Самоорганизация – реакция Белоусова-Жаботинского

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 26Следующая ⇒

       Последний пример – из химии. Это известная в настоящее время во всем научном мире колебательная химическая реакция Белоусова-Жаботинского.

Немного истории. Когда в 1957 г. в малоизвестном сборнике рефератов появилось первое сообщение Белоусова об исследованной им колебательной химической реакции в растворах малоновой кислоты, химики восприняли это как казус, возникший в результате ошибки эксперимента. Несмотря на то, что к этому времени уже были известны основные положения неравновесной (в том числе нелинейной) термодинамики, экспериментальная химия еще не была готова серьезно отнестись к химическим осцилляциям, которые, казалось бы, нарушают 2-ое начало термодинамики. Однако последующие исследования реакции Белоусова Жаботинским у нас в стране и во многих лабораториях за рубежом подтвердили наличие концентрационных колебаний в целом ряде химических процессов. В настоящее время реакция Белоусова-Жаботинского служит мощным методом исследования самоорганизации и автоволновых процессов.

Исходный раствор для получения химических колебаний в опытах Белоусова и Жаботинского представляет собой смесь водных расворов серной кислоты, малоновой кислоты (CH₂(COOH)₂), сульфата церия и бромида калия. Для того, чтобы можно был наблюдать за колебаниями концентрации, в раствор добавляют индикатор – ферроин, который в присутствии ионов Ce³⁺ имеет красный цвет, а в присутствии Ce⁴⁺ - синий. При определенных исходных концентрациях в реакционной смеси начинается химическая реакция, имеющая многозвенный характер, причем продолжительность и последовательность отдельных звеньев таковы, что в растворе попеременно накапливаются то ионы Ce³⁺ , то ионы Ce⁴⁺, периодическим меняется окраска расвора с синего на красный и наоборот. При некоторых условиях в пробирке с реакционной смесью через определенное время после начала реакции устанавливается слоевая пространственная структура с чередованием слоев, обогащенных Ce³⁺ и Ce⁴⁺. Химические колебания и пространственные структуры в реакционной смеси поддерживаются до тех пор, пока в растворе присутствуют исходные компоненты в требуемых для начала реакции концентрациях. Если использовать для проведения реакции проточный химический реактор с постоянной подачей веществ в реакционную зону, то химические колебания не затухают со временем, а имеют самоподдерживающийся устойчивый характер.

Относительно механизма реакции Белоусова-Жаботинского в настоящее время известно, что попеременное накопление ионов церия разной валентности происходит в результате реакции восстановления ионов Ce⁴⁺ броммалоновой кислотой по реакции

BrCH(COOH)₂ + 4 Ce⁴⁺ + 2H₂O → 2CO₂ + HCOOH + 4 Ce³⁺ + 5H⁺ + Br^-

и окисления ионов Ce³⁺ малоновой кислотой

4 Ce³⁺ + BrO₃^- + 5H⁺ + CH₂(COOH)₂ → 4 Ce⁴⁺ + 3H₂O + BrCH(COOH)₂.

Синтез броммалоновой кислоты происходит по реакции

3 CH₂(COOH)₂ + 2Br^-  + BrO₃^-  + 3H⁺ → 3BrCH(COOH)₂ + 3H₂O

        В настоящее время исследован целый класс химических колебательных систем. Получены многочисленные варианты реакции Белоусова-Жаботинского, в которых используются как органические, так и неорганические восстановители, в присутствии иона металла и без него. Открыты химические осцилляторы на основе хлоритов и йодатов.

                а                                                                           б

рис.6.9. Экспериментальное наблюдение химических колебаний и автоволн.

На фото (рис.6.9) показано распространение химической волны в двумерной системе Белоусова-Жаботинского: имеются ведущие центры (картинка слева – рис.6.9а, напоминающая мишень от стрельбы), спиральные волны, многозаходные спирали. Некоторые конфигурации (снимок справа – рис.6.9б), возникающие при реакции Белоусова-Жаботинского в тонком слое в чашке Петри.

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов