Реакция белоусова жаботинского как сделать
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Борис Павлович Белоусов (1893—1970) — военный химик. В 1951 году открыл первую колебательную химическую реакцию, известную сейчас как реакция Белоусова — Жаботинского.
Если вылить раствор на плоскую поверхность, то по ней поползут удивительные волны (данное изображение сгенерировано компьютерной программой моделирования реакции Белоусова — Жаботинского).
Реакция Белоусова — Жаботинского настолько сложна, что до сих пор учёные пытаются установить взаимодействие различных компонент реакции и катализаторов.
Полосы на шкуре тигра вызваны близкими к реакции Белоусова — Жаботинского колебательными биохимическими реакциями с диффузией, существование которых предположил математик Алан Тьюринг. Фотография Джона и Карен Холлингсворт.
Музыканты и композиторы живут в мире мелодий. Они понимают душу скрипки и саксофона, виолончели и рояля. В слаженных звуках оркестра музыканты-виртуозы слышат гораздо больше, чем обычные люди.
Но виртуозы встречаются не только среди скрипачей и пианистов. В России, например, жил виртуоз-химик. Он разбирался в загадочном и интереснейшем мире химических реакций: понимал душу металлов и кислот, катализаторов 1 и энзимов 2 . Он знал, как они друг к друг относятся, как враждуют и дружат, как соединяются и разъединяются. Он понимал их устремления и способности, красоту и темперамент. Звали этого человека Борис Павлович Белоусов. Судьба ему выпала такая, что никакой писатель-фантаст не смог бы выдумать.
В 12 лет Борис стал революционером. Вместе со своими старшими братьями он изготавливал бомбы для участников восстания 1905 года. Братьев Белоусовых арестовали и приговорили к ссылке или эмиграции. Семья вынуждена была эмигрировать. Она обосновалась в Швейцарии. Цюрихскую квартиру Белоусовых посещали многие видные русские революционеры, включая Ульянова-Ленина, с которым Борис играл в шахматы. В Цюрихском университете молодой человек прослушал полный курс химии и познакомился с Альбертом Эйнштейном. Диплома Белоусов не получил, потому что за него нужно было заплатить слишком много денег. Семья такой суммой не располагала.
Борис Павлович много лет преподавал химию. Сначала в военно-химической школе, потом в Академии химической защиты и даже дослужился до звания генерал-майора. Во время Второй мировой войны Белоусов работал начальником отдела в одном из научных институтов.
После войны для учёного наступили трудные времена. Пришли к нему чиновники-бюрократы и потребовали показать диплом о высшем образовании. Но профессор и генерал Белоусов в своё время, как вы знаете, не смог выкупить заслуженный диплом Цюрихского университета. Бюрократы заявили, что без диплома учёный не может занимать должности выше старшего лаборанта.
Белоусов перешёл на зарплату старшего лаборанта, оставаясь при этом начальником отдела, — других учёных с такой высокой квалификацией в институте не было, хотя химиков с дипломами — сколько угодно. В конце концов руководство института добилось письменного разрешения Сталина на возвращение учёному прежней зарплаты.
Дело в том, что многие биологические процессы цикличны: сердце ритмично бьётся, лёгкие равномерно дышат. Даже полоски на шкуре тигра и жирафа отражают периодические процессы, протекающие под кожей. В популяциях рысей и зайцев охотники тоже заметили колебания: звериного поголовья становится то больше, то меньше. Математики даже составили уравнения для этих периодических изменений числа хищников и травоядных.
В основе биологических процессов, носящих периодический характер, лежат химические превращения. Но вот что странно: ни одной периодической или колебательной реакции в химии до середины ХХ века не было открыто. Поиск периодической химической реакции выглядел в то время как издевательство над законами термодинамики, ведь уголь сгорает и железо ржавеет необратимо. Казалось, невозможно представить себе химическую реакцию, которая периодически меняет своё направление.
Но Белоусов понимал, что в мире химических взаимодействий должна найтись неизвестная, неисследованная область — основа циклических процессов в клетках живых организмов. Знания, опыт и интуиция подсказывали Белоусову, где нужно искать периодические реакции.
В 1937 году немецкий химик Ганс Кребс открыл цикл окисления лимонной кислоты. Открытие важное — недаром Кребс получил за него Нобелевскую премию. Цикл Кребса — ключевая реакция, лежащая в основе кислородного дыхания, энергоснабжения и роста клетки.
Белоусов напряжённо размышлял: можно ли получить более простой, в идеале — неорганический, аналог сложного цикла Кребса? Это позволило бы промоделировать сложные процессы, протекающие в живой клетке простой химической реакцией, которую легче изучить и понять.
