ΔΟΝΗΤΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ, σύνθετες χημικές αντιδράσεις που χαρακτηρίζονται από διακυμάνσεις (κυρίως περιοδικές) στις συγκεντρώσεις ορισμένων ενδιάμεσων ενώσεων και, κατά συνέπεια, στους ρυθμούς μετασχηματισμού αυτών των ενώσεων. Δονητικές αντιδράσεις παρατηρούνται στην αέρια ή υγρή φάση, και επίσης (ιδιαίτερα συχνά) στη διεπιφάνεια μεταξύ αυτών των φάσεων και της στερεάς φάσης. Ο λόγος για την εμφάνιση διακυμάνσεων της συγκέντρωσης είναι η παρουσία ανάδρασης μεταξύ των επιμέρους σταδίων μιας σύνθετης αντίδρασης. Οι ταλαντωτικές αντιδράσεις ταξινομούνται ως διεργασίες με θετική (καταλυτική δράση ενδιάμεσων ή τελικών προϊόντων αντίδρασης) ή αρνητική (ανασταλτική δράση ενδιάμεσων ή τελικών προϊόντων) ανάδραση.

Για πρώτη φορά, μια ταλαντωτική αντίδραση, που εκδηλώνεται με τη μορφή περιοδικών αναλαμπές φωτός κατά την οξείδωση του ατμού του φωσφόρου, παρατηρήθηκε στα τέλη του 17ου αιώνα από τον R. Boyle. Το 1921, ο Αμερικανός χημικός W. Bray ήταν ο πρώτος που περιέγραψε μια ταλαντωτική αντίδραση αποσύνθεσης υγρής φάσης υπεροξειδίου του υδρογόνου που καταλύεται από ιωδικά. Το 1951, ο Ρώσος χημικός B.P. Belousov παρατήρησε διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις των οξειδωμένων και ανηγμένων μορφών του καταλύτη - δημητρίου στην αντίδραση της αλληλεπίδρασης του κιτρικού οξέος με τα βρωμικά. Οι διακυμάνσεις μπορούσαν να παρατηρηθούν οπτικά αλλάζοντας το χρώμα του διαλύματος από άχρωμο σε κίτρινο (λόγω της μετάβασης Ce 3+ → Ce 4+). περίοδος ταλάντωσης 10-100 s. Το 1961, ο Ρώσος βιοφυσικός A. M. Zhabotinsky παρατήρησε διακυμάνσεις στη συγκέντρωση όταν χρησιμοποιήθηκε μηλονικό ή μηλικό οξύ ως αναγωγικός παράγοντας στην αντίδραση Belousov. Η αντίδραση που διεξάγεται στο καθεστώς αυτοταλάντωσης της καταλυτικής οξείδωσης διαφόρων αναγωγικών παραγόντων με βρωμικά άλατα ονομάζεται αντίδραση Belousov-Zhabotinsky (ο λεγόμενος καταλυμένος ταλαντωτής βρωμικών). Είναι γνωστός ένας αρκετά μεγάλος αριθμός άλλων χημικών αντιδράσεων στις οποίες παρατηρούνται ταλαντωτικές αλλαγές στις συγκεντρώσεις των αντιδραστηρίων: μη καταλυόμενοι βρωμικοί ταλαντωτές, χλωριώδες, ιωδικό, υπεροξείδιο και άλλοι ταλαντωτές. Σύγχρονη σκηνήΟι θεμελιώδεις μελέτες της ταλαντωτικής αντίδρασης ξεκίνησαν με το έργο του I. R. Prigogine και των συναδέλφων του, στις οποίες αποδείχθηκε ότι σε ένα ανοιχτό σύστημα κοντά σε ακίνητη κατάσταση, αρκετά μακριά από τη θέση της χημικής ισορροπίας, είναι δυνατές ταλαντωτικές χημικές διεργασίες.

Η κινητική μιας ταλαντωτικής αντίδρασης είναι ένας ταχέως αναπτυσσόμενος κλάδος της γνώσης που έχει προκύψει στη διασταύρωση της χημείας, της βιολογίας, της ιατρικής, της φυσικής και των μαθηματικών. Χρησιμοποιείται στη βιοχημεία, στη βιοφυσική, στη μελέτη των βιορυθμών, στη μελέτη της πληθυσμιακής δυναμικής, στη μετανάστευση οργανισμών, στην οικολογία, στην κοινωνιολογία (μεταβολή πληθυσμού, οικονομική ανάπτυξη). Διακριτικό χαρακτηριστικόΗ δονητική απόκριση είναι μια υψηλή ευαισθησία σε εξωτερικές επιρροές, η οποία ανοίγει προοπτικές για τη δημιουργία θεμελιωδώς νέων μεθόδων για την ανάλυση μικροποσοτήτων διαφόρων ουσιών.

Λιτ.: Zhabotinsky A. M. Αυτοταλαντώσεις συγκέντρωσης. Μ., 1974; Garel D., Garel O. Δονητικές χημικές αντιδράσεις. Μ., 1986; Ταλαντώσεις και κινούμενα κύματα μέσα χημικά συστήματα/ Επιμέλεια R. Field, M. Burger. Μ., 1988; Babloyants A. Μόρια, δυναμική και ζωή. Μ., 1990.

ΔΟΝΗΤΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ- μια κατηγορία οξειδοαναγωγικών περιοδικών αντιδράσεων. Ο μηχανισμός αντίδρασης είναι παρόμοιος με αυτόν μιας διάταξης μανδάλωσης συγκράτησης. Για πρώτη φορά τέτοιες αντιδράσεις ανακαλύφθηκαν το 1951 από τον χημικό της Μόσχας B.P. Belousov.

Οι ταλαντωτικές αντιδράσεις προχωρούν με τη συμμετοχή ενός καταλύτη (για πρώτη φορά αυτό ανακαλύφθηκε κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης παρουσία ιόντων δημητρίου) και συνήθως αποτελούνται από δύο στάδια.

Απαραίτητες προϋποθέσεις για την εμφάνιση τέτοιων αντιδράσεων:

α) η ταχύτητα του πρώτου σταδίου πρέπει να υπερβαίνει σημαντικά την ταχύτητα του δεύτερου σταδίου·

β) στο δεύτερο στάδιο, θα πρέπει να εμφανιστεί μια ένωση που αναστέλλει την πορεία του πρώτου σταδίου (λέγεται αναστολέας).

Μια παρόμοια αντίδραση μπορεί να παρατηρηθεί κατά την ανάμιξη υδατικών διαλυμάτων ενός άλατος δημητρίου (III) (για παράδειγμα, θειικού δημητρίου), βρωμικού καλίου KBrO 3 και βρωμομαλονικού οξέος HO (O) C - CH (Br) - C (O) OH. Η μάζα της αντίδρασης οξινίζεται με θειικό οξύ.

Στο πρώτο στάδιο, το τρισθενές ιόν δημητρίου (το οποίο προέκυψε κατά τη διάσπαση του άλατος δημητρίου) ανάγεται από το βρωμικό ανιόν (παρέχεται από βρωμικό κάλιο). Σε αυτή την περίπτωση, το ιόν Ce(III) οξειδώνεται σε Ce(IV), το οποίο είναι εξωτερικά αισθητό από την αλλαγή στο χρώμα του διαλύματος αντίδρασης - Τα ιόντα Ce(III) σε ένα υδατικό διάλυμα είναι άχρωμα και το Ce(IV) είναι κίτρινα.

10Ce 3+ + 2BrO 3 – + 12H + = 10Ce 4+ + Br 2 + 6H 2 O (I)

Στο επόμενο στάδιο, το προκύπτον ιόν Ce (IV) αντιδρά με βρωμομαλονικό οξύ, οξειδώνοντάς το:

4Ce 4+ + HO(O)C – CH(Br) – C(O)OH + 2H 2 O =

4Ce 3+ + HC(O)OH + 2CO 2 + 5H + + Br - (II)

Σε αυτήν την περίπτωση, το δημήτριο γίνεται ξανά το ιόν Ce (III) και μπορεί να συμμετάσχει ξανά στην αντίδραση Ι. Στην περίπτωση αυτή, παίζει το ρόλο ενός τυπικού καταλύτη, συμμετέχει στην αντίδραση, αλλά δεν καταναλώνεται, ωστόσο, η αντίδραση δεν θα προχωρήστε χωρίς αυτό. Το βρωμικό κάλιο και το βρωμομαλονικό οξύ καταναλώνονται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, το δημήτριο μεταφέρει μόνο ηλεκτρόνια από το ένα αντιδραστήριο στο άλλο (τα αντιδραστήρια έναρξης σημειώνονται με μαύρο χρώμα και τα προϊόντα αντίδρασης είναι με κόκκινο):

Η ιδιαιτερότητα αυτής της αντίδρασης είναι ότι στο στάδιο II, το ανιόν βρωμίου Br – . Αναστέλλει, δηλαδή αναστέλλει το στάδιο Ι, αλλά δεν επηρεάζει το στάδιο ΙΙ. Ως αποτέλεσμα, τα προϊόντα του σταδίου II, κυρίως ιόντα Ce 3+, συσσωρεύονται στο σύστημα αντίδρασης. Σε μια ορισμένη στιγμή, όταν αυτά τα ιόντα συσσωρεύονται σε μεγάλες ποσότητες, τα ιόντα βρωμίου δεν μπορούν πλέον να αναστείλουν το στάδιο Ι και προχωρούν με υψηλό ρυθμό. Τα ιόντα Ce(IV) επανεμφανίζονται στο σύστημα και μετά συμμετέχουν στο αργό στάδιο II. Έτσι, τα ιόντα βρωμίου παίζουν το ρόλο μιας σκανδάλης που εμποδίζει το πρώτο στάδιο να ξεκινήσει μέχρι ένα ορισμένο σημείο. Εξωτερικά, μοιάζει με αυτό (τα ιόντα Ce(III) σε ένα υδατικό διάλυμα είναι άχρωμα και το Ce(IV) είναι κίτρινα): η μάζα της αντίδρασης γίνεται αμέσως κίτρινη και μετά αργά γίνεται άχρωμη (Εικ. 4, ποτήρι Νο. 1) . Το χρώμα αλλάζει περίπου κάθε ενάμιση λεπτό, το χρονικό διάστημα παραμένει αμετάβλητο για αρκετές ώρες. Εάν προσθέσετε σταδιακά αναλώσιμα αντιδραστήρια, τότε ένα τέτοιο "χημικό ρολόι" θα λειτουργήσει για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, ο χρονικός κύκλος της ταλαντωτικής απόκρισης συντομεύεται.

Υπάρχουν και άλλα παραδείγματα ταλαντωτικών αντιδράσεων. Στο σύστημα που περιγράφηκε παραπάνω, τα ιόντα δημητρίου μπορούν να αντικατασταθούν από ιόντα σιδήρου. Για αυτό, χρησιμοποιείται ένα σύμπλοκο θειικού Fe (II) με τρία μόρια φαινανθρολίνης, το οποίο χρωματίζεται κόκκινο σε υδατικό διάλυμα (αυτό το σύμπλεγμα χρησιμοποιείται ευρέως για τον ποσοτικό προσδιορισμό του σιδήρου):

Ένα παρόμοιο σύμπλεγμα Fe(III), το οποίο εμφανίζεται ως αποτέλεσμα της οξείδωσης, χρωματίζεται μπλε· κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, το μπλε χρώμα γίνεται αμέσως κόκκινο, το οποίο σταδιακά γίνεται ξανά μπλε (Εικ. 4, ποτήρι Νο. 2). .

Αν αντικαταστήσουμε το βρωμομαλονικό οξύ με κιτρικό [HOC(O)CH 2 ] 2 C(OH)C(O)OH, τότε παρουσία καταλυτικών ποσοτήτων αλάτων μαγγανίου εμφανίζεται ένα σύστημα στο οποίο το χρώμα πάλλεται κάθε δύο λεπτά (Εικ. 4, ποτήρι Νο. 3) . Οξαλοξικό οξύ HOC(O)CH 2 C(O)C(O)OH με άλατα δημητρίου μετράει διαστήματα έξι δευτερολέπτων (γυαλί Νο. 4). Τα χρονικά διαστήματα στην κινούμενη εικόνα εμφανίζονται υπό όρους, το μεγαλύτερο διάστημα αλλαγής χρώματος είναι στο ποτήρι Νο. 3, το μικρότερο είναι στο ποτήρι Νο. 4

Λίγο μετά την ανακάλυψη τέτοιων αντιδράσεων, διαπιστώθηκε ότι τέτοιες διαδικασίες είναι αρκετά συνηθισμένες. Ως αποτέλεσμα, αναπτύχθηκε μια γενική θεωρία ταλαντωτικών διεργασιών, η οποία περιλαμβάνει ορισμένες αντιδράσεις αέριας φάσης (για παράδειγμα, οξείδωση υδρογονανθράκων), οξείδωση ετεροφάσης μονοξειδίου του άνθρακα, υδρογόνου, αμμωνίας, αιθυλενίου σε μεταλλικούς καταλύτες και έναν αριθμό πολυμερισμού διαδικασίες. Οι ταλαντωτικές αντιδράσεις καθορίζουν την πορεία μερικών από τις πιο σημαντικές βιολογικές διεργασίες: τη δημιουργία νευρικών ερεθισμάτων και τον μηχανισμό συστολής των μυών.

Μιχαήλ Λεβίτσκι

Η ουσία των ταλαντωτικών αντιδράσεων. Μηχανισμός και κινητική των αντιδράσεων δόνησης.

Περιεχόμενο

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ…………………………………………………………………………..…3
2. Βασικές έννοιες……………………………………………………………………4
3. Ιστορία………………………………………………………………………………… 5
4. Σημασία και εύρος……………………………………………8
5. Μηχανισμοί αντιδράσεων……………………………………………………………………………………………… 10
6. Κινητική των ταλαντωτικών αντιδράσεων…………………………………………………………….
7. Η σειρά του πειράματος………………………………………….15
8. Πειραματικά δεδομένα…………………………………………….18
9. Συμπέρασμα………………………………………………………………..23
10. Βιβλιογραφία…………..………………………………..…………24

ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Οι δονητικές αντιδράσεις είναι ένας από τους πιο ενδιαφέροντες και ελκυστικούς κλάδους της ανόργανης χημείας. Προσελκύοντας την προσοχή όχι μόνο σε χημικούς, αλλά και σε φυσικούς, μαθηματικούς, βιοφυσικούς και πολλούς άλλους, αποτελούν επίκαιρο θέμα. σύγχρονη επιστήμη. Ως εκ τούτου, στη δουλειά μου, θέλω να εξοικειωθώ με την ιστορία των ταλαντευτικών αντιδράσεων, τους Πρακτική εφαρμογηκαι τις δύο πιο γνωστές ομοιογενείς ταλαντωτικές αντιδράσεις, καθώς και να κατανοήσουν τους μηχανισμούς τους και, έχοντας στήσει ένα πείραμα, να εξοικειωθούν με τις ταλαντωτικές αντιδράσεις στην πράξη.

Βασικές έννοιες των ταλαντωτικών αντιδράσεων

• Δονητικές αντιδράσεις- μια κατηγορία αντιδράσεων οξειδοαναγωγής που χαρακτηρίζεται από περιοδικές διακυμάνσεις των ενδιάμεσων ουσιών και, ως αποτέλεσμα, διακυμάνσεις στο χρώμα, τη θερμοκρασία, τον ρυθμό ροής κ.λπ.

Υπάρχουν διάφοροι τύποι ταλαντωτικών αντιδράσεων:

1. καταλυτικός
2. ομοιογενής
3. Αντιδράσεις που καταλύονται από ένζυμα
4. Αντιδράσεις που καταλύονται από μεταλλικά ιόντα
5. Ετερογενείς (αντιδράσεις σε στερεούς καταλύτες)
6. Μη καταλυτικά, αν και είναι πιο σωστό να τα ονομάζουμε αυτοκαταλυτικά (οξείδωση αρωματικών ενώσεων με βρωμικό)

• Η περίοδος επαγωγής είναι ο χρόνος του πρωτογενούς σχηματισμού και συσσώρευσης του καταλύτη αντίδρασης.
• Περίοδος ταλάντωσης - η μικρότερη χρονική περίοδος για την οποία συμβαίνει μια πλήρης ταλάντωση (δηλαδή, το σύστημα επιστρέφει στην ίδια κατάσταση στην οποία βρισκόταν την αρχική στιγμή, επιλεγμένη αυθαίρετα)

Ιστορία
Η ιστορία των ταλαντωτικών αντιδράσεων ξεκινά συχνά με τον Γερμανό χημικό και εν μέρει φυσικό φιλόσοφο Friedlieb Ferdinand Runge. Το 1850 και το 1855, δημοσίευσε διαδοχικά δύο βιβλία στα οποία περιέγραψε τις πολύχρωμες περιοδικές δομές που εμφανίζονται σε διηθητικό χαρτί όταν χύνονται πάνω του διαλύματα διαφόρων ουσιών το ένα μετά το άλλο. Στην πραγματικότητα ένα από αυτά - "Ουσία στην αναζήτηση του σχηματισμού" ήταν ένα "άλμπουμ με επικολλημένα φύλλα διηθητικού χαρτιού, στο οποίο πραγματοποιήθηκαν οι αντίστοιχες αντιδράσεις. Για παράδειγμα, διηθητικό χαρτί εμποτίστηκε με διάλυμα θειικού χαλκού, ξηράνθηκε και εμποτίστηκε εκ νέου με διάλυμα φωσφορικού αργιλίου, εφαρμόστηκαν σταγόνες σιδήρου-κυανιούχου καλίου στη μέση, μετά από το οποίο παρατηρήθηκε ο σχηματισμός περιοδικών στρωμάτων. Μετά το Runge, ο Raphael Liesegang μπαίνει στην ιστορία των ταλαντευτικών αντιδράσεων. Το 1896, δημοσίευσε τα πειράματά του με ρυθμικές δομές (δαχτυλίδια Liesegang) που προέκυψαν από την εναπόθεση διχρωμικού αργύρου σε ζελατίνη. Ο Liesegang έχυσε ένα θερμαινόμενο διάλυμα ζελατίνης που περιείχε διχρωμικό κάλιο σε μια γυάλινη πλάκα. Όταν το διάλυμα στερεοποιήθηκε, εφάρμοσε μια σταγόνα διαλύματος νιτρικού αργύρου στο κέντρο της πλάκας. Ο διχρωμικός άργυρος καταβυθίστηκε όχι ως στερεό σημείο, αλλά ως ομόκεντροι κύκλοι. Ο Liesegang, ο οποίος ήταν εξοικειωμένος με τα βιβλία του Runge, αρχικά έτεινε προς μια φυσική-φιλοσοφική και οργανιστική εξήγηση της περιοδικής διαδικασίας που είχε αποκτήσει. Ταυτόχρονα, αντέδρασε επίσης θετικά στη φυσική εξήγηση των «δαχτυλιδιών» του, που δόθηκε το 1898 από τον Wilhelm Ostwald, η οποία βασίστηκε στην έννοια της μετασταθερής κατάστασης. Αυτή η εξήγηση έχει μείνει στην ιστορία ως η θεωρία του υπερκορεσμού.
Μέχρι στιγμής, δεν μιλούσαμε για πραγματικές ταλαντωτικές χημικές αντιδράσεις, αλλά για περιοδικές φυσικές και χημικές διεργασίες, όπου ο χημικός μετασχηματισμός συνοδεύτηκε από μια μετάβαση φάσης. Ο David Albertovich Frank-Kamenetsky ήρθε πιο κοντά στις πραγματικές χημικές ταλαντώσεις, ο οποίος άρχισε να δημοσιεύει τα πειράματά του για τις χημικές ταλαντώσεις από το 1939. Περιέγραψε περιοδικά φαινόμενα κατά την οξείδωση των υδρογονανθράκων: εάν, για παράδειγμα, μίγματα ανώτερων υδρογονανθράκων διέρχονται από έναν τυρβώδη αντιδραστήρα , τότε παρατηρούνται περιοδικές αναλαμπές (παλμοί) ) ψυχρή φλόγα.
Το 1949, ένα μεγάλο άρθρο του Ι.Ε. Ο Salnikova, συνοψίζοντας το έργο του, που ξεκίνησε από κοινή έρευνα με τον D.A. Φρανκ-Καμενέτσκι. Σε αυτό το άρθρο, διαμορφώθηκε η έννοια των θερμοκινητικών ταλαντώσεων. Κατά τη διάρκεια αυτών των ταλαντώσεων, η θερμοκρασία αλλάζει και απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ισορροπία μεταξύ της απελευθέρωσης θερμότητας και της διασποράς της στο περιβάλλον. Και όμως, το πιο βαρύ επιχείρημα υπέρ των χημικών δονήσεων ήταν το άρθρο του Boris Pavlovich Belousov, το οποίο προσπάθησε ανεπιτυχώς να δημοσιεύσει δύο φορές - το 1951 και το 1955. Αν και οι θερμοκινητικές ταλαντώσεις συμβαίνουν σε ομοιογενή συστήματα (σε αντίθεση, για παράδειγμα, με τα συστήματα Liesegang ή ταλαντευόμενου χρωμίου), παρέχονται από τη φυσική (ή φυσικοχημική) διαδικασία της θερμοκατάλυσης. Ανακάλυψη του Β.Π. Ο Μπελούσοφ σχεδόν συμπλήρωσε σχεδόν 150 χρόνια αναζήτησης ταλαντωτικών καθεστώτων σε χημικές διεργασίες. Ήταν ήδη μια καθαρά χημική ταλαντωτική αντίδραση. Στη δεκαετία του 1950, ωστόσο, υπήρξαν και άλλα γεγονότα που σχετίζονται με την αντίδραση Μπελούσοφ. Άλλωστε, αν και το άρθρο του Β.Π. Ο Belousov απορρίφθηκε, οι πληροφορίες σχετικά με την αντίδρασή του διανεμήθηκαν σε επίπεδο επιστημονικής λαογραφίας.
Ένας από τους αποδέκτες αυτών των πληροφοριών ήταν ο Simon Elevich Shnol, ο οποίος είχε ήδη εμπλακεί σε περιοδικές διαδικασίες στη βιοχημεία. Τον ενδιέφερε η φύση της χημικής περιοδικότητας. Έχοντας λάβει το χειρόγραφο του άρθρου του από τον Belousov το 1958, ο Shnol άρχισε να πειραματίζεται με την αντίδρασή του. Και το 1961, ανέθεσε στον μεταπτυχιακό του φοιτητή Anatoly Markovich Zhabotinsky να συνεχίσει το έργο του B.P. Ο Μπελούσοφ, και αυτός, πραγματοποιώντας έρευνα πρώτα υπό την καθοδήγηση του Σνολ, και στη συνέχεια ανεξάρτητα από αυτόν, συνέβαλε αποφασιστικά στην αποσαφήνιση της κινητικής της αντίδρασης Μπελούσοφ και στην μαθηματική μοντελοποίηση. Ως αποτέλεσμα, αυτή η αντίδραση έγινε γνωστή ως αντίδραση Belousov-Zhabotinsky.

Μηχανισμοί αντίδρασης
Μέχρι σήμερα έχουν μελετηθεί αρκετές δεκάδες ομοιογενείς και ετερογενείς χημικές αντιδράσεις. Η μελέτη κινητικών μοντέλων τέτοιων πολύπλοκων αντιδράσεων κατέστησε δυνατή τη διαμόρφωση ορισμένων γενικών συνθηκών απαραίτητων για την εμφάνιση σταθερών ταλαντώσεων του ρυθμού αντίδρασης και των συγκεντρώσεων των ενδιάμεσων ουσιών:

1. Σταθερές διακυμάνσεις συμβαίνουν στις περισσότερες περιπτώσεις σε ανοιχτά συστήματα στα οποία είναι δυνατό να διατηρηθούν σταθερές οι συγκεντρώσεις των συμμετεχόντων αντιδρώντων.
2. Μια ταλαντωτική αντίδραση θα πρέπει να περιλαμβάνει αυτοκαταλυτικά και αναστρέψιμα στάδια, καθώς και στάδια που αναστέλλονται από τα προϊόντα της αντίδρασης.
3. Ο μηχανισμός αντίδρασης πρέπει να περιλαμβάνει βήματα με τάξη μεγαλύτερη από την πρώτη.

Αυτές οι συνθήκες είναι απαραίτητες, αλλά όχι επαρκείς προϋποθέσεις για την εμφάνιση αυτοταλαντώσεων στο σύστημα. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η αναλογία μεταξύ των σταθερών ρυθμού των επιμέρους σταδίων και των τιμών των αρχικών συγκεντρώσεων των αντιδραστηρίων παίζει επίσης σημαντικό ρόλο.

3HOOC(OH)C(CH 2COOH) 2 + BrO 3 - Ce(3+/4+), Η+→ Br - + 3CO 2 + 3H 2 O
Η αντίδραση Belousov-Zhabotinsky είναι η πρώτη από τις αντιδράσεις ταλάντωσης που ανακαλύφθηκαν και μελετήθηκαν. Σε σχέση με αυτό, μπορεί να ονομαστεί ίσως μια από τις πιο μελετημένες αντιδράσεις αυτής της ομάδας. Στο αυτή τη στιγμήμε τον ένα ή τον άλλο τρόπο, επιβεβαιώθηκε η παρουσία ογδόντα ενδιάμεσων σταδίων (και παράπλευρων αντιδράσεων) που συμβαίνουν στο σύστημα.
Ένα από τα πρώτα και απλά κυκλώματαΟι αντιδράσεις ήταν ένα σχήμα που αποτελείται από δύο στάδια:

1. Οξείδωση τρισθενούς δημητρίου με βρωμικό

Ce 3+ BrO3(-), Η+→ Ce 4+

1. Και μείωση του τετρασθενούς δημητρίου με κιτρικό οξύ

Ce 3+ Εντάξει→ Ce 4+
Ωστόσο, δεν κατανοεί πώς και ως αποτέλεσμα των οποίων προκύπτουν ταλαντώσεις στο σύστημα, γεγονός που μας οδηγεί να εξετάσουμε τον μηχανισμό αντίδρασης που προτάθηκε, το 1972, από τον Noyes και άλλους:

1. BrO 3 - + Br - + 2H + ↔ HBrO 2 + HBrO
2. HBrO 2 + Br - + H + ↔ 2HBrO
3. HBrO + Br - + H + ↔ Br 2 + H 2 O
4. Br 2 + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → Br - + H + + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
5. BrO 3 - + HBrO 2 + H + ↔ 2BrO 2. + H2O
6. BrO2. + Ce 3+ + H + → HBrO 2 + Ce 4+
7. 2HBrO 2 ↔ BrO 3 - + HBrO + H +
8. HBrO + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → H 2 O + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
9. 18Ce 4+ + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + 5H 2 O → 18Ce 3+ + 6CO 2 + 18H +

10) 16Ce 4+ + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH → 16Ce 3+ + 6CO 2 + 18H + + Br -

Ας εξετάσουμε λοιπόν τις ταλαντώσεις Ce 3+ / Ce 4+ σε αυτό το σύστημα. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια μικρή, σταδιακά αυξανόμενη ποσότητα Ce 4+ σε διάλυμα, που σημαίνει ότι η συγκέντρωση του Br - είναι επίσης μικρή και αυξάνεται λόγω της αντίδρασης (10). Επομένως, μόλις επιτευχθεί μια ορισμένη κρίσιμη συγκέντρωση του Ce 4+, η συγκέντρωση του Br - θα αυξηθεί απότομα, γεγονός που θα οδηγήσει στη δέσμευση του HBrO 2 σταδίου (2), απαραίτητο για την καταλυτική οξείδωση του Ce 3+ , στάδιο (5), (6). Από αυτό προκύπτει ότι η συσσώρευση Ce 4+ στο διάλυμα θα σταματήσει και η συγκέντρωσή του θα μειωθεί σύμφωνα με τις αντιδράσεις (9), (10). Μια υψηλή συγκέντρωση Br - θα προκαλέσει αύξηση του ρυθμού κατανάλωσής τους σύμφωνα με τις αντιδράσεις (1) - (3). Σε αυτή την περίπτωση, αφού μειώσει τη συγκέντρωση του Br - κάτω από μια ορισμένη τιμή, θα σταματήσει πρακτικά τις αντιδράσεις (2) και (3), οδηγώντας στη συσσώρευση HBrO 2 . Από το οποίο ακολουθεί αύξηση της συγκέντρωσης του Ce 4+ και επανάληψη του κύκλου που περάσαμε.

Αντίδραση Briggs-Rauscher:
IO 3 - + 2H 2 O 2 + H + + RH Mn(2+/3+)→ RI + 2O 2 + 3H 2 O
Όπου το RH είναι μηλονικό οξύ και το RI είναι το παράγωγο ιωδίου του μηλονικού οξέος.
Αυτή η αντίδραση ανακαλύφθηκε το 1973. Η ουσία της αντίδρασης είναι η οξείδωση του μηλονικού οξέος με ιωδικά ιόντα παρουσία υπεροξειδίου του υδρογόνου και ενός καταλύτη (ιόντα Mn 2+/3+). Όταν προστίθεται άμυλο ως δείκτης, παρατηρούνται διακυμάνσεις στο χρώμα του διαλύματος από άχρωμο σε κίτρινο και στη συνέχεια σε μπλε, που προκαλούνται από διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις ιωδίου. Η πλήρης μελέτη του μηχανισμού της αντίδρασης Briggs-Rauscher είναι ένα πολύπλοκο και ακόμη άλυτο, ίσως, πρώτα απ' όλα, κινητικό πρόβλημα. Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, ο μηχανισμός αυτής της αντίδρασης περιλαμβάνει έως και τριάντα στάδια. Ταυτόχρονα, για να κατανοήσουμε τα αίτια των διακυμάνσεων, αρκεί να εξετάσουμε έναν απλοποιημένο μηχανισμό αντίδρασης, που αποτελείται από τα έντεκα παρακάτω στάδια:

1. IO 3 - + H 2 O 2 + H + → HIO 2 + O 2 + H 2 O
2. IO 3 - + HIO 2 + H + ↔ 2IO 2 . + H2O
3. HIO 2 + H 2 O 2 → HIO + O 2 + H 2 O
4. ΙΟ2. + Mn 2+ + H 2 O ↔ HIO 2 + MnOH 2+
5. 2HIO + H 2 O 2 → 2I - + 4O 2 + 4H +
6. MnOH 2+ + I - + H + ↔ I. + Mn2+ + H2O
7. HIO + I - + H + ↔ I 2 + H2O
8. 2HIO 2 → IO 3 - + HIO + H +
9. RH↔ενόλη
10. HIO + ενόλη → RI + H2O
11. I 2 + ενόλη → RI + I - + H +

Εξετάστε τις διακυμάνσεις σε αυτήν την αντίδραση χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του ζεύγους I 2 /I -, καθώς η παρουσία ή η απουσία ιωδίου είναι πιο εύκολο να σταθεροποιηθεί στο διάλυμα λόγω των σχηματιζόμενων μπλε συμπλεγμάτων αμύλου.
Έτσι, εάν η συγκέντρωση του I είναι χαμηλή (ή αυτά τα ιόντα απουσιάζουν στο διάλυμα, που αντιστοιχεί στην αρχική χρονική στιγμή), τότε σύμφωνα με το στάδιο (5) και με περαιτέρω διακυμάνσεις και το στάδιο (11), επίσης ως αντίστροφη αντίδραση του σταδίου (7), αρχίζουν να συσσωρεύονται στο διάλυμα, γεγονός που οδηγεί σε μείωση (αν υπάρχει) στη συγκέντρωση του I 2 . Από τη μείωση της συγκέντρωσης του I 2 ακολουθεί η πτώση του ρυθμού συσσώρευσης του I - . Ταυτόχρονα, μια μεγάλη συγκέντρωση ιόντων Ι - προκαλεί υψηλό ρυθμό κατανάλωσής του στην άμεση αντίδραση του σταδίου (7) και η αυξημένη συγκέντρωση του Ι - μειώνεται ξανά, οδηγώντας μας στην αρχή αυτού του συλλογισμού και επαναλαμβάνοντας τα περιγραφόμενα κύκλος.

Κινητική των αντιδράσεων δόνησης

Τα προβλήματα της μελέτης της κινητικής είναι, αυτή τη στιγμή, τα πιο σύνθετα και άλυτα ακόμα ζητήματα ταλαντωτικών αντιδράσεων. Λόγω του μεγάλου αριθμού αλληλοεξαρτώμενων και παράλληλων διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτή την κατηγορία αντιδράσεων, η σύνταξη συστημάτων διαφορικών εξισώσεων που δίνουν τουλάχιστον κατά προσέγγιση τιμές των σταθερών ρυθμού των ενδιάμεσων σταδίων γίνεται μια εξαιρετικά μη τετριμμένη εργασία. Και παρόλο που τώρα υπάρχουν αρκετά απλουστευμένα μοντέλα που μας επιτρέπουν να εξετάσουμε τα κύρια χαρακτηριστικά της πολύπλοκης συμπεριφοράς των ταλαντωτικών αντιδράσεων, αυτό το θέμα φαίνεται να είναι μάλλον ελάχιστα μελετημένο και επομένως εξαιρετικά ενδιαφέρον για τις επόμενες γενιές ερευνητών. Ταυτόχρονα, παρά το γεγονός αυτό, σε αυτή την εργασία αυτή η ενότητα της μελέτης των ταλαντωτικών αντιδράσεων δεν θα αναπτυχθεί περαιτέρω λόγω της έλλειψης χρόνου και πόρων που απαιτούνται για τη μελέτη της.

Η σειρά του πειράματος
Αντίδραση Μπελούσοφ-Ζαμποτίνσκι.

Αντιδραστήρια: Κιτρικό οξύ, βρωμικό κάλιο, θειικό δημήτριο (III), θειικό οξύ.
Σκεύη: Μεζούρα 50 ml, θερμοανθεκτικά ποτήρια 300 ml και 100 ml, γυάλινη ράβδος, σπάτουλα.
Εξοπλισμός: Αναλυτικοί ζυγοί, πλακάκια.
Για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση Belousov-Zhabotinsky, είναι απαραίτητο να παρασκευαστούν τα ακόλουθα διαλύματα και δείγματα:

1. Παρασκευάζουμε διάλυμα κιτρικού οξέος και το θερμαίνουμε στους 50 o C.
2. Προσθέστε ζυγισμένες μερίδες βρωμικού καλίου και θειικού δημητρίου (III), ανακατέψτε με μια γυάλινη ράβδο.
3. Αφαιρέστε το ενέματα από τα πλακάκια.
4. Προσθέστε θειικό οξύ.

Αντίδραση Briggs-Rauscher.
Απαραίτητα αντιδραστήρια, σκεύη και εξοπλισμός:
Αντιδραστήρια: Ιωδικό κάλιο, θειικό οξύ, μηλονικό οξύ, θειικό μαγγάνιο (II), άμυλο, υπεροξείδιο του υδρογόνου.
Σκεύη: μεζούρα 50 ml, 2 κούπες 500 ml, 3 κούπες 100 ml, γυάλινη ράβδος, σπάτουλα.
Εξοπλισμός: Αναλυτικός ζυγός, μαγνητικός αναδευτήρας, μαγνήτης.
Για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση Briggs-Rauscher, είναι απαραίτητο να παρασκευαστούν τα ακόλουθα διαλύματα:
Λύση #1:

Λύση #2:

Λύση #3

Η σειρά του πειράματος:

1. Προετοιμάστε όλες τις απαραίτητες λύσεις.
2. Ρίξτε 50 ml διαλύματος Νο. 1 σε ποτήρι ζέσεως 500 ml που περιέχει μαγνήτη και τοποθετήστε το σε μαγνητικό αναδευτήρα. Ενεργοποιήστε την.
3. Μετρήστε χωριστά 25 ml διαλύματος Νο. 2 και 40 ml διαλύματος Νο. 3 σε δύο άλλα ποτήρια.
4. Προσθέστε, ταυτόχρονα, τα διαλύματα Νο. 2 και Νο. 3 στο διάλυμα Νο. 1.
5. Καταγράψτε την περίοδο επαγωγής και τις περιόδους ταλάντωσης.

Πείραμα
Αντίδραση Belousov-Zhabotinsky:
Για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση, παρασκευάστηκε ένα διάλυμα κιτρικού οξέος (20 g ανά 80 ml νερού). Για πλήρη διάλυση του κιτρικού οξέος, το διάλυμα έπρεπε να θερμανθεί σε ηλεκτρική κουζίνα. Στη συνέχεια, ζυγισμένα τμήματα βρωμικού καλίου (8 g) και θειικού δημητρίου III (1,5 g) παρασκευάστηκαν και χύθηκαν διαδοχικά σε διάλυμα κιτρικού οξέος. Μετά από ανάδευση με γυάλινη ράβδο, προστέθηκε προσεκτικά θειικό οξύ, συνεχίζοντας την ανάδευση, και στη συνέχεια καταγράφηκαν διακυμάνσεις στο λευκό-κίτρινο χρώμα.

№	Περίοδος, s	Χρώμα	№	Περίοδος, s	Χρώμα
1	23	λευκό	12	12	κίτρινος
2	11	κίτρινος	13	66	λευκό
3	41	λευκό	14	8	κίτρινος
4	12	κίτρινος	15	43	λευκό
5	71	λευκό	16	6	κίτρινος
6	11	κίτρινος	17	56	λευκό
7	43	λευκό	18	5	κίτρινος
8	13	κίτρινος	19	43	λευκό
9	19	λευκό	20	5	κίτρινος
10	10	κίτρινος	21	56	λευκό
11	40	λευκό	22	4	κίτρινος

Αξίζει επίσης να σημειωθεί η αύξηση της ποσότητας αερίου που απελευθερώνεται όταν το διάλυμα σκουραίνει.
Συμπέρασμα: Με βάση τα καταγεγραμμένα δεδομένα, μπορεί κανείς να κρίνει μια σταθερή μείωση του χρόνου που δαπανάται σε διάλυμα τετρασθενούς δημητρίου (που υποδηλώνει έμμεσα μείωση του pH του μέσου, αφού όσο πιο όξινο είναι το μέσο, ​​τόσο ισχυρότερος είναι ο οξειδωτικός παράγοντας δημήτριο και όσο λιγότερο σταθερό είναι).
Βρέθηκε επίσης μια εκπληκτική κανονικότητα, καθώς κατά τη διάρκεια της αντίδρασης κυμαίνεται όχι μόνο οι συγκεντρώσεις των ενδιάμεσων ουσιών, αλλά και ο χρόνος των περιόδων ταλάντωσης (αποσβεσμένη αρμονική ταλάντωση):

Αντίδραση Briggs-Rauscher:
Παρασκευάστηκαν τρία διαλύματα για την αντίδραση: διάλυμα ιωδικού καλίου (c (KIO 3) \u003d 0,067 mol / l, c (H 2 SO 4) \u003d 0,053 mol / l) - 50 ml, διάλυμα αμύλου μηλονικού οξέος με προσθήκη καταλυτικής ποσότητας θειικού μαγγανίου δύο (c (MnSO 4) \u003d 0,0067 mol / l· c (CH 2 (COOH) 2) \u003d 0,05 mol / l· άμυλο 0,1%) - 25 ml και ένα επτά μοριακό διάλυμα υπεροξειδίου του υδρογόνου - 40 ml. Το διάλυμα Νο. 1 χύθηκε σε ένα ποτήρι, στο οποίο βρισκόταν ο μαγνήτης, για 250 ml. Το ποτήρι ζέσεως τοποθετήθηκε σε μαγνητικό αναδευτήρα, ο οποίος στη συνέχεια ενεργοποιήθηκε, και ενεργοποιήθηκε η εντατική ανάδευση έτσι ώστε η αλλαγή χρώματος να συμβεί απότομα. Στη συνέχεια, χωρίς διακοπή της ανάδευσης, προστέθηκαν τα περιεχόμενα των ποτηριών με τα διαλύματα Νο. 2 και Νο. 3, ταυτόχρονα και γρήγορα. Το χρονόμετρο μέτρησε την εμφάνιση του πρώτου κίτρινου χρώματος - την περίοδο επαγωγής και την έναρξη της εμφάνισης μπλε κηλίδων - την περίοδο ταλάντωσης.

Η περίοδος επαγωγής είναι 2 δευτερόλεπτα.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Περίοδος, s	13	12	14	12	13	14	13	14	14	15	15	16
№	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
Περίοδος, s	16	16	17	17	17	18	17	18	17	18	18	17

Συμπέρασμα: Καθώς η αντίδραση προχωρά, παρατηρείται σταδιακή αύξηση της περιόδου των ταλαντώσεων, η οποία είναι ιδιαίτερα εμφανής στο γράφημα:

συμπέρασμα
Σε αυτή την εργασία εξετάστηκαν οι ταλαντωτικές αντιδράσεις και οι ιδιότητές τους, ειδικότερα:

1. Το πεδίο εφαρμογής των ταλαντωτικών αντιδράσεων στον σύγχρονο κόσμο έχει μελετηθεί
2. Το ιστορικό των ταλαντωτικών αντιδράσεων έχει μελετηθεί
3. Αναλύονται οι μηχανισμοί δύο ταλαντωτικών αντιδράσεων: Briggs-Rauscher

και Belousov-Zhabotinsky

1. Ο μηχανισμός αντίδρασης Belousov-Zhabotinsky προσαρμόστηκε για

θεωρώντας το κιτρικό οξύ ως αναγωγικό παράγοντα

1. Πραγματοποιήθηκε σύνθεση ελέγχου για οπτική γνωριμία με τις ταλαντωτικές αντιδράσεις.

Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας

1. D. Garel, O. Garel «Δονητικές χημικές αντιδράσεις» μετάφραση από τα αγγλικά L.P. Tikhonova. Εκδοτικός οίκος "Mir" 1986. Σελίδα 13-25, 92-112.
2. ΕΙΜΑΙ. Zhabotinsky "Αυτοταλαντώσεις συγκέντρωσης". Εκδοτικός οίκος "Nauka" 1974. Σελίδα 87-89
3. ΕΝΤΑΞΕΙ. Pervukhin, Δονητικές αντιδράσεις. Εργαλειοθήκη". Εκδοτικός οίκος του Κρατικού Πανεπιστημίου της Αγίας Πετρούπολης 1999. Σελίδα 3-11.
4. S. P. MUShTAKOVA "Δονητικές αντιδράσεις στη χημεία" Saratov State University με το όνομα V.I. Ν.Γ. Τσερνισέφσκι
5. «Διερεύνηση των συνθηκών για την εμφάνιση ταλαντωτικού καθεστώτος στη διαδικασία οξειδωτικής καρβονυλίωσης του φαινυλακετυλενίου». Σελίδα 2-4.
6. ΤΑΥΤΟΤΗΤΑ. Ikramov, S.A. Μουσταφίν. "ΕΝΑΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ ΑΝΑΖΗΤΗΣΗΣ ΤΩΝ ΣΤΑΘΕΡΩΝ ΡΥΘΜΟΥ ΤΗΣ ΔΟΝΗΤΙΚΗΣ ΑΠΑΝΤΗΣΗΣ ΜΕ ΤΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΤΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΜΠΕΛΟΥΣΟΦ-ΖΑΜΠΟΤΣΚΙ". Μπασκίρ χημικό περιοδικό 2015
7. Pechenkin A.A. "Η ιδεολογική σημασία των ταλαντωτικών χημικών αντιδράσεων"
8. Field R. J., Koros E., Noyes R. M., Oscillations in Chemical Systems II. Ενδελεχής Ανάλυση Θερμοκρασιακών Ταλαντώσεων στο Σύστημα Βρωμιούχου Δημήτριου-Μαλονικού Οξέος., J. Amer. Chem. Soc., 94, 8649-8664 (1972).
9. Noyes R. M., Field R. J., Koros E., J. Amer. Chem. Soc., 94, 1394-1395 (1972).

	Προς την κατεβάστε εργασίαελεύθερα να γίνετε μέλος της ομάδας μας Σε επαφή με. Απλώς κάντε κλικ στο κουμπί παρακάτω. Παρεμπιπτόντως, στην ομάδα μας βοηθάμε στη σύνταξη ακαδημαϊκών εργασιών δωρεάν. Λίγα δευτερόλεπτα μετά την επαλήθευση της συνδρομής, θα εμφανιστεί ένας σύνδεσμος για να συνεχιστεί η λήψη της εργασίας.

Η ανακάλυψη της δόνησης
χημικές αντιδράσεις

Το 2001 σηματοδότησε την 50ή επέτειο από την ανακάλυψη από τον B.P. Belousov μιας αυτοταλαντούμενης χημικής αντίδρασης, η οποία κατέστησε δυνατή την παρακολούθηση περιοδικών αλλαγών στη συγκέντρωση των αντιδραστηρίων και τη διάδοση των αυτοκυμάτων σε ένα ομοιογενές χημικό σύστημα.

«Κοιτάτε ένα ποτήρι κόκκινο-μωβ υγρό και ξαφνικά γίνεται έντονο μπλε. Και μετά πάλι κόκκινο-μωβ. Και πάλι μπλε. Και αρχίζεις άθελά σου να αναπνέεις έγκαιρα με τις δονήσεις. Και όταν το υγρό χύνεται σε ένα λεπτό στρώμα, κύματα αλλαγής χρώματος διαδίδονται σε αυτό. Σχηματίζονται πολύπλοκα μοτίβα, κύκλοι, σπείρες, ανεμοστρόβιλοι ή όλα αποκτούν μια εντελώς χαοτική εμφάνιση» – έτσι ο καθηγητής S.E.
Το 1958 πραγματοποιήθηκε ένα σεμινάριο στο Ινστιτούτο Χημικής Φυσικής της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ. Ο ομιλητής, ένας νεαρός βιοφυσικός Shnoll, μιλώντας για τους βιορυθμούς, ανέπτυξε την υπόθεσή του ότι οι χημικές αντιδράσεις ελέγχουν τα βιολογικά ρολόγια. Για να επιβεβαιωθεί αυτό, χρειάστηκαν πραγματικά παραδείγματα χημικών δονήσεων και ο ομιλητής ρώτησε το κοινό εάν μπορούσε κάποιος να τα υποδείξει. Κανείς δεν έδωσε τέτοια παραδείγματα· επιπλέον, εκφράστηκαν ορισμένες σκέψεις σχετικά με τη θεμελιώδη αδυναμία διακυμάνσεων της συγκέντρωσης στις χημικές αντιδράσεις. Το ζήτημα επιλύθηκε με απροσδόκητο τρόπο. Μετά το κλείσιμο του σεμιναρίου, όταν σχεδόν όλοι οι συμμετέχοντες είχαν αποχωρήσει, ένας νεαρός μεταπτυχιακός φοιτητής πλησίασε τον ομιλητή και είπε ότι ο θείος του είχε μελετήσει τις χημικές δονήσεις πριν από πέντε ή έξι χρόνια.

Τέτοιος δύσκολη ιστορία

Αποδείχθηκε ότι ο Shnol έψαχνε για αυτόν τον άντρα για πολύ καιρό. Ήδη από το 1951, ο Boris Pavlovich Belousov, ένας θείος, ή μάλλον προγιός του μεταπτυχιακού φοιτητή Boris Smirnov, ανακάλυψε διακυμάνσεις στις συγκεντρώσεις οξειδωμένων και ανηγμένων μορφών δημητρίου στην αντίδραση κιτρικού οξέος με βρωμικό κάλιο, που καταλύεται από ιόντα δημητρίου. Το διάλυμα άλλαζε τακτικά το χρώμα του από άχρωμο σε κίτρινο λόγω της παρουσίας του δημητρίου (IV), και μετά σε άχρωμο λόγω του δημητρίου (III), κ.λπ. Ο Belousov διεξήγαγε μια αρκετά λεπτομερή μελέτη αυτής της αντίδρασης και, ειδικότερα, διαπίστωσε ότι το η περίοδος ταλάντωσης μειώνεται σημαντικά με την αύξηση της οξύτητας του μέσου και της θερμοκρασίας.
Η αντίδραση αποδείχθηκε επίσης βολική για εργαστηριακές μελέτες. Οι ταλαντώσεις μπορούσαν να παρατηρηθούν εύκολα οπτικά και η περίοδος τους ήταν στην περιοχή από 10-100 δευτερόλεπτα.
Πραγματικά, σύγχρονη ιστορίαΟι μελέτες των ταλαντωτικών χημικών αντιδράσεων στην υγρή φάση ξεκίνησαν το 1951 με την ανακάλυψη του Μπελούσοφ, αν και για τον ίδιο τον συγγραφέα, όλα δεν πήγαν τόσο ομαλά. Η εργασία του που περιγράφει την ταλαντωτική αντίδραση απορρίφθηκε δύο φορές από τους εκδότες ακαδημαϊκών χημικών περιοδικών. Μόλις το 1958 δημοσιεύτηκε η συνοπτική έκδοσή του στη ελάχιστα γνωστή Συλλογή Περιλήψεων για την Ιατρική Ακτινοβολίας.
Φαίνεται τώρα ότι ο κύριος λόγος για την απόρριψη αυτού του φαινομένου από τους χημικούς ήταν η ευρέως διαδεδομένη πεποίθηση ότι μακριά από τη θέση ισορροπίας, οι διακυμάνσεις της συγκέντρωσης απαγορεύονται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
Ενώ οι χημικοί, μαζί με βιοχημικούς, απέρριψαν ομόφωνα τις χημικές δονήσεις, οι τελευταίοι συνέχισαν να προσελκύουν την προσοχή μαθηματικών και φυσικών που ενδιαφέρονται για τη βιολογία. Το 1952, ο Άγγλος επιστήμονας A.M. Turing δημοσίευσε ένα άρθρο «Χημικά θεμέλια της μορφογένεσης», στο οποίο ανέφερε ότι ο συνδυασμός χημικών δονήσεων με τη διάχυση μορίων μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση σταθερών χωρικών δομών, περιοχών υψηλών και χαμηλών συγκεντρώσεων. εκ των οποίων εναλλάσσονται. Ο Turing έθεσε στον εαυτό του ένα καθαρά θεωρητικό πρόβλημα: μπορούν να σχηματιστούν σταθερές διαμορφώσεις ενδιάμεσων προϊόντων σε έναν αντιδραστήρα υπό τις συνθήκες μιας χημικής αντίδρασης; Και έδωσε μια θετική απάντηση, δημιουργώντας ένα συγκεκριμένο μαθηματικό μοντέλο της διαδικασίας. Εκείνη την εποχή, δεν δόθηκε η δέουσα σημασία σε αυτό το έργο, ειδικά επειδή ούτε ο ίδιος ο Turing ούτε οι συνάδελφοί του μπορούσαν να γνωρίζουν για το έργο του Belousov και τις μάταιες προσπάθειές του να το δημοσιεύσει.
Το 1955, ο Βέλγος φυσικός και φυσικοχημικός, συγγραφέας της θεωρίας της θερμοδυναμικής των μη αναστρέψιμων διεργασιών, I.R. Prigogine έδειξε ότι σε ένα ανοιχτό σύστημα, κοντά σε μια στατική κατάσταση, αρκετά μακριά από τη χημική ισορροπία, είναι δυνατές οι χημικές ταλαντώσεις. Ήταν αυτός που επέστησε την προσοχή της δυτικής επιστημονικής κοινότητας στο έργο των Σοβιετικών επιστημόνων. Ως αποτέλεσμα, μερικές ταλαντευτικές ετερογενείς χημικές αντιδράσεις ανακαλύφθηκαν πίσω τέλη XIXγ) έχουν γίνει ευρέως αποδεκτές. Ήταν αυτοί που άρχισαν να θεωρούνται ως ανάλογα ορισμένων περιοδικών διεργασιών, για παράδειγμα, "βιολογικά ρολόγια".
Έγινε σαφές στους ερευνητές ότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν παραβιάζεται στα ζωντανά συστήματα και δεν παρεμβαίνει στη σύνθετη συμπεριφορά και την εξέλιξή τους. Αλλά για την ύπαρξη της ζωής ή οποιουδήποτε από τα φυσικά ή χημικά της μοντέλα, είναι απαραίτητο το σύστημα να βρίσκεται μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Και τα ομοιογενή χημικά συστήματα θα μπορούσαν να γίνουν ένα βολικό μοντέλο για τη μελέτη τέτοιων διαδικασιών.
Ήταν εκείνη τη στιγμή που ο καθηγητής Shnoll έλαβε μια «συνταγή» για μια ταλαντευτική αντίδραση από τον Belousov και του πρόσφερε συνεργασία, την οποία αρνήθηκε κατηγορηματικά, αν και δεν είχε αντίρρηση για τη συνέχιση αυτών των εργασιών.
Το 1961, ο ακαδημαϊκός I.E. Tamm, ένας εξέχων θεωρητικός φυσικός, αποφάσισε να «επιθεωρήσει» την κατάσταση στο νεοσύστατο Τμήμα Βιοφυσικής της Σχολής Φυσικής του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας. Ο Σνόλ του έδειξε την αντίδραση του Μπελούσοφ. Δείτε πώς λέει ο ίδιος ο Shnol: «Ο Igor Evgenievich είδε και σταμάτησε για πολύ καιρό, απόλαυσε. Τότε είπε: «Λοιπόν, ξέρετε τι, αδέρφια, έχοντας μια τέτοια αντίδραση, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε: θα υπάρχουν αρκετοί γρίφοι και θα δουλέψουν για πολλά χρόνια». Τα λόγια του Igor Evgenievich επηρέασαν πολλούς. Ο Tolya Zhabotinsky από το πρώτο μας τεύχος, ένας κληρονομικός, όπως είπε στον εαυτό του, ένας φυσικός, αποφάσισε να αναλάβει την αντίδραση.
Ο Shnol υποστήριξε τον νεαρό επιστήμονα και πρότεινε στον μεταπτυχιακό φοιτητή A.M. Zhabotinsky να ξεκινήσει έρευνα για τον μηχανισμό της αντίδρασης Belousov, στον οποίο συμμετείχε με ενθουσιασμό. «Ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της δουλειάς του Zhabotinsky και της ομάδας των συνεργατών που σχηματίστηκε γύρω του», θυμάται ο Shnol, «ήταν ο συνδυασμός ενός χημικού πειράματος, μεθόδων φυσικής καταγραφής και η κατασκευή μαθηματικών μοντέλων. Σε αυτά τα μοντέλα - συστήματα διαφορικών εξισώσεων - αντικαταστάθηκαν κινητικές σταθερές από πειραματικά δεδομένα. Μετά από αυτό, ήταν δυνατό να συγκριθούν οι πειραματικές καταγραφές των δονήσεων με τις καμπύλες που προέκυψαν από την προσομοίωση σε υπολογιστή».
Αργότερα, οι εργασίες αυτές συνεχίστηκαν στο Εργαστήριο Φυσικής Βιοχημείας του Ινστιτούτου Βιολογικής Φυσικής της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ. Ο Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών V.A. Vavilin θυμάται: «Ο Zhabotinsky και εγώ, απόφοιτος του Τμήματος Βιοφυσικής της Σχολής Φυσικής του Κρατικού Πανεπιστημίου της Μόσχας, είχαμε το καθήκον να ανιχνεύσουμε ταλαντώσεις στο σύστημα Bray χρησιμοποιώντας συνεχή φασματοφωτομετρική καταγραφή της συγκέντρωσης ιωδίου . Ενδιαφέρον είχε επίσης η σύγκριση των μηχανισμών των αντιδράσεων Belousov και Bray. Το γεγονός είναι ότι οι ταλαντώσεις σε ένα χημικό σύστημα υγρής φάσης ανακαλύφθηκαν το 1921 από τον W. Bray. Κατά τη διάρκεια της αποσύνθεσης του υπεροξειδίου του υδρογόνου από το ιωδικό κάλιο, ανακάλυψε μια περιοδική απελευθέρωση οξυγόνου από το σύστημα, καθορίζοντας αρκετές περιόδους έντονα απόσβεσης ταλαντώσεων. Κάποιοι ερευνητές, αναφερόμενοι στην έντονη έκλυση αερίων, εξέφρασαν αμφιβολίες για την ομοιογενή φύση αυτής της αντίδρασης, επομένως η ύπαρξη ταλαντωτικής αντίδρασης σε ομοιογενές μέσο δεν αποδείχθηκε από τα πειράματα του Bray.
Αμέσως προέκυψε ένα είδος «ανταγωνισμού» ανάμεσα στις δύο περιοδικές αντιδράσεις του Μπρέι και του Μπελούσοφ. Ωστόσο, η εύκολη αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων και τα όμορφα οπτικά εφέ που παρατηρήθηκαν στην αντίδραση Belousov συνέβαλαν στην εμφάνιση μεγάλου αριθμού υποστηρικτών της και έγινε ευρέως γνωστή (αργότερα ονομάστηκε αντίδραση Belousov–Zhabotinsky ή αντίδραση BZ, και η περιοδική αντίδραση Bray, η Bray– Libavsky). Σύμφωνα με τον Vavilin, η ανακάλυψη και μελέτη των αυτοταλαντώσεων και των αυτοκυμάτων κατά τη διάρκεια της αντίδρασης Belousov από τους S.E. Shnoll, A.M. Zhabotinsky, V.I. Krinsky, A.N. Zaikin, G.R. θεμελιώδης εγχώρια επιστήμη στη μεταπολεμική περίοδο. Παρεμπιπτόντως, ο Zhabotinsky έχει ένα από τα πρώτα βιβλία σε αυτόν τον τομέα.
Η ταχεία και επιτυχημένη μελέτη της αντίδρασης Μπελούσοφ-Ζαμποτίνσκι λειτούργησε ως έναυσμα στην επιστήμη: θυμήθηκε αμέσως ότι τέτοιες διαδικασίες ήταν γνωστές από πριν. Ωστόσο, η αξία της αντίδρασης Belousov, σύμφωνα με τον καθηγητή B.V. με τη βοήθεια αυτής της ενδιαφέρουσας μεταμόρφωσης από τους A.M. Zhabotinsky, A.N. Zaikin, E.E. Selkov και άλλους. Αν στραφούμε στο παρελθόν, οι πρώτες περιγραφές διακυμάνσεων στα συστήματα συγκέντρωσης χρονολογούνται από τον 19ο αιώνα.

Μελέτες συγκέντρωσης
δισταγμός πριν από το άνοιγμα
αντιδράσεις Μπελούσοφ

Αποδείχθηκε ότι μία από τις πρώτες δημοσιεύσεις για τις χημικές δονήσεις χρονολογείται από το 1828. Σε αυτήν, ο T. Fechner περιέγραψε τα αποτελέσματα μιας μελέτης των ταλαντώσεων μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Το 1833, ο W. Herschel δημοσίευσε μια παρόμοια μελέτη για τις διακυμάνσεις σε μια καταλυτική ετερογενή αντίδραση. Το πιο ενδιαφέρον είναι το έργο του M. Rosenskiöld, που χρονολογείται από το 1834. Ο συγγραφέας του παρατήρησε κατά λάθος ότι μια μικρή φιάλη που περιέχει λίγο φώσφορο εκπέμπει αρκετά έντονο φως στο σκοτάδι. Δεν υπήρχε τίποτα περίεργο στο ίδιο το γεγονός της λάμψης του φωσφόρου, αλλά το γεγονός ότι αυτή η λάμψη επαναλαμβανόταν τακτικά κάθε έβδομο δευτερόλεπτο ήταν ενδιαφέρον. Η δημοσίευση του Rosenskiöld δίνει μια λεπτομερή μελέτη για το τρεμόπαιγμα των λαμπτήρων. Σαράντα χρόνια αργότερα, αυτά τα πειράματα με τη «φιάλη που τρεμοπαίζει» συνεχίστηκαν από τον Γάλλο M. Joubert (1874). Κατάφερε να παρατηρήσει τον περιοδικό σχηματισμό «φωτεινών νεφών» σε δοκιμαστικό σωλήνα. Είκοσι χρόνια αργότερα, ο Γερμανός επιστήμονας A. Zentnershwer μελέτησε επίσης την επίδραση της πίεσης του αέρα στις περιοδικές αναλαμπές φωσφόρου. Στα πειράματά του, η περίοδος φλας ξεκίνησε στα 20 δευτερόλεπτα και μειώθηκε με τη μείωση της πίεσης. Ταυτόχρονα, στην Αγγλία, οι χημικοί T. Thorpe και A. Tatton παρατήρησαν περιοδικές λάμψεις της αντίδρασης οξείδωσης του τριοξειδίου του φωσφόρου σε ένα σφραγισμένο γυάλινο δοχείο.
Μια ιδιαίτερα φωτεινή σελίδα στην ιστορία των χημικών δονήσεων συνδέεται με τους λεγόμενους δακτυλίους Liesegang. Το 1896, ο Γερμανός χημικός R. Liesegang, πειραματιζόμενος με φωτοχημικά, ανακάλυψε ότι εάν ρίξετε λάπις σε γυάλινη πλάκα επικαλυμμένη με ζελατίνη που περιέχει κορυφή χρωμίου, τότε το προϊόν της αντίδρασης, που κατακρημνίζεται, βρίσκεται στην πλάκα σε ομόκεντρους κύκλους. Ο Liesegang γοητεύτηκε με αυτό το φαινόμενο και το μελέτησε για σχεδόν μισό αιώνα. Βρήκε και πρακτικές εφαρμογές. Στην εφαρμοσμένη τέχνη, τα δαχτυλίδια του Liesegang χρησιμοποιήθηκαν για τη διακόσμηση διαφόρων προϊόντων με απομίμηση ίασπη, μαλαχίτη, αχάτη κ.λπ. Ο ίδιος ο Liesegang πρότεινε μια τεχνολογία για την κατασκευή τεχνητών μαργαριταριών. Παρόλα αυτά, η ανακάλυψη του Liesegang, που είχε μεγάλη απήχηση στους επιστημονικούς χημικούς κύκλους, δεν ήταν η πρώτη. Και πριν από αυτόν, μελετήθηκαν τα χημικά κύματα και το 1855 εκδόθηκε ένα βιβλίο του F. Runge, στο οποίο συγκεντρώθηκαν πολυάριθμα παραδείγματα τέτοιων πειραμάτων.
Ο κατάλογος τέτοιων παραδειγμάτων θα μπορούσε να συνεχιστεί. Μετά από αυτά, ανακαλύφθηκαν ταλαντωτικές αντιδράσεις στη διεπιφάνεια μεταξύ δύο φάσεων. Από αυτές, οι πιο γνωστές είναι οι αντιδράσεις στη διεπαφή μετάλλου-διαλύματος, οι οποίες έλαβαν συγκεκριμένες ονομασίες - "σιδερένιο νεύρο" και "καρδιά υδραργύρου". Το πρώτο από αυτά - η αντίδραση της διάλυσης του σιδήρου (σύρματος) σε νιτρικό οξύ - πήρε το όνομά του λόγω της εξωτερικής ομοιότητας με τη δυναμική ενός διεγερμένου νεύρου, που παρατήρησε ο VF Ostwald. Η δεύτερη, ή μάλλον μια από τις παραλλαγές της, είναι η αντίδραση αποσύνθεσης του H 2 O 2 στην επιφάνεια του μεταλλικού υδραργύρου. Στην αντίδραση, εμφανίζεται περιοδικός σχηματισμός και διάλυση ενός φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια του υδραργύρου. Οι διακυμάνσεις της επιφανειακής τάσης του υδραργύρου προκαλούν ρυθμικούς παλμούς της πτώσης, που θυμίζουν τους χτύπους της καρδιάς. Αλλά όλες αυτές οι αντιδράσεις δεν τράβηξαν πολύ την προσοχή των χημικών, αφού οι ιδέες για την πορεία μιας χημικής αντίδρασης ήταν ακόμα μάλλον ασαφείς.
Μόνο στο δεύτερο μισό του XIX αιώνα. προέκυψαν η θερμοδυναμική και η χημική κινητική, που έθεσαν τα θεμέλια για ένα συγκεκριμένο ενδιαφέρον για τις ταλαντευτικές αντιδράσεις και τις μεθόδους για την ανάλυσή τους. Και ταυτόχρονα, ήταν η ανάπτυξη της θερμοδυναμικής ισορροπίας που αρχικά χρησίμευσε ως τροχοπέδη για τη μελέτη τέτοιων διεργασιών. Το θέμα, προφανώς, ήταν στην «αδράνεια της προηγούμενης γνώσης». Σύμφωνα με τον καθηγητή Shnol, «ένα μορφωμένο άτομο δεν θα μπορούσε να φανταστεί τη μακροσκοπική τάξη στην τυχαία θερμική κίνηση ενός τεράστιου αριθμού μορίων: όλα τα μόρια βρίσκονται σε μια κατάσταση και μετά σε μια άλλη! Σαν να αναγνωρίζει την ύπαρξη μιας μηχανής αέναης κίνησης. Αυτό δεν μπορεί να είναι. Και όντως δεν μπορεί να είναι. Δεν μπορεί να είναι κοντά στην κατάσταση ισορροπίας, αλλά μόνο αυτή θεωρήθηκε από τη θερμοδυναμική εκείνων των ετών. Ωστόσο, δεν υπάρχουν περιορισμοί στους σύνθετους, συμπεριλαμβανομένων των ταλαντευτικών, τρόπων για χημικά συστήματα μη ισορροπίας, όταν οι αντιδράσεις δεν έχουν ακόμη ολοκληρωθεί και οι συγκεντρώσεις των αντιδραστηρίων δεν έχουν φτάσει στο επίπεδο ισορροπίας. Αλλά αυτή η περίσταση διέφυγε της προσοχής των χημικών... Χρειάστηκε μια εξαιρετική πνευματική προσπάθεια για να ξεφύγουμε από τα «σιδερένια δεσμά της πλήρους γνώσης» και να διερευνήσουμε τη συμπεριφορά συστημάτων μακριά από την ισορροπία.
Παρόλα αυτά, ήδη το 1910, ο Ιταλός A. Lotka, βασισμένος στην ανάλυση ενός συστήματος διαφορικών εξισώσεων, προέβλεψε την πιθανότητα ταλαντώσεων σε χημικά συστήματα. Ωστόσο, τα πρώτα μαθηματικά μοντέλα αντιστοιχούσαν μόνο σε αποσβεσμένες ταλαντώσεις. Μόλις 10 χρόνια αργότερα, ο Lotka πρότεινε ένα σύστημα με δύο διαδοχικές αυτοκαταλυτικές αντιδράσεις, και σε αυτό το μοντέλο οι ταλαντώσεις θα μπορούσαν ήδη να είναι αδιάκοπες.
Ωστόσο, οι θέσεις των φυσικών και των χημικών διέφεραν εδώ. Ένα από τα πιο εντυπωσιακά επιτεύγματα της φυσικής και των μαθηματικών του ΧΧ αιώνα. – δημιουργία της θεωρίας των ταλαντώσεων. Τα μεγάλα, παγκοσμίως αναγνωρισμένα πλεονεκτήματα εδώ ανήκουν στους Σοβιετικούς φυσικούς. Το 1928, ο μεταπτυχιακός φοιτητής A. A. Andronov, μελλοντικός ακαδημαϊκός, έκανε μια παρουσίαση στο συνέδριο των φυσικών "Οι κύκλοι του Πουανκαρέ και η θεωρία των αυτοταλαντώσεων".
Στις αρχές της δεκαετίας του 1930 στο Ινστιτούτο Χημικής Φυσικής της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ, ανακαλύφθηκαν διακυμάνσεις της φωταύγειας σε «ψυχρές φλόγες» παρόμοιες με τη δονητική φωταύγεια του ατμού φωσφόρου, που ενδιέφερε τον διάσημο φυσικό D.A. Frank-Kamenetsky, ο οποίος εξήγησε αυτές τις διακυμάνσεις με βάση Το κινητικό μοντέλο του Lotka. Και το 1947, στο ίδιο ινστιτούτο, παρουσιάστηκε μια διατριβή για υπεράσπιση με θέμα "Σχετικά με τη θεωρία της περιοδικής εμφάνισης ομοιογενών χημικών αντιδράσεων", που γράφτηκε από τον I.E. Salnikov υπό την επιστημονική καθοδήγηση του Frank-Kamenetsky. Αυτή η διατριβή περιείχε εκτενείς πληροφορίες για περισσότερο από έναν αιώνα ιστορίας της μελέτης των χημικών δονήσεων και τα πρώτα αποτελέσματα της θεωρητικής μελέτης τους χρησιμοποιώντας τις μεθόδους της θεωρίας των μη γραμμικών δονήσεων που αναπτύχθηκαν από τη σχολή του Ακαδημαϊκού Andronov. Τότε όμως η υπεράσπισή της δεν έγινε. Σύμφωνα με τον Βολταίρο, «τα έργα των Frank-Kamenetsky και Salnikov για τις χημικές αυτοταλαντώσεις, που παρουσιάστηκαν σε μια διατριβή, σε ένα βιβλίο και σε μια σειρά από άρθρα, ήταν σίγουρα καινοτόμα για την τότε χημική επιστήμη. Αλλά λίγοι άνθρωποι κατάλαβαν αυτή την καινοτομία. Η «ιδεολογία των δονήσεων» (όρος του Andronov) ήταν ξένη προς τη μη ταλαντευτική ρουτίνα της χημικής επιστήμης και πρακτικής, και αυτό μπορεί να εξηγήσει το γεγονός ότι το έργο των Frank-Kamenetsky και Salnikov στη δεκαετία του 1940. έγιναν δεκτοί με εχθρότητα και όταν έγινε η δεύτερη ανακάλυψη χημικών δονήσεων, κανείς δεν τους θυμήθηκε. Παραμένει μυστήριο αν ο Μπελούσοφ είχε ιδέα για αυτά τα έργα. Σε κάθε περίπτωση, τα δύο χαρτιά του δεν αναφέρουν το έργο των προκατόχων του.

Η αντίδραση του Μπελούσοφ
και αποσαφήνιση του μηχανισμού του

Ας επιστρέψουμε στην εξέταση της ουσίας μιας ομοιογενούς ταλαντωτικής αντίδρασης. Ο Belousov χρησιμοποίησε κιτρικό οξύ και παράγωγα δημητρίου ως ζεύγος οξειδωτικού παράγοντα-αναγωγικού. Ο A.P. Safronov, μαθητής και συνεργάτης του Belousov, συμβούλεψε την προσθήκη ενός συμπλέγματος σιδήρου με φαιναντρονύλιο στο διάλυμα. Σε αυτή την κατάσταση, το χρώμα άλλαξε θεαματικά: από λιλά-κόκκινο σε έντονο μπλε. Ο Zhabotinsky, ο οποίος ανέλαβε μια λεπτομερή μελέτη του μηχανισμού αντίδρασης, έδειξε τελικά ότι η αυτοταλαντούμενη αντίδραση μπορεί επίσης να συμβεί όταν το κιτρικό οξύ αντικαθίσταται από οποιοδήποτε άλλο δικαρβοξυλικό οξύ με μια ενεργή ομάδα μεθυλενίου και το καταλυτικό ζεύγος οξειδοαναγωγής Ce(IV)/Ce Το (III) αντικαθίσταται από το ζεύγος Mn(III)/Mn(II) ή, όπως χρησιμοποιείται ήδη από τον Belousov, από το ζεύγος φερροΐνης/φερριίνης. Η φιάλη φαινόταν πιο κομψή, αισθητικά εντυπωσιακή αν χρησιμοποιήθηκε μηλονικό οξύ και ιόντα σιδήρου Fe2+ αντί για ιόντα δημητρίου. Στη συνέχεια, το διάλυμα στη φιάλη μπορεί να αλλάξει χρώμα για ώρες με αυστηρή περιοδικότητα σε όλο το ορατό εύρος από το ρουμπινί έως το μπλε του ουρανού. Ο συνολικός τύπος της αντίδρασης φαίνεται αρκετά απλός, αλλά η αντίδραση προχωρά σε περισσότερα από 20 στάδια και, κατά συνέπεια, με το σχηματισμό της ίδιας ποσότητας ενδιάμεσων προϊόντων. Ας εξετάσουμε αυτή την αντίδραση με περισσότερες λεπτομέρειες.
Για την εφαρμογή του, παρασκευάζονται δύο λύσεις - Α και Β.
A – διάλυμα φερροΐνης, σύμπλοκο σιδήρου(II) με σχετικά με-φαινανθρολίνη (φαιν) - 2+:

Fe2+ ​​+ 3phen = 2+.

Το διάλυμα μπορεί να προετοιμαστεί εκ των προτέρων.
Β - διάλυμα βρωμομαλονικού οξέος (παρασκευάστηκε αμέσως πριν από την επίδειξη):

Το βρωμομαλονικό οξύ που προκύπτει είναι ασταθές, αλλά μπορεί να αποθηκευτεί σε χαμηλή θερμοκρασία για κάποιο χρονικό διάστημα.
Για μια άμεση επίδειξη του πειράματος, ένα τρυβλίο Petri τοποθετείται σε μια γυάλινη πλάκα που καλύπτει το παράθυρο φωτός, στο οποίο ένα κορεσμένο διάλυμα βρωμικού καλίου, ένα διάλυμα βρωμομαλονικού οξέος και ένα διάλυμα φερροΐνης προστίθενται διαδοχικά χρησιμοποιώντας σιφώνια. Μέσα σε λίγα λεπτά εμφανίζονται μπλε περιοχές σε κόκκινο φόντο στο κύπελλο. Αυτό οφείλεται στον σχηματισμό ενός άλλου συμπλόκου φερριίνης 3+ κατά την αντίδραση οξειδοαναγωγής του συμπλόκου φερροΐνης 2+ με βρωμικά ιόντα:

Αυτή η διαδικασία προχωρά με αυτόματη επιτάχυνση. Στη συνέχεια, το προκύπτον σύμπλοκο 3+ οξειδώνει το βρωμομαλονικό οξύ με το σχηματισμό ιόντων βρωμιδίου:

4 3+ + BrCH(COOH) 2 + 7Η2Ο =
4 2+ + 2CO 2 + 5H 3 O+ + Br – + HCOOH.

Τα απελευθερωμένα ιόντα βρωμιδίου είναι αναστολείς της οξείδωσης του συμπλόκου σιδήρου(II) από βρωμικά ιόντα. Μόνο όταν η συγκέντρωση του 2+ γίνει αρκετά υψηλή, η ανασταλτική δράση των ιόντων βρωμιδίου ξεπερνιέται και οι αντιδράσεις λήψης βρωμομαλονικού οξέος και η οξείδωση του συμπλόκου αρχίζουν να προχωρούν ξανά. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται ξανά και αυτό αντανακλάται στο χρώμα του διαλύματος. Τα ομόκεντρα κυκλικά κόκκινο-μπλε «κύματα» χρωματισμού αποκλίνουν προς όλες τις κατευθύνσεις από τις μπλε περιοχές στο κύπελλο.
Εάν το περιεχόμενο του κυπέλλου αναμειχθεί με μια γυάλινη ράβδο, το διάλυμα θα γίνει μονόχρωμο για μικρό χρονικό διάστημα και στη συνέχεια η περιοδική διαδικασία θα επαναληφθεί. Τελικά η αντίδραση σταματά λόγω της απελευθέρωσης διοξειδίου του άνθρακα.
Εκτός από όλα τα αναφερόμενα αντιδραστήρια, αρκετοί κρύσταλλοι εξαένυδρου νιτρικού δημητρίου (III) μπορούν να προστεθούν στο τρυβλίο Petri και, στη συνέχεια, η γκάμα χρωμάτων θα επεκταθεί: θα εμφανιστεί κίτρινο χρώμα λόγω των παραγώγων δημητρίου (IV) και πράσινο λόγω της υπέρθεσης από μπλε και κίτρινα χρώματα.
Η μαθηματική περιγραφή αυτών των διαδικασιών αποδείχθηκε αρκετά περίπλοκη. Οδήγησε σε απροσδόκητα αποτελέσματα. Αποδείχθηκε ότι ένα από τα απλούστερα χημικά σχήματα που περιγράφει ταλαντώσεις σε ένα σύστημα δύο διαδοχικών αυτοκαταλυτικών αντιδράσεων είναι μαθηματικά πανομοιότυπο με τις εξισώσεις που είχε ο Ιταλός επιστήμονας V. Volterra στις αρχές της δεκαετίας του 1930. χρησιμοποιείται για να περιγράψει οικολογικές διεργασίες. Αυτό είναι επί του παρόντος διάσημο μοντέλο Lotka-Volterra, το οποίο περιγράφει περιοδικές αλλαγές στον αριθμό των «θηραμάτων» και «αρπακτικών» στα οικολογικά συστήματα. S.P. Mushtakova, καθηγήτρια του Saratov κρατικό Πανεπιστήμιοτους. Ο N.G. Chernyshevsky, θεωρεί μια ταλαντωτική αντίδραση ως την αλληλεπίδραση δύο συστημάτων, το ένα εκ των οποίων αντλεί την ενέργεια, την ουσία ή άλλα συστατικά που χρειάζεται για την ανάπτυξη από το άλλο. Αυτό το πρόβλημα ονομάζεται πρόβλημα αρπακτικών-θηραμάτων.
Για λόγους σαφήνειας, ας φανταστούμε ότι οι λύκοι και οι λαγοί ζουν σε κάποιο περιορισμένο περιβάλλον. Σε αυτό το οικολογικό σύστημα, φυτρώνει το γρασίδι, το οποίο τρέφεται με λαγούς, που με τη σειρά τους είναι τροφή για τους λύκους. Όπως γνωρίζετε, εάν έχετε οποιοδήποτε σύνολο ζωντανών όντων, τότε υπό ευνοϊκές συνθήκες, ο πληθυσμός τους θα αυξάνεται επ 'αόριστον. Στην πραγματικότητα, εξωτερικοί παράγοντες, όπως η έλλειψη ενέργειας ή τροφής, περιορίζουν αυτή τη διαδικασία ανάπτυξης. Ας φανταστούμε ότι μέχρι μια συγκεκριμένη στιγμή η αλληλεπίδραση δύο υποσυστημάτων, δηλαδή πληθυσμών λύκων και λαγών, ήταν ισορροπημένη: οι λαγοί (λαμβανομένου υπόψη της φυσικής αναπλήρωσής τους) ήταν αρκετά για να ταΐσουν έναν ορισμένο αριθμό λύκων. Στη συνέχεια, τη στιγμή που λαμβάνεται ως μηδέν της μέτρησης του χρόνου, λόγω κάποιας διακύμανσης, ο αριθμός των λαγών αυξήθηκε. Αυτό αύξησε την ποσότητα τροφής για τους λύκους και, ως εκ τούτου, τον αριθμό τους. Υπήρχε μια διακύμανση στον αριθμό των λύκων. Επιπλέον, ο αριθμός των λύκων και των λαγών θα αλλάζει με την πάροδο του χρόνου περιοδικά γύρω από μια συγκεκριμένη μέση τιμή (ισορροπίας). Οι καλοθρεμμένοι λύκοι αρχίζουν να πολλαπλασιάζονται εντατικά, δίνοντας νέους απογόνους, οι οποίοι, με άφθονη τροφή, ωριμάζουν γρήγορα και δίνουν νέους απογόνους. Υπάρχει μια κατάσταση όπου ο "λαγός" δεν είναι πλέον σε θέση να ταΐσει όλους τους λύκους - ο αριθμός των λαγών αρχίζει να πέφτει και οι λύκοι (προς το παρόν) συνεχίζουν να αυξάνονται. Τέλος, το οικοσύστημα είναι υπερπληθυσμένο με λύκους και οι λαγοί έχουν μια θέση σχεδόν στο Κόκκινο Βιβλίο. Αλλά, έχοντας γίνει μια οικολογική σπανιότητα, οι λαγοί γίνονται δύσκολη λεία για τους λύκους. Το οικοσύστημα εισέρχεται στην επόμενη φάση: ο αριθμός των λαγών έχει ήδη πέσει σε ένα ελάχιστο επίπεδο στο οποίο είναι σχεδόν άπιαστοι για τους λύκους. Το ζωικό κεφάλαιο των τελευταίων, έχοντας περάσει από ένα μέγιστο, αρχίζει να μειώνεται και αυτή η μείωση συνεχίζεται μέχρι να φτάσει σε τέτοιο επίπεδο ώστε οι λαγοί να μπορούν να τρέφονται με τον ελάχιστο αριθμό τους. Τώρα που ο αριθμός των λύκων έχει φτάσει στο ελάχιστο, δεν υπάρχει κανένας να κυνηγήσει λαγούς. Οι λαγοί αρχίζουν να αναπαράγονται και τα πενιχρά ζώα των λύκων δεν μπορούν πλέον να τους παρακολουθούν. Ο αριθμός των λαγών σε σύντομο χρονικό διάστημα θα φτάσει σε ένα επίπεδο στο οποίο θα μπορούν να τρέφονται με γρασίδι. Για άλλη μια φορά υπάρχει πληθώρα λαγών.
Ποια συμπεράσματα μπορούν να εξαχθούν από τη σύγκριση αυτού του παραδείγματος και της ταλαντευτικής απόκρισης;
Σημειώνουμε τα κύρια σημεία, χωρίς τα οποία η περιγραφόμενη ταλαντωτική διαδικασία θα ήταν αδύνατη.
Πρωτα απο ολα , η συνεργατική συμπεριφορά των μορίων σε διάλυμα είναι αδύνατη χωρίς ανάδραση. Η έννοια του τελευταίου μπορεί να γίνει κατανοητή από το παράδειγμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ λαγών και λύκων: η αύξηση του αριθμού των αρπακτικών ατόμων οδηγεί σε μείωση του πληθυσμού των θηραμάτων και αντίστροφα. Η παρουσία τέτοιων ανατροφοδοτήσεων διασφαλίζει τη βιώσιμη ύπαρξη του οικοσυστήματος. Αν περιγράψουμε τις ταλαντωτικές χημικές αντιδράσεις με όρους «αρπακτικού-θηράματος», τότε τον ρόλο των «αρπακτικών» παίζουν ενδιάμεσα προϊόντα που επιβραδύνουν ή μπλοκάρουν πλήρως μεμονωμένα στάδια της διαδικασίας - αναστολείς. Ο ρόλος των «θυμάτων» επιτελείται από καταλύτες που επιταχύνουν την πορεία της αντίδρασης. Αν και, όπως είναι γνωστό, τα ίδια τα μόρια του καταλύτη (Fe) δεν καταναλώνονται στην αντίδραση, η αναλογία των συγκεντρώσεων ιόντων /, όπως έχουν δείξει μελέτες, υφίσταται μια πολύπλοκη εξέλιξη. Αυτό το απλοποιημένο σχήμα επιτρέπει μια γενική ιδέα του μηχανισμού μοριακής ανάδρασης σε διάλυμα.
κατα δευτερον , η διαδικασία ταλάντωσης είναι αδύνατη χωρίς μια πηγή ενέργειας, ο ρόλος της οποίας στο μοντέλο Lotka–Volterra έπαιξε το γρασίδι που έτρωγαν οι λαγοί. Είναι προφανές ότι δεν μπορεί να τεθεί θέμα διακυμάνσεων, πόσο μάλλον για τη σταθερότητα του κύκλου «αρπακτικών-θηραμάτων», εάν ολόκληρη η περιοχή σκυροδετηθεί στο αποθεματικό - οι λύκοι θα φάνε τους λαγούς και μετά θα πεθάνουν οι ίδιοι. Στην αντίδραση Belousov–Zhabotinsky, το οργανικό μηλονικό οξύ χρησιμεύει ως πηγή ενέργειας. Πράγματι, όταν οξειδωθεί πλήρως, οι ταλαντώσεις στην αντίδραση σβήνουν και τότε η ίδια η αντίδραση σταματά.
Μέχρι το 1963, ολοκληρώθηκε το κύριο ποιοτικό στάδιο στη μελέτη της αντίδρασης Belousov. Ο επιστήμονας το γνώριζε, αλλά δεν ήθελε να εμπλακεί στη δουλειά. Το 1966, τον Μάρτιο, συγκλήθηκε το 1ο Πανενωσιακό Συμπόσιο για τις Ταλαντωτικές Διεργασίες στη Χημεία και τη Βιοχημεία. Οι αναφορές του Zhabotinsky και των συν-συγγραφέων του M.D. Korzukhin, V.A. Vavilin κατέλαβαν την κεντρική θέση. Ο Μπελούσοφ αρνήθηκε να συμμετάσχει στο συμπόσιο.
Πολύ αργότερα, το 1974, καθηγητής Χημείας και Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα (ΗΠΑ) Δακτύλιοι, σπείρες, μέτωπα κυμάτων κ.λπ. Έκτοτε, το ενδιαφέρον για τέτοια συστήματα αυξάνεται συνεχώς, υποδηλώνοντας την υπόσχεση έρευνας προς αυτή την κατεύθυνση.
Έτσι, η εφαρμοσμένη έρευνα κερδίζει ολοένα και περισσότερο βάρος, για παράδειγμα, στον τομέα της μοντελοποίησης εναλλακτικών μέσων επεξεργασίας πληροφοριών (ιδιαίτερα, η ανάλυση πολύπλοκων ψηφιδωτών με διαβάθμιση της φωτεινότητας των αντικειμένων). Μια άλλη νέα κατεύθυνση της εφαρμοσμένης έρευνας είναι η μελέτη των χαρακτηριστικών του πολυμερισμού στο σύστημα ΒΖ ή σε παρόμοια.
Η σύνθετη χωροχρονική οργάνωση που επιδεικνύεται από το σύστημα BZ απουσία ανάμειξης βρήκε τελικά αναλογίες στη φύση, σε βιολογικά συστήματα (για παράδειγμα, η μελέτη της μαρμαρυγής του καρδιακού μυός από την άποψη της θεώρησης του μυοκαρδίου ως αυτο-οργανωμένου βιολογικό σύστημα).
Μέχρι σήμερα, η αντίδραση Belousov–Zhabotinsky έχει πάρει τη θέση που της αξίζει στην παγκόσμια επιστήμη. Πραγματικά τόνωσε την εμφάνιση του νέου του τομέα - συνεργειών (αυτοοργάνωση) και η πειραματική εργασία ξεκίνησε την ανάπτυξη της σύγχρονης θεωρίας των δυναμικών συστημάτων. Αν και επί του παρόντος πολλές από αυτές τις αντιδράσεις είναι ήδη κατανοητές, ωστόσο, οι αιτίες που προκαλούν ταλαντωτικές χημικές διεργασίες παραμένουν ασαφείς μέχρι τέλους. Μια δυναμική περιγραφή των ταλαντωτικών χημικών αντιδράσεων μπορεί να βοηθήσει πολύ σε αυτό, ειδικότερα, έμμεσα στον καθορισμό των σταθερών ρυθμού αντίδρασης που λείπουν.
Οι θεμελιώδεις αλλαγές στη φυσική επιστήμη που οδήγησαν στη λεγόμενη θεωρία της αυτοοργάνωσης οφείλονται σε μεγάλο βαθμό στην αρχική ώθηση που δόθηκε από Ρώσους επιστήμονες στις αρχές της δεκαετίας του 1950-1960, όταν ο Belousov ανακάλυψε τη χημική αντίδραση οξειδοαναγωγής. Ταυτόχρονα, ανακαλύφθηκαν εντυπωσιακές αναλογίες, αποδείχθηκε ότι πολλές φυσικά φαινόμενα, που κυμαίνονται από τον σχηματισμό γαλαξιών έως τους ανεμοστρόβιλους, τους κυκλώνες και το παιχνίδι του φωτός στις ανακλαστικές επιφάνειες, στην πραγματικότητα, είναι διαδικασίες αυτοοργάνωσης. Μπορούν να έχουν πολύ διαφορετική φύση: χημικά, μηχανικά, οπτικά, ηλεκτρικά κ.λπ.
Προς το παρόν, η κινητική των ταλαντωτικών αντιδράσεων είναι ένας ταχέως αναπτυσσόμενος κλάδος της γνώσης που έχει προκύψει στη διασταύρωση της χημείας, της βιολογίας, της ιατρικής, της φυσικής και των μαθηματικών.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Wolter B.V.Θρύλος και αληθινή ιστορία για τις χημικές δονήσεις. Η γνώση είναι δύναμη, 1988, αρ.4, σελ. 33–37; Zhabotinsky A.M.διακυμάνσεις συγκέντρωσης. Μ.: Nauka, 1974, 179 σ.;
Shnol S.E.Ήρωες, κακοί, κομφορμιστές της ρωσικής επιστήμης. M.: Kron-Press, 2001, 875 p.;
Mushtakova S.P.Δονητικές αντιδράσεις στη χημεία. Εκπαιδευτική Εφημερίδα Σόρος, 1997, Αρ. 7, σελ. 31–37;
Vavilin V.A.Αυτοταλαντώσεις σε χημικά συστήματα υγρής φάσης. Priroda, 2000, Νο. 5, σελ. 19–25.

