 г.

[8] Мотоике, Икуко Н.; Адамацкий, Эндрю (2005). «Трехзначные логические элементы в реакционно-диффузионных возбудимых средах». Хаос, солитоны и фракталы . 24 (1): 107–14. Бибкод : 2005CSF....24..107M . дои : 10.1016/j.chaos.2004.07.021 .

[pmid31442667-9] Дуэньяс-Диес М., Перес-Меркадер Х (2019). «Как вычисляет химия: распознавание языка небиохимическими химическими автоматами. От конечных автоматов к машинам Тьюринга» . iScience . 19 : 514–526. Бибкод : 2019iSci...19..514D . дои : 10.1016/j.isci.2019.08.007 . ПМК 6710637 . ПМИД 31442667 .

[10] «Картинная галерея» . Кафедра биофизики Магдебургского университета Отто фон Герике. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[11] Палмер, Дж. (11 января 2010 г.). «Создается химический компьютер, имитирующий нейроны» . BBC (Новости науки) .

[12] Филд, Ричард Дж.; Ферстерлинг, Хорст Дитер (1986). «О константах скорости оксибромной химии с ионами церия в механизме Филда-Кёреша-Нойеса реакции Белоусова-Жаботинского: Равновесие HBrO ₂ + BrO ₃⁻ + H+ → 2 BrO ₂ • + H ₂ O». Журнал физической химии . 90 (21): 5400–7. doi : 10.1021/j100412a101 .

[13] Сиримунгкала, Атчара; Фёрстерлинг, Хорст-Дитер; Дласк, Владимир; Филд, Ричард Дж. (1999). «Реакции бромирования, важные в механизме системы Белоусова-Жаботинского». Журнал физической химии А. 103 (8): 1038–43. Бибкод : 1999JPCA..103.1038S . дои : 10.1021/jp9825213 .

[RSC-14] Перейти обратно: ^а ^б Листер, Тед (1995). Демонстрации классической химии (PDF) . Лондон: Отдел образования Королевского химического общества. стр. 3–4. ISBN 978-1-870343-38-1 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 августа 2014 г.

[15] Джон Гриббин, Глубокая простота, стр. 126, Рэндом Хаус, 2004 г.

[16] Жаботинский, Анатолий (2007). «Реакция Белоусова-Жаботинского» . Схоларпедия . 2 (9): 1435. Бибкод : 2007SchpJ...2.1435Z . doi : 10.4249/scholarpedia.1435 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]