Что будет, если воздействовать на лимонную кислоту раствором бертолетовой соли и добавить в раствор ещё соли церия 4 ? Но ведь нужен окислитель, притом такой, который действует в присутствии катализатора…
Химик-виртуоз досконально продумал будущую реакцию, сопоставил окислительный потенциал бертолетовой соли с валентностью ионов железа и церия. В трёхвалентном состоянии ионы церия бесцветны, а в четырёхвалентном — жёлтые. Это означает, что изменение валентности можно будет наблюдать своими глазами. Распад лимонной кислоты будет виден по выделению углекислого газа.
Прежде чем химик начал сливать растворы вместе, он проделал немало расчётов, сопоставлений и прикидок. Действовать вслепую — значит, зря терять время. Нужна хорошо продуманная гипотеза, которую потом можно проверить и в пробирке.
Маршрут, вернее рецепт, таков. Если соединить в одной колбе в нужных пропорциях раствор серной кислоты, бромат и бромид натрия, лимонную кислоту, сульфат церия и краску фенантролин, то возникает чудо. Раствор начинает менять цвет с голубого до оранжевого и обратно с периодом колебания от долей секунды до десятков минут. А в плоской посуде по мелкому слою раствора поползут волны разного цвета. После нескольких десятков колебаний нужно подлить свежие растворы, чтобы поддержать химическую реакцию, — совершенно так же, как нужно питать живой организм.
Периодическая реакция, открытая Борисом Павловичем Белоусовым, в каком-то смысле простой аналог жизни — неравновесная химическая пульсация, похожая на сердцебиение.
Белоусов сел писать статью о своём открытии. Печатных трудов и патентов у химика было много, но в академических журналах он не публиковался и с нравами тамошних рецензентов знаком не был. Увы, рецензенты научных журналов не были виртуозами. Это неформальное звание редко кому удаётся заслужить.
В 1951 году статья Белоусова об открытии удивительной реакции попала в журнал Академии наук СССР. И быстро вернулась с отказом в публикации. Рецензент завернул статью, категорически утверждая, что такая химическая реакция невозможна.
Борис Павлович взялся за дальнейшее исследование новой реакции. Пять лет он проводил измерения и анализы. В это время наука не стояла на месте. В 1952 году английский математик Алан Тьюринг высказал предположение о том, что сочетание химических реакций с процессами диффузии 5 может объяснить целый класс биологических явлений, в частности периодические полоски на шкуре тигра. Русский физик и химик Илья Романович Пригожин в 1955 году пришёл к выводу, что в неравновесных термодинамических системах, к которым относятся и все биологические системы, возможны химические колебания.
Ни Тьюринг, ни Пригожин даже не подозревали, что обсуждаемый ими феномен уже открыт, просто статья на эту тему не опубликована.
Наконец, Белоусов отправляет новый вариант своей работы в другой научный журнал. Статья снова возвращается с отказом в публикации! Рецензент предложил автору сократить её до пары страниц. Такой наглости Белоусов не выдержал — он выбросил статью в мусорную корзину и навсегда прекратил общение с академическими журналами.
Осенью 1958 года после очередного семинара к Шнолю подошёл студент и сказал, что эту реакцию открыл его двоюродный дед — Борис Павлович Белоусов. Шноль взял номер телефона Белоусова у студента и позвонил химику.
Борис Павлович был сух, от встречи отказался, но рецепт реакции продиктовал. Симон Шноль рецептуру полностью выдержать не смог, ярких цветов не достиг, но всё-таки получил колебания желтоватого цвета и был восхищён ими. В лабораторию Шноля любопытные сотрудники устроили паломничество, и вскоре весть о чудесной реакции разнеслась по Москве.
Шноль был обеспокоен: любая печатная работа, посвящённая циклической реакции, представлялась ему неэтичной, потому что не было возможности сослаться на печатную работу автора открытия.
Симон Эльевич снова позвонил Белоусову, долго уговаривал его и вскоре получил сборник трудов радиационной медицины, в котором Борис Павлович опубликовал краткое описание колебательной реакции. Никаких рецензентов у сборника не было, зато его составители отлично знали и глубоко уважали Белоусова и молниеносно опубликовали его краткую заметку.
