Реакция Белоусова — Жаботинского — класс химических реакций , протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce ³⁺ , Mn ²⁺ и комплексы Fe ²⁺ , Ru ²⁺ ), органическими восстановителями ( малоновая кислота , броммалоновая кислота , лимонная кислота , яблочная кислота и др.) и окислителями (броматы, иодаты и др.).

При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. В частности, именно в реакции Белоусова — Жаботинского наблюдался первый экспериментальный странный аттрактор в химических системах и была осуществлена экспериментальная проверка его теоретически предсказанных свойств.

История открытия колебательной реакции Б. П. Белоусовым, экспериментальное исследование её и многочисленных аналогов, изучение механизма, математическое моделирование, историческое значение приведены в коллективной монографии .

История открытия

Борис Павлович Белоусов проводил исследования цикла Кребса , пытаясь найти его неорганический аналог. В результате одного из экспериментов в 1951 году , а именно окисления лимонной кислоты броматом калия в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce ⁺³ , он обнаружил автоколебания . Течение реакции менялось со временем, что проявлялось периодическим изменением цвета раствора от бесцветного (Ce ⁺³ ) к жёлтому (Ce ⁺⁴ ) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора ферроина . Сообщение Белоусова об открытии было встречено в советских научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Статью Белоусова дважды отклоняли в редакциях советских журналов, поэтому опубликовать результаты исследований колебательной реакции он смог только в сокращённом виде спустя 8 лет в ведомственном сборнике, выходившем небольшим тиражом . Впоследствии эта статья стала одной из самых цитируемых в данной области, а реакция получила название реакции Белоусова.

Дальнейшее развитие исследований этой реакции произошло, когда профессор Симон Эльевич Шноль предложил своему аспиранту, в будущем лауреату Ленинской премии Анатолию Марковичу Жаботинскому исследовать механизм реакции. От приглашения проводить совместные исследования Белоусов отказался, хотя выражал удовлетворение тем, что его работа продолжена . Жаботинский провёл подробные исследования реакции, включая её различные варианты, а также составил её первую математическую модель (1964) . Основные результаты были изложены в книге Жаботинского «Концентрационные колебания» .

В 1969 году Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов.

Сейчас известно довольно много реакций типа Белоусова — Жаботинского, например, реакция Бриггса — Раушера .

Механизм реакции

Жаботинский предложил первое объяснение механизма реакции и простую математическую модель , которая была способна демонстрировать колебательное поведение. В дальнейшем описание механизма было расширено и уточнено, экспериментально наблюдаемые динамические режимы, включая хаотические, были теоретически рассчитаны, и показано их соответствие эксперименту. Полный список элементарных стадий реакции очень сложен и составляет почти сотню реакций с десятками веществ и интермедиатов . До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно константы скоростей реакций.

Модель Жаботинского — Корзухина

Первая модель реакции Белоусова — Жаботинского была получена в 1967 году Жаботинским и Корзухиным на основе подбора эмпирических соотношений, правильно описывающих колебания в системе . В её основе лежала знаменитая консервативная модель Лотки — Вольтерры .

${\displaystyle {\frac {dX_{1}}{dt}}=k_{1}X_{1}(C-X_{2})-k_{0}X_{1}X_{3}}$

${\displaystyle {\frac {dX_{2}}{dt}}=k_{1}X_{1}(C-X_{2})-k_{2}X_{2}}$

${\displaystyle {\frac {dX_{3}}{dt}}=k_{2}X_{2}-k_{3}X_{3}}$

здесь ${\displaystyle X_{2}}$ = [Ce ⁴⁺ ], C=[Ce ⁴⁺ ] ₀ + [Ce ³⁺ ] ₀ , ${\displaystyle X_{1}}$ — концентрация автокатализатора, ${\displaystyle X_{3}}$ = [Br ⁻ ].

Брюсселятор

Простейшая модель, предложенная Пригожиным , которая имеет колебательную динамику.

I	A	→	X
II	B + X	→	Y + D
III	2X + Y	→	3X	(автокатализ)
IV	X	→	E
V	A + B	→	E + D

Орегонатор

Механизм, предложенный Филдом и Нойесом , является одним из простейших и в то же время наиболее популярным в работах, исследующих поведение реакции Белоусова — Жаботинского:

I		A + Y	${\displaystyle \longrightarrow }$	X
II		X + Y	${\displaystyle \longrightarrow }$	P
III		B + X	${\displaystyle \longrightarrow }$	2 X + Z
IV		2 X	${\displaystyle \longrightarrow }$	Q
V		Z	${\displaystyle \longrightarrow }$	f Y

Соответствующая система обыкновенных дифференциальных уравнений:

${\displaystyle {\frac {d[X]}{dt}}=k_{I}[A][Y]-k_{II}[X][Y]+k_{III}[B][X]-k_{IV}[X]^{2}}$

${\displaystyle {\frac {d[Y]}{dt}}=-k_{I}[A][Y]-k_{II}[X][Y]+fk_{V}[Z]}$

${\displaystyle {\frac {d[Z]}{dt}}=k_{III}[B][X]-k_{V}[Z]}$

Эта модель демонстрирует простейшие колебания, похожие на экспериментально наблюдаемые, однако она не способна показывать более сложные типы колебаний, например сложнопериодические и хаотические.

Расширенный орегонатор

Модель Шоуалтера, Нойеса и Бар-Эли разрабатывалась для моделирования сложнопериодического и хаотического поведения реакции. Однако хаос получить в этой модели не удалось.

1		A + Y	${\displaystyle \leftrightarrow }$	X + P
2		X + Y	${\displaystyle \leftrightarrow }$	2 P
3		A + X	${\displaystyle \leftrightarrow }$	2 W
4		C + W	${\displaystyle \leftrightarrow }$	X + Z'
5		2 X	${\displaystyle \leftrightarrow }$	A + P
6		Z'	${\displaystyle \rightarrow }$	g Y + C

где ${\displaystyle A}$ — BrO ₃ ⁻ ; ${\displaystyle X}$ — HBrO ₂ ; ${\displaystyle Y}$ — Br ⁻ ; ${\displaystyle C}$ — Ce ³⁺ ; ${\displaystyle Z}$ ' — Ce ⁴⁺ ; ${\displaystyle W}$ — BrO ₂ ^• ; ${\displaystyle P}$ — HOBr.

Полный реакционный механизм

Наиболее полный известный реакционный механизм представляет собой набор 80 элементарных реакций.

Графическая схема

Значение открытия реакции

Реакция Белоусова — Жаботинского стала одной из самых известных в науке химических реакций, её исследованиями занимаются множество учёных и групп различных научных дисциплин и направлений во всём мире: математике , химии , физике , биологии . Обнаружены её многочисленные аналоги в разных химических системах (см., например, твердофазный аналог — органический самораспространяющийся высокотемпературный синтез ). Опубликованы тысячи статей и книг, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций. Открытие реакции фактически дало толчок к развитию таких разделов современной науки , как синергетика , теория динамических систем и детерминированного хаоса .

Учитывая значимость выявленных реакций для науки, эта работа была признана как научное открытие и занесена в Государственный реестр открытий СССР под № 174 .

См. также

Примечания

Ссылки

2. , журнал «Знание — сила»
3. от 4 апреля 2008 на Wayback Machine , дифференциальные уравнения
6. (недоступная ссылка)
8. Колебания и бегущие волны в химических системах. / Р. Филд, М. Бургер.. — М. : Мир, 1988.