ΜΠΕΛΟΥΣΟΦ Μπόρις Πάβλοβιτς(19.II.1893–12.VI.1970) - Σοβιετικός χημικός. Γεννήθηκε στη Μόσχα στην οικογένεια ενός τραπεζικού υπαλλήλου, το έκτο παιδί της οικογένειας. Μαζί με τα αδέρφια του, ασχολήθηκε νωρίς με επαναστατικές δραστηριότητες και συνελήφθη σε ηλικία 12 ετών. Στη μητέρα του προσφέρθηκε μια επιλογή: είτε εξορία στη Σιβηρία είτε μετανάστευση. Η οικογένεια κατέληξε στην Ελβετία σε μια αποικία μπολσεβίκων. Ο μελλοντικός επιστήμονας είχε την ευκαιρία να παίξει σκάκι με τον V.I. Lenin. Ο Μπόρις εξεπλάγη με το πάθος του, πώς δυσφημεί τον αντίπαλό του με κάθε δυνατό τρόπο, προσπαθώντας να τον αποθαρρύνει. Αυτό ήταν το τέλος της επαναστατικής πολιτικής δραστηριότητας του Μπελούσοφ. Δεν μπήκε ποτέ στο κόμμα. Στη Ζυρίχη ξεκίνησε το πάθος του για τη χημεία, αλλά δεν υπήρχε ευκαιρία να λάβει εκπαίδευση, αφού έπρεπε να πληρώσει δίδακτρα. Στις αρχές του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου, ο Μπόρις επέστρεψε στη Ρωσία, επιθυμώντας να καταταγεί οικειοθελώς στο στρατό, αλλά για λόγους υγείας δεν έγινε δεκτός.
Ο Μπελούσοφ πηγαίνει να εργαστεί στο χημικό εργαστήριο του μεταλλουργικού εργοστασίου Goujon (τώρα το εργοστάσιο Hammer and Sickle). Το εργαστήριο αυτό είχε ιδεολογικά επικεφαλής τον V.N.
Έχοντας γίνει στρατιωτικός χημικός, από το 1923, ο Belousov, κατόπιν σύστασης του ακαδημαϊκού P.P. Lazarev, διδάσκει χημεία σε διοικητές του Κόκκινου Στρατού στην Ανώτατη Στρατιωτική Χημική Σχολή του Κόκκινου Στρατού (Εργατικός και Αγροτικός Κόκκινος Στρατός, 1918–1946) , δίνοντας ένα μάθημα διαλέξεων για τη γενική και ειδική χημεία στο σχολείο για τη βελτίωση του επιτελείου διοίκησης του Κόκκινου Στρατού. Το 1933, ο Μπελούσοφ ήταν ανώτερος λέκτορας στη Στρατιωτική Ακαδημία Χημικής Άμυνας με κόκκινο πανό που ονομάστηκε από τον Σ.Κ. Τιμοσένκο.
Η ιδιαιτερότητα της επιστημονικής δραστηριότητας του Μπελούσοφ ήταν τέτοια που κανένα από τα επιστημονικά του έργα δεν έχει δημοσιευτεί ποτέ πουθενά. Ο ακαδημαϊκός A.N. Terenin αποκάλεσε τον Belousov εξαιρετικό χημικό. Στην κριτική του, που γράφτηκε σε σχέση με τη δυνατότητα απονομής διδακτορικού διπλώματος στον Belousov χωρίς την υπεράσπιση διατριβής, σημειώνεται ότι «ο B.P. Belousov ξεκίνησε μια εντελώς νέα κατεύθυνση στην ανάλυση αερίων, η οποία συνίσταται στην αλλαγή του χρώματος των πηκτωμάτων φιλμ κατά τη διάρκεια της ρόφησης ενεργά αέρια από αυτά. Στόχος ήταν η δημιουργία ειδικών και καθολικών δεικτών για επιβλαβείς αέριες ενώσεις με την ανίχνευσή τους σε εξαιρετικά χαμηλές συγκεντρώσεις. Αυτό το έργο επιτεύχθηκε έξοχα ... αναπτύχθηκε ένας αριθμός οπτικών οργάνων που επιτρέπουν την αυτόματη ή ημιαυτόματη ποιοτική ανάλυση του αέρα για επιβλαβή αέρια ... Σε αυτήν την ομάδα εργασιών, ο B.P. Belousov απέδειξε ότι είναι επιστήμονας που θέτει το πρόβλημα με νέο τρόπο και το λύνει με έναν εντελώς πρωτότυπο τρόπο. Εκτός από αυτές τις μελέτες, ο B.P. Belousov διαθέτει μια σειρά εξίσου πρωτότυπων και ενδιαφέρουσες επιστημονικές εργασίες, οι οποίες δεν αφήνουν καμία αμφιβολία ότι σίγουρα του αξίζει να του απονεμηθεί το πτυχίο του Διδάκτωρ Χημικών Επιστημών χωρίς να υπερασπιστεί διατριβή». Ο δύσκολος χαρακτήρας του Boris Pavlovich εκδηλώθηκε και εδώ, "δεν ήθελε κανένα πτυχίο".
Παρ 'όλα αυτά, ο στρατιωτικός χημικός Belousov έλαβε το βαθμό του διοικητή ταξιαρχίας, που ισοδυναμεί με το βαθμό του υποστράτηγου. Είναι αλήθεια ότι το 1935 πήγε σε μακρά άδεια και το 1938 παραιτήθηκε. Αυτό, ίσως, εξηγεί το γεγονός ότι ο ίδιος ο Μπελούσοφ δεν υπέφερε κατά την περίοδο των μαζικών καταστολών του 1937-1938. Ωστόσο, η απώλεια πολλών συναδέλφων και φίλων άφησε ανεξίτηλο το αποτύπωμά του στον χαρακτήρα του. Το ακριβές όνομα του μυστικού ιατρικού ινστιτούτου όπου εργάστηκε ο Belousov τα επόμενα χρόνια είναι άγνωστο. Αλλά, σύμφωνα με τους συναδέλφους του, είχε αξιοσημείωτες ανακαλύψεις στον τομέα της δημιουργίας φαρμάκων που μειώνουν την επίδραση της ακτινοβολίας, τον εκτιμούσαν: χωρίς να έχει ανώτερη εκπαίδευση, ο επιστήμονας ήταν υπεύθυνος του εργαστηρίου και, με γραπτές οδηγίες του I.V. Stalin , έλαβε το μισθό του διδάκτορα.
Αφού ανέλυσε τις κυκλικές αντιδράσεις που ανακαλύφθηκαν στα μεταπολεμικά χρόνια από βιοχημικούς, ο Belousov αποφάσισε να κάνει μια χημική αναλογία των βιολογικών κύκλων. Ερευνώντας την οξείδωση του κιτρικού οξέος με βρωμικό παρουσία καταλύτη, ανακάλυψε τις διακυμάνσεις της συγκέντρωσης των αντιδραστηρίων - έτσι ανακαλύφθηκε η ταλαντωτική αντίδραση. Το 1951 και το 1955, ο Belousov έκανε προσπάθειες να δημοσιεύσει την ανακάλυψή του στα περιοδικά Kinetics and Catalysis και Journal of General Chemistry. Οι απαντήσεις στα άρθρα του ήταν κατηγορηματικά αρνητικές και, όπως αποδείχθηκε αργότερα, εξίσου κατηγορηματικά λανθασμένες. Είναι γνωστό ότι αυτό επηρέασε τόσο πολύ τον επιστήμονα που απλά πέταξε την εργαστηριακή συνταγή της αντίδρασης και την ξέχασε.
Λίγα χρόνια αργότερα, όταν οι βιοχημικοί ενδιαφέρθηκαν για την αντίδραση που ανακάλυψε ο Belousov, έπρεπε να αναζητήσει τα αρχικά συστατικά και τις αναλογίες τους με διαδοχική απαρίθμηση. Μπορούμε να πούμε ότι η ανακάλυψη έγινε από τον Belousov δύο φορές - την πρώτη φορά τυχαία, τη δεύτερη ως αποτέλεσμα συστηματικής αναζήτησης. Όμως δεν ήθελε πλέον να συμμετέχει ενεργά στο έργο της επιστημονικής ομάδας. Το μόνο που κατάφεραν οι συνάδελφοι ήταν να πείσουν τον Μπελούσοφ να προσπαθήσει να δημοσιεύσει ξανά το άρθρο του. Ως αποτέλεσμα, η μοναδική δημοσίευση εφ' όρου ζωής του επιστήμονα εμφανίστηκε στη "Συλλογή Περιλήψεων για την Ιατρική Ακτινοβολίας" για το 1958.
Αλλά ακόμα και όταν ήρθε η αναγνώριση και η διεθνής επιστημονική κοινότητα ονόμασε την ταλαντευτική αντίδραση με τον Μπελούσοφ-Ζαμποτίνσκι, οι προσπάθειες να εμπλέξουν τον απόστρατο διοικητή της ταξιαρχίας στην περαιτέρω μελέτη της ήταν ανεπιτυχείς. Όσοι τον γνώριζαν μέσα τα τελευταία χρόνια, ισχυρίστηκε ότι η δημιουργική δραστηριότητα του Μπελούσοφ παρέμεινε πολύ υψηλή. Έφυγε από το ινστιτούτο λίγο πριν από το θάνατό του - στις 12 Ιουνίου 1970. Δέκα χρόνια έμειναν μέχρι να απονεμηθεί το βραβείο Λένιν στον Μπελούσοφ.

Δονητικές χημικές αντιδράσεις

Σε αυτή τη θητεία, θα εξετάσω μια ειδική περίπτωση ενός προβληματικού πειράματος, τις ταλαντωτικές χημικές αντιδράσεις. Οι δονητικές αντιδράσεις είναι μια ολόκληρη κατηγορία αντιδράσεων οξείδωσης οργανική ύλημε τη συμμετοχή καταλύτη με οξειδοαναγωγικές ιδιότητες. Αυτή η διαδικασία προχωρά κυκλικά, αποτελείται δηλαδή από πολλαπλές επαναλήψεις.

Οι δονητικές χημικές αντιδράσεις ανακαλύφθηκαν και τεκμηριώθηκαν επιστημονικά το 1951 από τον Σοβιετικό επιστήμονα Boris Petrovich Belousov. B.P. Ο Belousov μελέτησε την οξείδωση του κιτρικού οξέος κατά την αντίδρασή του με βρωμικό νάτριο σε διάλυμα θειικού οξέος. Για να ενισχύσει την αντίδραση, πρόσθεσε άλας δημητρίου στο διάλυμα. Το δημήτριο είναι ένα μέταλλο με μεταβλητό σθένος (3+ ή 4+), επομένως μπορεί να είναι καταλύτης για μετασχηματισμούς οξειδοαναγωγής. Η αντίδραση συνοδεύεται από την απελευθέρωση φυσαλίδων CO 2, και ως εκ τούτου φαίνεται ότι ολόκληρο το μείγμα της αντίδρασης «βράζει». Και στο φόντο αυτού του βρασμού, ο B.P. Belousov παρατήρησε ένα εκπληκτικό πράγμα: το χρώμα του διαλύματος άλλαζε περιοδικά - έγινε είτε κίτρινο είτε άχρωμο. Ο Belousov πρόσθεσε ένα σύμπλεγμα φαινανθρολίνης με δισθενή σίδηρο (φερροΐνη) στο διάλυμα και το χρώμα του διαλύματος άρχισε να αλλάζει περιοδικά από μωβ-κόκκινο σε μπλε και πίσω.

Έτσι ανακαλύφθηκε η αντίδραση που έγινε διάσημη. Τώρα είναι γνωστό σε όλο τον κόσμο, ονομάζεται αντίδραση Belousov-Zhabotinsky. Ο A. M. Zhabotinsky έκανε πολλά για να κατανοήσει αυτό το εκπληκτικό φαινόμενο. Από τότε, έχει ανακαλυφθεί ένας μεγάλος αριθμός παρόμοιων αντιδράσεων.

Η ιστορία της ανακάλυψης των ταλαντωτικών αντιδράσεων.

Ο IP Belousov ανακάλυψε μια ταλαντωτική χημική αντίδραση σε μια προσπάθεια να δημιουργήσει ένα απλό χημικό μοντέλο ορισμένων σταδίων του συστήματος βασικών βιοχημικών μετασχηματισμών καρβοξυλικών οξέων σε ένα κύτταρο. Ωστόσο, η πρώτη αναφορά της ανακάλυψής του δεν δημοσιεύτηκε. Ο κριτής ενός χημικού περιοδικού αμφισβήτησε τη θεμελιώδη πιθανότητα της αντίδρασης που περιγράφεται στο άρθρο. Οι περισσότεροι χημικοί εκείνα τα χρόνια πίστευαν ότι δεν υπήρχαν αμιγώς χημικές ταλαντώσεις, αν και η ύπαρξη ταλαντωτικών αντιδράσεων είχε προβλεφθεί το 1910 από τον A. Lotkoy με βάση τη μαθηματική θεωρία των περιοδικών διεργασιών.

Η δεύτερη προσπάθεια δημοσίευσης των αποτελεσμάτων της μελέτης έγινε από τον επιστήμονα το 1957, και πάλι αρνήθηκε, παρά το έργο του Βέλγου φυσικού και φυσικοχημικού I. R. Prigozhin που εμφανίστηκε εκείνη την εποχή. Σε αυτές τις εργασίες φάνηκε η πιθανότητα και η πιθανότητα ταλαντωτικών χημικών αντιδράσεων.

Μόλις το 1959 εκδόθηκε σύντομη περίληψησχετικά με την ανακάλυψη από τον B. P. Belousov μιας περιοδικής δράσης ταλαντευόμενης χημικής αντίδρασης σε μια ελάχιστα γνωστή δημοσίευση "Collection of Abstracts on Radiation Medicine".

Και το θέμα είναι ότι όταν ο B.P. Belousov έκανε την ανακάλυψή του, οι περιοδικές αλλαγές στη συγκέντρωση των αντιδραστηρίων φαινόταν να αποτελούν παραβίαση των νόμων της θερμοδυναμικής. Πράγματι, πώς μπορεί μια αντίδραση να πάει είτε προς τα εμπρός είτε προς την αντίθετη κατεύθυνση; Είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς ότι ολόκληρος ο τεράστιος αριθμός μορίων στο δοχείο ήταν είτε σε μια είτε στην άλλη κατάσταση (είτε όλα "μπλε", μετά όλα "κόκκινα" ...).

Η κατεύθυνση της αντίδρασης καθορίζεται από το χημικό (θερμοδυναμικό) δυναμικό - οι αντιδράσεις διεξάγονται προς την κατεύθυνση πιο πιθανών καταστάσεων, προς την κατεύθυνση της μείωσης της ελεύθερης ενέργειας του συστήματος. Όταν μια αντίδραση σε μια δεδομένη κατεύθυνση ολοκληρώνεται, αυτό σημαίνει ότι το δυναμικό της έχει εξαντληθεί, επιτυγχάνεται η θερμοδυναμική ισορροπία και χωρίς τη δαπάνη ενέργειας, αυθόρμητα, η διαδικασία δεν μπορεί να πάει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και τότε ... η αντίδραση πηγαίνει προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση.

Ωστόσο, δεν υπήρξε παραβίαση των νόμων σε αυτή την αντίδραση. Υπήρχαν διακυμάνσεις - περιοδικές αλλαγές - στις συγκεντρώσεις των ενδιάμεσων και όχι στα αρχικά αντιδρώντα ή στα τελικά προϊόντα. Το CO 2 δεν μετατρέπεται σε κιτρικό οξύ σε αυτή την αντίδραση, αυτό είναι στην πραγματικότητα αδύνατο. Οι αναθεωρητές δεν έλαβαν υπόψη ότι ενώ το σύστημα απέχει πολύ από την ισορροπία, πολλά υπέροχα πράγματα μπορούν να συμβούν σε αυτό. Οι λεπτομερείς τροχιές ενός συστήματος από την αρχική του κατάσταση έως την τελική του κατάσταση μπορεί να είναι πολύ περίπλοκες. Μόνο τις τελευταίες δεκαετίες η θερμοδυναμική συστημάτων που απείχαν από την ισορροπία άρχισε να αντιμετωπίζει αυτά τα προβλήματα. Αυτή η νέα επιστήμη έγινε η βάση μιας νέας επιστήμης - συνεργειών (η θεωρία της αυτοοργάνωσης).

Η αντίδραση του Belousov, όπως σημειώθηκε παραπάνω, μελετήθηκε λεπτομερώς από τον A. M. Zhabotinsky και τους συνεργάτες του. Αντικατέστησαν το κιτρικό οξύ με μηλονικό οξύ. Η οξείδωση του μηλονικού οξέος δεν συνοδεύεται από το σχηματισμό φυσαλίδων CO 2, επομένως η αλλαγή στο χρώμα του διαλύματος μπορεί να καταγραφεί χωρίς παρεμβολές από φωτοηλεκτρικές συσκευές. Αργότερα αποδείχθηκε ότι η φερροΐνη χωρίς δημήτριο χρησιμεύει ως καταλύτης για αυτήν την αντίδραση. Ο B. P. Belousov ήδη στα πρώτα πειράματα παρατήρησε μια άλλη αξιοσημείωτη ιδιότητα της αντίδρασής του: όταν σταματά η ανάδευση, η αλλαγή του χρώματος στο διάλυμα διαδίδεται σε κύματα. Αυτή η διάδοση των χημικών δονήσεων στο διάστημα έγινε ιδιαίτερα εμφανής όταν, το 1970, οι A. M. Zhabotinsky και A. N. Zaikin έριξαν ένα λεπτό στρώμα του μείγματος της αντίδρασης σε ένα τρυβλίο Petri. Παράξενες φιγούρες σχηματίζονται στο κύπελλο - ομόκεντροι κύκλοι, σπείρες, "δίνες" που διαδίδονται με ταχύτητα περίπου 1 mm / λεπτό. Τα χημικά κύματα έχουν μια σειρά από ασυνήθιστες ιδιότητες. Έτσι, όταν συγκρούονται, σβήνουν και δεν μπορούν να περάσουν το ένα από το άλλο.