Трёхстраничная заметка 1959 года стала единственной печатной работой Белоусова об открытой им циклической реакции. Но этот маленький камушек вызвал лавину. Шноль поручил своему аспиранту Анатолию Марковичу Жаботинскому детально исследовать колебательный химический феномен. Вскоре в изучении этой реакции участвовали уже десятки людей. Они публиковали сотни статей, получали кандидатские и докторские степени. Белоусов в этой деятельности не участвовал. Ему было глубоко за семьдесят, и он продолжал работать в своём институте. А потом какой-то бюрократ все-таки добрался до химика-виртуоза и отправил его на пенсию. Оставшись без работы, Борис Павлович вскоре умер.
Открытая им знаменитая химическая реакция, носящая сейчас имя Белоусова — Жаботинского, оказалась поворотным пунктом в современном мировоззрении, основанном на понятиях самоорганизации, открытых систем, колебательных реакций и структурообразующих неустойчивостей. Думается, эта работа заслуживала Нобелевской премии. Но лишь спустя десять лет после кончины Бориса Павловича Белоусова ему посмертно была присуждена Ленинская премия.
И всё же химик-виртуоз получил нечто гораздо большее, чем медаль и денежная награда, — ни с чем не сравнимое наслаждение нового открытия.
Что важнее — открыть Америку или получить за это награду? Возможно, кто-нибудь и задумается над ответом, но только не такой человек, как Борис Павлович Белоусов, химик-виртуоз и счастливый первооткрыватель периодической реакции поразительной красоты и важности. Сейчас она вошла в золотой фонд науки ХХ века.
Комментарии к статье
1 Катализаторы — вещества, ускоряющие химическую реакцию. Сам катализатор не расходуется в ходе реакции.
2 Энзимы (ферменты) — обычно белковые молекулы, которые ускоряют химические реакции в живых организмах.
4 Церий — серебристый металл из группы лантанидов, редкоземельных элементов.
5 Диффузия — процесс переноса вещества (газа, жидкости и т.д.) из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Gavin W Morley / Wikimedia Commons
Пики параметра упорядоченности, вызванные облучением светом (синий пунктир) и эхо (красный пунктир)
Tianran Chen et al. / PRX, 2016
После первого импульса на некоторое время реакции вокруг разных шариков синхронизировались, но лишь на время. Второй импульс света, который химики включали спустя несколько сот секунд, снова временно синхронизировал колебательные реакции. Спустя следующие несколько сотен секунд степень синхронизации вновь спонтанно повышалась, но не достигая значений, наблюдавшихся в ответ на импульсы.
Реакция Белоусова-Жаботинского — представитель класса колебательных химических реакций. Внешне она проявляет себя периодическими изменениями окраски, например, с бесцветной на синюю или с фиолетовой на синюю. В классическом варианте этого эксперимента требуется смешать органическое вещество, окисляемое в реакции (обычно лимонную или малоновую кислоту), окислитель (бромат калия) и ускоряющий эти процессы катализатор (соль трехвалентного церия). При реакции катализатор меняет свою форму с активной на неактивную и обратно — это и обуславливает смену окраски.
Недавно химики из Университета Питтсбурга разработали метод распознавания изображений, основанный на гелях, в которых происходит реакция Белоусова-Жаботинского.
Реакция Белоусова-Жаботинского ( реакция БЗР или БЗ ) - классический пример гомогенного химического осциллятора . Его часто используют для иллюстрации возникающих и хаотических систем . Это система нескольких химических реакций, которая показывает временные колебания или самоорганизованную пространственную структуру, в зависимости от экспериментальных условий, что на самом деле необычно для химических реакций. Первоначально, реакция была ошибочно принимают за ошибки измерения или артефакт , как второй закон от термодинамики , казалось , запретить такой процесс. Эта теорема физики гласит, что неупорядоченное состояние не может развиваться само по себе (то есть без подачи внешней энергии) в более упорядоченное состояние. Однако эта теорема здесь неприменима, поскольку она применима только к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии. Однако реакция Белоусова-Жаботинского является диссипативной реакцией, которая протекает вдали от теплового равновесия и поэтому демонстрирует такое необычное поведение.
Классически реакция Белоусова-Жаботинского проводится в чашке Петри (см. Рисунок справа), потому что картину можно отчетливо увидеть, например, с помощью диапроектора. Он распространяется круговыми волнами .
Принцип химического осциллятора также может быть продемонстрирован с другими реакционными системами, такими как так называемая Ioduhr ( реакция Бриггса- Раушера ).
Содержание
сказка
Примерно в 1950 году Борис Павлович Белоусов (Борис Павлович Белоусов) случайно обнаружил реакцию Белоусова-Жаботинского. Во время окисления из лимонной кислоты с броматных серной кислоты в растворе и церия ионов в качестве катализатора, он был в состоянии наблюдать периодическое изменение цвета раствора между желтым и бесцветным. Поскольку это наблюдение казалось слишком маловероятным по той же причине, что и в случае с Бреем, Белоусову удалось опубликовать небольшую статью о нем только в 1959 году. Его Превосходительство Шнолль осознал важность этой реакции и поручил Анатолию Марковичу Шаботинскому (Анатолий Маркович Жаботинский) исследовать описанный феномен, который он опубликовал в 1964 году.
