Белусов-Жаботинский реакциясы: тепе-теңдіктен тыс термодинамикалық реакция, химиялық осциллятор. Хаостық эволюция, биологиялық үлгілер, математикалық модельдеу.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тепе-теңдіксіз термодинамикалық реакция
Non equilibrium thermodynamic reaction
Белоусов-Жаботинский реакциясы, немесе BZ реакциясы – тепе-теңдіксіз термодинамиканың классикалық мысалы болып табылатын реакциялар класының бірі, нәтижесінде сызықтық емес химиялық осциллятор пайда болады. Бұл осцилляторлардағы жалғыз ортақ элемент – бром мен қышқылдың болуы. Реакциялар теориялық химия үшін маңызды, себебі олар химиялық реакциялардың міндетті түрде тепе-теңдік термодинамикалық қағидалармен бағынышты болуы керек емес екенін көрсетеді. Бұл реакциялар тепе-теңдіктен қашық жатыр және белгілі бір уақыт аралығында солай болып қалады, хаотикалық түрде дамиды. Осы тұрғыдан алғанда, олар тепе-теңдіксіз биологиялық құбылыстардың қызықты химиялық моделін ұсынады; сондықтан BZ реакцияларының математикалық модельдері мен симуляциялары теориялық тұрғыдан қызығушылық тудырады, шудың ықпалымен туындаған рет ретінде құбылыстарды көрсетеді. BZ реакциясының маңызды ерекшелігі – оның "оқуға қабілеттілігі"; сыртқы әсерлердің нәтижесінде, тыныш ортада әдетте пайда болмайтын үлгілер қалыптасады. Кейбір сағаттық реакциялар, мысалы, Бриггс-Раушер және BZ, катализатор ретінде трис(бипиридин)рутений(II) хлоридін қолдана отырып, жарық әсері арқылы өздігінен ұйымдасу белсенділігіне көтерілуі мүмкін.
A Belousov–Zhabotinsky reaction, or BZ reaction, is one of a class of reactions that serve as a classical example of non equilibrium thermodynamics, resulting in the establishment of a nonlinear chemical oscillator. The only common element in these oscillators is the inclusion of bromine and an acid. The reactions are important to theoretical chemistry in that they show that chemical reactions do not have to be dominated by equilibrium thermodynamic behavior. These reactions are far from equilibrium and remain so for a significant length of time and evolve chaotically. In this sense, they provide an interesting chemical model of nonequilibrium biological phenomena; as such, mathematical models and simulations of the BZ reactions themselves are of theoretical interest, showing phenomenon as noise induced order. An essential aspect of the BZ reaction is its so called "excitability"; under the influence of stimuli, patterns develop in what would otherwise be a perfectly quiescent medium. Some clock reactions such as Briggs–Rauscher and BZ using tris(bipyridine)ruthenium(II) chloride as catalyst can be excited into self organising activity through the influence of light.
Тарих
Бұл құбылыстың ашылуы Борис Белоусовқа тиесілі. 1951 жылы Кребс циклының органикалық емес аналогын табуға тырысқанда, ол калий броматы, церий(IV) сульфаты, малоникалық қышқыл және сұйылтылған күкірт қышқылындағы лимон қышқылының қоспасында церий(IV) және церий(III) иондарының концентрациясы арасындағы қатынас тербеліске түсіп, ерітіндінің түсі сары ерітінді мен түссіз ерітінді арасында ауысатынын байқады. Бұл церий(IV) иондарының малоникалық қышқылмен церий(III) иондарына дейін тотығуына байланысты, содан кейін олар бромат(V) иондарымен қайтадан тотықтырылады. Белоусов өзінің табысын жариялауға екі рет тырысты, бірақ нәтижелерін ұсынған журналдардың редакторларын қанағаттандыратын түсіндіруді бере алмағандықтан бас тартты. Кеңес биохимигі Симон Ельевич Шнолл Белоусовты нәтижелерін жариялауға талпынуын жалғастыруға ынталандырды. 1959 жылы оның еңбегі ақыры беделі төмен, рецензияланбаған журналда жарияланды. Белоусовтың жариялануынан кейін Шнолл 1961 жылы жобаны реакция тізбегін егжей-тегжейлі зерттеген Анатоль Жаботинскийге тапсырды; алайда, осы еңбектердің нәтижелері кеңінен таралмады және 1968 жылы Прагада өткен конференцияға дейін Батысқа белгілі болған жоқ. Химиялық әдебиеттерде және интернетте бірқатар BZ коктейльдері қолжетімді. Ферроин, фенантролин мен темірдің кешені, жиі қолданылатын индикатор. Егер бұл реакциялар Петри ыдыстарында жүргізілсе, алдымен түрлі-түсті дақтар пайда болады. Бұл дақтар кеңейіп жатқан концентрлі сақиналар тізбегіне немесе циклдік жасушалық автоматтардың құратын үлгілеріне ұқсас кеңейіп жатқан спиральдарға айналады. Ыдыстарды шайқағанда түстер жоғалып, қайта пайда болады. Толқындар реагенттер толыққанша түгелдей жұмсалғанша жалғасады. Реакцияны магниттік араластырғышты қолдана отырып, стақанда да орындауға болады. Англияның батыс университетінің компьютерлік ғалымы Эндрю Адаматцки BZ реакциясын қолдана отырып сұйық логикалық қақпалар туралы хабарлады. BZ реакциясын Хуан Перес Меркадер және оның Гарвард университетіндегі тобы толық химиялық Тьюринг машинасы құру үшін де пайдаланды, ол Чомскидің 1-типіндегі тілін тани алады. Табиғатта, өте әртүрлі кеңістіктік және уақыттық масштабтарда, таңғажайып түрде ұқсас тербелісті спиральді үлгілер кездеседі, мысалы, топырақта өмір сүретін амеба колониясы Диктиостелиум дискоидеумның өсу үлгісі. BZ реакциясында өзара әрекеттесетін элементтердің мөлшері молекулалық, ал реакцияның уақыт шкаласы минуттармен өлшенді. Топырақ амебасының жағдайында элементтердің мөлшері бір жасушалы организмдерге тән, ал уақыт бірнеше күннен жылдарға дейін созылуы мүмкін. Зерттеушілер сонымен қатар "ылғалды компьютер" жасауды зерттеп жатыр, ол өздігінен құралатын "жасушалар" мен басқа да әдістерді пайдаланып, нейрондардың кейбір қасиеттерін еліктеуге тырысады.
