Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Неравновесная термодинамическая реакция
Non equilibrium thermodynamic reaction
Реакция Белоусова–Жаботинского, или реакция BZ, является одним из классов реакций, служащих классическим примером неравновесной термодинамики, приводящим к возникновению нелинейного химического осциллятора. Общим элементом для этих осцилляторов является наличие брома и кислоты. Эти реакции имеют важное значение для теоретической химии, поскольку демонстрируют, что химические реакции не обязательно должны определяться термодинамическим поведением, близким к равновесию. Эти реакции находятся вдали от равновесия и остаются таковыми в течение значительного времени, эволюционируя хаотично. В этом смысле они представляют собой интересную химическую модель неравновесных биологических явлений; соответственно, математические модели и симуляции самих реакций BZ представляют теоретический интерес, демонстрируя феномен порядка, индуцированного шумом. Важной особенностью реакции BZ является её так называемая "возбудимость" – под воздействием стимулов в изначально спокойной среде формируются структуры. Некоторые реакции типа "химические часы", такие как реакции Бриггса–Раушера и BZ с использованием трис(бипиридинил)рутения(II) хлорида в качестве катализатора, могут быть переведены в состояние самоорганизованной активности под воздействием света.
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.
История
Открытием этого явления считается Борис Белоусов. 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, вызывая изменение цвета раствора от жёлтого до бесцветного. Это происходит из-за того, что ионы церия(IV) восстанавливаются малоновой кислотой до ионов церия(III), которые затем окисляются обратно в ионы церия(IV) ионами бромата(V). Белоусов предпринял две попытки опубликовать свои результаты, но они были отклонены, поскольку он не смог предоставить редакторам журналов, в которые он подавал свои работы, удовлетворительного объяснения полученных результатов. Советский биохимик Симон Эльевич Шнолл поощрял Белоусова продолжать усилия по публикации. В 1959 году его работа была наконец опубликована в менее авторитетном, нерецензируемом журнале. После публикации Белоусова Шнолл в 1961 году передал проект аспиранту Анатолию Жаботинскому, который детально исследовал последовательность реакции; однако результаты их работы долгое время оставались малоизвестными и не были доступны западному научному сообществу до конференции в Праге в 1968 году. В химической литературе и в интернете доступно множество рецептур BZ-коктейлей. Ферроин, комплекс феноантролина и железа, является распространенным индикатором. При проведении этих реакций в чашках Петри первоначально образуются цветные пятна. Эти пятна растут, формируя серию расширяющихся концентрических колец или, возможно, спиралей, напоминающих узоры, генерируемые циклическим клеточным автоматом. Цвета исчезают при встряхивании чашек, а затем появляются снова. Волны продолжаются до тех пор, пока не израсходуются реагенты. Реакцию можно также проводить в стакане с использованием магнитной мешалки. Эндрю Адаматцки, учёный-компьютерщик из Университета Западной Англии, сообщил о создании жидкостных логических элементов на основе реакции BZ. Хуан Перес Меркадер и его группа из Гарвардского университета использовали реакцию BZ для создания полностью химической машины Тьюринга, способной распознавать язык типа 1 по Чомскому. Удивительно похожие осциллирующие спиральные узоры встречаются и в природе, в совершенно разных пространственных и временных масштабах, например, в узорах роста Dictyostelium discoideum, колонии почвенных амеб. В реакции BZ размер взаимодействующих элементов молекулярный, а временной масштаб реакции составляет минуты. В случае почвенной амебы размер элементов типичен для одноклеточных организмов, а временные интервалы составляют от дней до лет. Исследователи также изучают возможность создания «мокрого компьютера», используя самоорганизующиеся «клетки» и другие методы для имитации определенных свойств нейронов.
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.
Химический механизм
Механизм этой реакции очень сложен и, как считается, включает около 18 различных этапов, которые были предметом многочисленных исследовательских работ. Подобно реакции Бриггса-Раушера, в ней протекают два ключевых процесса (оба автокаталитические): процесс А генерирует молекулярный бром, обуславливая красный цвет, а процесс В потребляет бром, образуя ионы бромида. Теоретически, реакция напоминает идеальный узор Тьюринга – систему, качественно возникающую при решении уравнений реакции-диффузии для реакции, генерирующей как ингибитор, так и активатор реакции, которые диффундируют в среде с разной скоростью. Одним из наиболее распространенных вариантов этой реакции является использование малоновой кислоты (CH2(CO2H)2) в качестве кислоты и бромата калия (KBrO3) в качестве источника брома. Общее уравнение:
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:
При проведении реакции в микроэмульсии можно наблюдать множество различных узоров.
Many different patterns can be observed when the reaction is run in a microemulsion.