Постепенно нерусские ученые заинтересовались колебательными реакциями, и начались обширные исследования связанных с ними явлений. Например, были обнаружены пространственные структуры (круговые узоры), которые могут образовываться в тонком слое раствора реакции Белоусова-Жаботинского.
В 1977 году Илья Пригожин получил Нобелевскую премию по химии за свои важные исследования в области термодинамики . Он исследовал далекие от равновесия системы ( диссипативные структуры ), которые используются в химии (реакция Белоусова-Жаботинского относится к этому классу процессов), а также в физике, биологии (например, модель Лотки-Вольтерра для хищников-жертв. Систем ) и социологии. После этой Нобелевской премии Белоусов ( посмертно ), Щаботинский и вместе с ними Заикин, Кринский и Иваницкий были удостоены Ленинской премии , высшей научной награды в Советском Союзе, в 1980 году .
Реакции
В реакции участвуют растворы четырех веществ: бромата калия , малоновой кислоты , бромида калия и концентрированной серной кислоты , а также ферроина или другого редокс-индикатора . Во время реакции состояние индикатора постоянно меняется между восстановленной и окисленной формой, что вызывает типичное изменение цвета. При использовании ферроина в качестве индикатора цвет меняется с синего ( ферриин с Fe 3+ ) на красный (ферроин с Fe 2+ ), с церием между желтым (Ce 4+ ) и бесцветным (Ce 3+ ), с марганцем между красным ( Mn 3+ ) и бесцветный (Mn 2+ ). Реакция не длится бесконечно, так как потребляются и малоновая кислота, и бромат.
Во время реакции протекают три разных процесса (A, B и C), каждый с несколькими реакциями. Процесс А нерадикальный, индикатор окислительно-восстановительного потенциала не задействован. По существу, бромид потребляется и превращается в монобромалоновую кислоту. Во время этой реакции образуется бромистая кислота , которая далее превращается.
Если расходуется много бромида, это дает возможность протекать реакциям процесса B. Это радикально и происходит с индикатором окислительно-восстановительного потенциала. В первой реакции бромистая кислота действует как автокатализатор (см. Автокатализ ), благодаря чему концентрация бромистой кислоты удваивается за реакцию.
При более высоких концентрациях бромистой кислоты она реагирует на бромистоводородную кислоту , так что общая реакция для процесса B
Чтобы колебание было возможным, должна быть другая реакция, в которой регенерируется используемый бромид. Это процесс C, в котором малоновая кислота (H 2 Mal), монобромалоновая кислота (HBrMal), гипобромит и индикатор окислительно-восстановительного потенциала реагируют друг с другом с образованием тартроновой кислоты [гидроксималоновой кислоты, HOCH (COOH) 2 ] с образованием бромида .
2 С. е ( Я. V ) + 2 ЧАС 2 М. а л + ЧАС Б. р М. а л + ЧАС Б. р О + 2 ЧАС 2 О ⟶ 2 С. е ( Я. Я. Я. ) + 2 Б. р - + 3 ЧАС О С. ЧАС ( С. О О ЧАС ) 2 + 4-й ЧАС + раз + HBrMal + HBrO + 2 \ H_ O \ longrightarrow 2 \ Ce (III) +2 \ Br ^ + 3 \ HOCH (COOH) _ +4 \ H ^ >>
Больше бромида получают разложением тартроновой кислоты с броматом до диоксида углерода и воды.
Модель процесса реакции
Ниже будет описана простая модель BZR. Следующее изображение служит иллюстрацией:
В исходном состоянии А , помимо исходных веществ (бромата, малоновой кислоты), раствор в основном содержит бромид и ферроин. Теперь может иметь место реакция I , потребляющая бромид и бромирующую малоновую кислоту. Система переходит в состояние B , в котором бромид практически отсутствует. Даже в самых малых концентрациях бромид тормозит протекание реакции II , так что вначале он не играет роли. Но теперь он может стекать и окислять ферроин, что приводит к изменению цвета раствора на синий. Теперь система находится в состоянии C , в котором раствор содержит ферриин и не содержит бромида. Теперь может иметь место реакция III, которая снова восстанавливает ферриин до ферроина, в результате чего снова снова образуется бромид. Кроме того, до сих пор производят муравьиную кислоту в качестве продукта. Это состояние соответствует начальному состоянию А снова .