The discovery of the phenomenon is credited to Boris Belousov. In 1951, while trying to find the non organic analog to the Krebs cycle, he noted that in a mix of potassium bromate, cerium(IV) sulfate, malonic acid, and citric acid in dilute sulfuric acid, the ratio of concentration of the cerium(IV) and cerium(III) ions oscillated, causing the colour of the solution to oscillate between a yellow solution and a colorless solution. This is due to the cerium(IV) ions being reduced by malonic acid to cerium(III) ions, which are then oxidized back to cerium(IV) ions by bromate(V) ions. Belousov made two attempts to publish his finding, but was rejected on the grounds that he could not explain his results to the satisfaction of the editors of the journals to which he submitted his results. Soviet biochemist Simon El'evich Shnoll encouraged Belousov to continue his efforts to publish his results. In 1959 his work was finally published in a less respectable, nonreviewed journal. After Belousov's publication, Shnoll gave the project in 1961 to a graduate student, Anatol Zhabotinsky, who investigated the reaction sequence in detail; however, the results of these men's work were still not widely disseminated, and were not known in the West until a conference in Prague in 1968. A number of BZ cocktails are available in the chemical literature and on the web. Ferroin, a complex of phenanthroline and iron, is a common indicator. These reactions, if carried out in petri dishes, result in the formation first of colored spots. These spots grow into a series of expanding concentric rings or perhaps expanding spirals similar to the patterns generated by a cyclic cellular automaton. The colors disappear if the dishes are shaken, and then reappear. The waves continue until the reagents are consumed. The reaction can also be performed in a beaker using a magnetic stirrer. Andrew Adamatzky, a computer scientist in the University of the West of England, reported on liquid logic gates using the BZ reaction. The BZ reaction has also been used by Juan Pérez Mercader and his group at Harvard University to create an entirely chemical Turing machine, capable of recognizing a Chomsky type 1 language. Strikingly similar oscillatory spiral patterns appear elsewhere in nature, at very different spatial and temporal scales, for example the growth pattern of Dictyostelium discoideum, a soil dwelling amoeba colony. In the BZ reaction, the size of the interacting elements is molecular and the time scale of the reaction is minutes. In the case of the soil amoeba, the size of the elements is typical of single celled organisms and the times involved are on the order of days to years. Investigators are also exploring the creation of a "wet computer", using self creating "cells" and other techniques to mimic certain properties of neurons.
Химиялық механизм
Бұл реакцияның механизмі өте күрделі және шамамен 18 түрлі қадамнан тұрады деп есептеледі, олар көптеген зерттеу жұмыстарының тақырыбы болды. Бриггс-Раушер реакциясына ұқсас, екі маңызды процесс (екеуі де автокатализдік) жүзеге асады; А процесі молекулалық бромды түзетіп, қызыл түс береді, ал B процесі бромды тұтынып, бромид иондарын шығарады. Теориялық тұрғыдан алғанда, реакция идеалды Тьюринг үлгісіне ұқсас келеді – бұл реакция үшін реакция-диффузия теңдеулерін шешу арқылы сапалық тұрғыдан пайда болатын жүйе, ол реакция тежегішін және реакцияны күшейтетін затты да жасайды, олардың екеуі де ортада әртүрлі жылдамдықпен таралады. Бұл реакцияның ең көп қолданылатын нұсқаларының бірінде қышқыл ретінде малоновая қышқыл (CH2(CO2H)2) және бром көзі ретінде калий броматы (KBrO3) пайдаланылады. Жалпы теңдеу:
The mechanism for this reaction is very complex and is thought to involve around 18 different steps which have been the subject of a number of research papers. In a way similar to the Briggs–Rauscher reaction, two key processes (both of which are auto catalytic) occur; process A generates molecular bromine, giving the red colour, and process B consumes the bromine to give bromide ions. Theoretically, the reaction resembles the ideal Turing pattern, a system that emerges qualitatively from solving the reaction diffusion equations for a reaction that generates both a reaction inhibitor and a reaction promoter, of which the two diffuse across the medium at different rates. One of the most common variations on this reaction uses malonic acid (CH2(CO2H)2) as the acid and potassium bromate (KBrO3) as the source of bromine. The overall equation is:
Реакция микроэмульсияда жүргізілгенде әртүрлі үлгілерді байқауға болады.
Many different patterns can be observed when the reaction is run in a microemulsion.