Эта модель очень упрощена. Есть работы, в которых используется до 20 уравнений в частных производных, чтобы добиться очень точного моделирования системы.
Математические модели
Брюсселатор: кривая концентрации задействованных реагентов (слева) и моделирование на клеточной машине (справа)
Для описания поведения химических осцилляторов были разработаны различные математические модели. К ним относятся:
Брюссельщик очень прост, но физически нереален. Однако он дает результаты, очень близкие к BZR (см. Рисунок). Кроме того, система относительно проста и хорошо поддается математическому анализу. Часто модели для BZR можно моделировать с помощью сотовой машины, и таким образом достигаются модели пространственных структур в BZR.
КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ / КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ / МОДЕЛЬ ОРЕГОНАТОРА / ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА / РЕАКЦИЯ БЕЛОУСОВА-ЖАБОТИНСКОГО / "OREGO-NATOR" / BELOUSOV-ZHABOTINSKY REACTION / CRITICAL PHENOMENA / INVERSE PROBLEM / OSCILLATING REACTION
Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Икрамов Р. Д., Мустафина С. А.
Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Икрамов Р. Д., Мустафина С. А.
Study of the Influence of sulfuric acid Concentration Changes on the Course of Belousov-Zhabotinsky reaction
THE ALGORITHM OF SEARCH OF RATE CONSTANTS OF OSCILLATING REACTION TO THE EXAMPLE OF THE BELOUSOV-ZHABOTINSKY REACTION
Р. Д. Икрамов (асп.), С. А. Мустафина (д.ф.-м.н., проф.)
АЛГОРИТМ ПОИСКА КОНСТАНТ СКОРОСТЕЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ НА ПРИМЕРЕ РЕАКЦИИ БЕЛОУСОВА-ЖАБОТИНСКОГО
R. D. Ikramov, S. A. Mustafina
THE ALGORITHM OF SEARCH OF RATE CONSTANTS OF OSCILLATING REACTION TO THE EXAMPLE OF THE BELOUSOV-ZHABOTINSKY REACTION
Ключевые слов: колебательная реакция; критические явления; модель Орегонатора; обратная задача; реакция Белоусова-Жаботинского.
Колебательные реакции — это реакции, в которых могут наблюдаться периодические изменения концентраций реагирующих веществ или скоростей реакции во времени 1. Изучение колебательных реакций остается актуальной
задачей химической кинетики, т.к. позволяет понять суть явления катализа и закономерность периодических процессов, протекающих в живых организмах, а также дает возможность сформулировать принципы использования периодических процессов в химической технологии.
Дата поступления 20.01.15
На сегодняшний день изучено несколько десятков гомогенных и гетерогенных колебательных реакций 2. Исследования кинетических моделей таких сложных реакций позволили сформулировать ряд общих условий, необходимых для возникновения устойчивых ос-цилляций скорости реакций и концентраций промежуточных веществ. Перечислим их:
— устойчивые колебания возникают в большинстве случаев в открытых системах, где существует возможность поддерживать постоянными концентрации участвующих в реакции реагентов;
— сложная реакция должна включать в себя автокаталические стадии, также стадии, которые ингибируются продуктами реакции;
— механизм реакции должен включать стадии с порядком выше первого.
Перечисленные условия являются необходимыми, но недостаточными для возникновения в системе автоколебаний. Существенную роль при возникновении колебаний играет также соотношение между константами скоростей отдельных стадий и значений исходных концентраций реагентов.
Особый интерес вызывают колебательные химические реакции в гомогенной жидкой среде. Наиболее известной является окисление органических кислот и их эфиров бромат-ионом, катализируемое ионами металлов. Подобный класс реакций был обнаружен Б.П. Белоусо-вым, в ходе проведения которых он заметил периодическое изменение цвета раствора при окислении лимонной кислоты броматом в растворе И2Б04 в присутствии ионов церия. Детальное изучение кинетических закономерностей этого процесса проведено А. М. Жаботин-ским 3. На сегодняшний день реакции каталитического окисления различных восстановителей бромноватой кислотой ИВг03, идущая в автоколебательном режиме, называется реакцией Белоусова-Жаботинского 4.
Реакция Белоусова-Жаботинского весьма сложна, учет всех ее стадий затруднителен 6. Однако можно объяснить колебания в гомогенном растворе, исходя из трех ключевых ре-
агентов: ИВг02, играющего роль промежуточного переключателя, Вг-— контролирующего промежуточного соединения, катализатора Се4+. Доминируют реакции:
Читайте также: