Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

У нелінійній нерівноважній термодинаміці існує ряд типових прикладів виникнення і існування дисипативних систем. Хімічні реакції надають багато прикладів утворення просторових, тимчасових і просторово-часових структур. Однією з перших досліджених і найбільш вражаючих реакцій цього типу є реакція Білоусова-Жаботинського, що виражається в красивій просторовій організації хімічних реакцій, яка особливо помітна при фарбуванні середовища в різні кольори, залежно від складу реагуючих компонентів.

Реакція Білоусова--Жаботинського -- це клас хімічних реакцій, що протікають в коливальному режимі, при якому деякі параметри реакції (колір, концентрація компонентів, температура і ін.) змінюються періодично, утворюючи складну просторово-часову структуру реакційного середовища. В даний час під цією назвою об'єднується цілий клас споріднених хімічних систем, близьких по механізму, але що відрізняються використовуваними каталізаторами (Ce³⁺, Mn²⁺ і комплекси Fe²⁺, Ru²⁺), органічними відновниками (малонова кислота, броммалонова кислота, лимонна кислота, яблучна кислота і ін.) і окислювачами (бромати, йодати і ін.). За певних умов ці системи можуть демонструвати дуже складні форми поведінки від регулярних періодичних до хаотичних коливань і є важливим об'єктом дослідження універсальних закономірностей нелінійних систем. Завдяки реакції Білоусова-Жаботинського з'явилася можливість спостерігати періодичні зміни концентрації реагентів і поширення автохвиль в гомогенній хімічній системі.

Реакція Білоусова-Жаботинського служить класичним прикладом нерівноважної термодинаміки. Вона являє собою нелінійний хімічний осцилятор. Ця реакція є теоретично важлива, оскільки показує, що в хімічних реакціях не повинна домінувати рівноважна термодинамічна поведінка. Ця реакція далека від рівноваги і утримуються так протягом тривалого періоду часу.

Реакція Білоусова-Жаботинського названа на честь Б.П.Білоусова, хто відкрив реакцію, і А.М.Жаботинського, хто продовжив ранню роботу Білоусова.

Історія відкриття реакції

Якщо ж звернутися до минулого, то перші описи коливань в концентраційних системах відносяться до XIX ст. Виявилось, що одна з перших публікацій по хімічних коливаннях відноситься до 1828р. У ній Т.Фехнер виклав результати дослідження коливань електрохімічної реакції. У 1833р. В.Гершель публікує подібне дослідження коливань каталітичної гетерогенної реакції. Найцікавіша робота М.Розеншельда, що відноситься до 1834р. Її автор абсолютно випадково відмітив, що невелика колба, що містить трохи фосфору, в темноті випускає досить інтенсивне світло. У самому факті свічення фосфору не було нічого дивного, але те, що це свічення регулярно повторювалося кожну сьому секунду, було цікаве. У публікації Розеншельда наводиться детальне дослідження мерехтінь колби. Сорок років після них експерименти з «мерехтливою колбою» продовжив француз М.Жубер (1874). Йому удалося в пробірці спостерігати періодичне утворення хмар, що «світяться». Ще через двадцять років ще один німецький учений А.Центнершвер досліджував вплив тиску повітря на періодичні спалахи фосфору. У його експериментах період спалахів починався з 20с і зменшувався з пониженням тиску. В той же час в Англії хіміки Т.Торп і А.Таттон спостерігали в запаяній скляній посудині періодичні спалахи реакції окислення триоксиду фосфору. Особливо яскрава сторінка в історії хімічних коливань пов'язана з так званими кільцями Лізеганга. У 1896р. німецький хімік Р.Лізеганг, експериментуючи з фотохімікатами, виявив, що якщо крапнути ляпісом на скляну пластину, покриту желатином, що містить дихромат калію, то продукт реакції, випадаючи в осад, розміщується на пластинці концентричними колами. Лізеганг захопився цим явищем і майже півстоліттям займався його дослідженням. Знайшлося і практичне його вживання. У прикладному мистецтві кільця Лізеганга використовували для прикрашання різних виробів з імітацією яшми, малахіту, агата і тому подібного. Сам Лізеганг запропонував технологію виготовлення штучних перлів. І все-таки відкриття Лізеганга, що мало великий резонанс в наукових хімічних кругах, не було першим. І до нього вивчали хімічні хвилі, а в 1855р. вийшла книга Ф.Рунге, в якій були зібрані багаточисельні приклади таких експериментів. Перелік подібних прикладів можна продовжити. Услід за вказаними були відкриті коливальні реакції на кордоні розділу двох фаз. З них найбільш відомі реакції на кордоні метал-розчин, що отримали специфічні назви - «залізний нерв» і «ртутне серце». Перша з них - реакція розчинення заліза (дроту) в азотній кислоті - отримала свою назву із-за зовнішньої схожості з динамікою збудженого нерва, відміченого В.Ф.Освальдом. Друга, вірніше один з її варіантів, - реакція розкладання Н₂О₂ на поверхні металевої ртуті. У реакції відбувається періодичне свічення і розчинення плівки оксиду на поверхні ртуті. Коливання поверхневого натягнення ртуті обумовлюють ритмічні пульсації краплі, що нагадують биття серця. Але всі ці реакції не залучали особливої уваги хіміків, оскільки уявлення про хід хімічної реакції були ще досить смутними. Лише у другій половині XIX ст. виникли термодинаміка і хімічна кінетика, що поклали початок специфічному інтересу до коливальних реакцій і методів їх аналізу. І в той же час саме розвиток рівноважної термодинаміки послужив на перших порах гальмом при вивченні подібних процесів. Проте вже в 1910р. італієць А.Лотка на основі аналізу системи диференціальних рівнянь передбачив можливість коливань в хімічних системах. Проте перші математичні моделі відповідали лише затухаючим коливанням. Лише через 10 років Лотка запропонував систему з двома подальшими автокаталітичними реакціями, і в цій моделі коливання вже могли бути незгасаючими. Проте позиції фізиків і хіміків тут розійшлися. Одне з найбільш яскравих досягнень фізики і математики XX ст. - створення теорії коливань. Реакція Брея-Лібавськи - це хімічний годинник, вперше описаний У.Бреєм у 1921 і перша коливальна реакція, в розмішаному гомогенному середовищі. Він досліджував роль йодата (IO^3-), аніону йодної кислоти в каталітичній конверсії водневого перекису до кисню і води іодатом. Він відмітив, що концентрація молекул йоду коливається і що кисень створює пульсацію. Підвищення температури скорочує цикл в діапазоні годинника. Ця коливальна реакція, яка складається з вільних радикалів на не радикальних кроках була розслідувана далі його студентом Г.Лібавски, з того часу реакція називається реакцією Брея-Лібавськи. Фундаментальною властивістю цієї системи є те, що водневий перекис має окислювально-відновний потенціал, який здійснює одночасне окислення йоду до йодату:

5H₂O₂ + I₂ > 2IO^3- + 2H⁺ + 4H₂O

і зниження йодата назад до йоду:

5H₂O₂ + 2IO^3- + 2H⁺ > I₂ + 5O₂ + 6H₂O

Між цими двома реакціями система коливається породжуючи стрибок концентрації йодиду і виробництво кисню. Проблемою є:

2H₂O₂ > 2H₂O + O₂

потреба каталізатора і IO^3-. Проте ця робота не викликала інтересу протягом 40 років. Одна з причин такої байдужості - досить низький рівень розвитку методів дослідження механізмів складних хімічних реакцій. Іншою причиною була широко поширена думка, що другий закон термодинаміки заперечує такі коливання навіть далеко від рівноваги. Фактично більшість хіміків вважали, що коливання концентрації в закритих гомогенних системах неможливі, інакше кажучи, чисто хімічних коливань не буває.

У 1928р. аспірант А.А.Андронов, майбутній академік, виступив на з'їзді фізиків з доповіддю «Граничні цикли Пуанкаре і теорія автоколивань». На початку 1930-х рр. в Інституті хімічної фізики АН СРСР були виявлені коливання свічення в «холодному полум'ї», аналогічні коливальній люмінесценції пари фосфору, яка зацікавила відомого фізика Д.А.Франк-Каменецького, що пояснив ці коливання на підставі кінетичної моделі Лотки. А в 1947р. в тому ж інституті була представлена до захисту дисертація на тему «До теорії періодичного протікання гомогенних хімічних реакцій», написана І.Е.Сальниковим під науковим керівництвом Франк-Каменецького. Ця дисертація містила обширну інформацію про більш ніж вікову історію вивчення хімічних коливань і перші результати по їх теоретичному дослідженню методами теорії нелінійних коливань, школою академіка Андронова, що розвивається. Але захист її тоді не відбувся. На думку Вольтера, «роботи Франк-Каменецького і Сальникова по хімічних автоколиваннях, викладені в дисертації, в книзі і у ряді статей, безумовно, були новаторськими для тодішньої хімічної науки. Але це новаторство мало хто розумів. “Коливальна ідеологія” (термін Андронова) була чужа неколивальній повсякденності хімічної науки і практики, і цим можна пояснити той факт, що роботи Франк-Каменецького і Сальникова в 1940-і рр. були прийняті неприязно, а коли відбулося вторинне відкриття хімічних коливань, їх ніхто не пригадав».

Білоусов Борис Павлович (19.II.1893-12.VI.1970) - радянський військовий хімік - проводив дослідження циклу Кребса, намагаючись знайти його неорганічний аналог. Проаналізувавши циклічні реакції, відкриті в післявоєнні роки біохіміками, вирішив здійснити хімічну аналогію біологічних циклів. Досліджуючи окислення лимонної кислоти броматом у присутності каталізатора, він виявив концентраційні коливання реагентів - коливання концентрацій окисленої і відновленої форм церію в реакції взаємодії лимонної кислоти з броматом калію каталізованого іонами церію. Розчин регулярно міняв своє забарвлення від безбарвного до жовтого, що обумовлено наявністю церію(IV), потім знову до безбарвного через церій(III) і так далі. Білоусов провів досить детальне дослідження цієї реакції і, зокрема, з'ясував, що період коливань істотно зменшується з підвищенням кислотності середовища і температури. Реакція до того ж виявилася зручною для лабораторних досліджень. Коливання можна було легко спостерігати візуально, а їх період знаходився в межах 10-100с. Так була відкрита коливальна реакція в 1951р. Проте перше повідомлення Білоусова про цю реакцію, послане в 1951р. в один з хімічних журналів ("Журнал загальної хімії"), було знехтувано. У відгуку говорилося, що публікувати роботу не слід, тому що описана в ній реакція неможлива. Така ж доля спіткала і друге повідомлення, направлене в друк в 1955р. в солідний хімічний журнал "Кінетика і каталіз". Повідомлення Білоусова було зустрінуте в наукових кругах скептично, оскільки вважалося, що автоколивання в хімічних системах неможливі. Лише у 1958р. за наполяганням С.Е.Шноля, який досліджуючи біоритми, розвивав свою гіпотезу, що біологічними годинниками управляють хімічні реакції, Білоусов зумів опублікувати скорочений варіант статті в маловідомій «Збірці рефератів по радіаційній медицині», що видавався Інститутом біофізики Міністерства охорони здоров'я СРСР. Тоді як хіміки, до яких приєдналися і біохіміки, дружно відкидали хімічні коливання, останні продовжували привертати увагу математиків і фізиків, що цікавилися біологією. У 1952р. з'явилася стаття англійського ученого А.М.Тюрінга «Хімічні основи морфогенезу», в якій він повідомляв, що поєднання хімічних коливань з дифузією молекул може приводити до появи стійких просторових структур, області високих і низьких концентрацій яких чергуються. Тюрінг поставив перед собою суто теоретичне запитання: чи можуть в реакторі в умовах хімічної реакції утворюватися стійкі конфігурації проміжних продуктів? І дав позитивну відповідь, створивши певну математичну модель процесу. Належного значення цій роботі тоді не надали, тим більше що ні сам Тюрінг, ні його колеги не могли знати про роботу Білоусова і його марних спробах її опублікувати. У 1955р. бельгійський фізик і фізико-хімік, автор теорії термодинаміки безповоротних процесів, І.Р.Пригожин показав, що у відкритій системі біля стаціонарного стану, досить віддаленого від хімічної рівноваги, можливі хімічні коливання. Саме він звернув увагу західній науковій громадськості на роботи радянських учених. В результаті деякі коливальні гетерогенні хімічні реакції, відкриті ще в кінці XIX ст., отримали широке визнання. Саме їх стали розглядати як аналоги ряду періодичних процесів, наприклад «біологічного годинника». Дослідникам стало ясно, що другий закон термодинаміки не порушується в живих системах і не заважає їх складній поведінці і еволюції. Але для існування життя або будь-якої її фізичної або хімічної моделі необхідно, аби система достатньо довго знаходилася далеко від термодинамічної рівноваги. І гомогенні хімічні системи могли стати зручною моделлю для вивчення таких процесів. Саме в цей час професор Шноль отримав «рецепт» коливальної реакції Білоусова і запропонував йому співпрацю, від якої той категорично відмовився, хоча і не заперечував проти продовження цих робіт. У 1961р. академік І.Е.Тамм, найбільший фізик-теоретик, вирішив «проінспектувати» перебування справ на недавно створеній кафедрі біофізики фізичного факультету МГУ. Шноль продемонстрував йому реакцію Білоусова. Реакцією вирішив зайнятися Анатолій Жаботинський. Шноль підтримав молодого ученого і запропонував аспірантові А.М.Жаботинському почати дослідження механізму реакції Білоусова, якими той з ентузіазмом і зайнявся. Пізніше ці роботи були продовжені в лабораторії фізичної біохімії Інституту біологічної фізики АН СРСР. Жаботинському належить одна з перших книг в цій області. Швидке і успішне вивчення реакції Білоусова-Жаботинського спрацювало в науці як спусковий гачок: відразу пригадали, що і раніше були відомі процеси подібного роду. З 1964р., коли цією реакцією став займатися А.М. Жаботинський (аспірант С.Е. Шноля), вивчення реакцій подібного типа набирає темп. Механізм коливної реакції був виданий в 1972 ученими Філд, Корос, і Ноєс. Їхня робота відкрила цілком нову область для досліджень: нелінійна хімічна динаміка У 1980р. Б.П.Білоусову (посмертно), Р.Р.Іваніцкому, В.І.Кринському, А.М.Жаботинському і А.Н.Заікину за цикл робіт по дослідженню коливальних реакцій була присуджена Ленінська премія.

Механізм, властивості і перебіг реакції

В даний час знайдено багато реакцій з такою властивістю. Білоусов виявив автоколивання в реакції окислення бромату калію КBro₃ малоновою кислотою HOOC-CH₂-COOH в кислотному середовищі у присутності каталізатора -- іонів церію Ce⁺³. Перебіг реакції міняється з часом і розчин періодично міняє колір від безбарвного (Ce⁺³) до жовтого (Ce⁺⁴) і назад. Найзагальніший рецепт для реакції Білоусова-Жаботинського використовує іони броміду і бромату, малонову кислоту, і каталізатор церію, який також служить візуальним індикатором для реакції. Спершу, іони бромату окисляють іони броміду, формуючи бром:

BrO₃^- + Br^- + 2H⁺ > HBrO₂ + HOBr

HBrO₂ + Br^- + H⁺ > 2HOBr

HOBr + Br^- + H⁺ > Br₂+ H₂O

Як концентрація іонів броміду знижується, другий набір реакції вривається, створюючи радикали BRO₂], що окисляють церій і змінюють колір суміші від червоного кольору до синього:

BrO₃^- + HBrO₂ + H⁺ > 2BrO₂ + H₂O

BrO₂ + Ce³⁺ + H⁺ > HBrO₂ + Ce⁴⁺

Потім третій набір реакцій починається: малонова кислота, церій і бром реагують, аби створити броммалонову кислоту і іони броміду. Церій вичерпується, блакитний розчин червоніє і цикл починається знову:

MA + Br₂ > BrMA + Br^- + H⁺

Ce⁴⁺ + BrMA > Br^- + MA + Ce³⁺

Жаботинським показав, що як каталізатор замість церію можна застосовувати марганець і залізо, а як відновник замість лимонної кислоти - використовувати ряд органічних сполук, що або мають метиленову групу, або створюють її при окисленні. До таких з'єднань відносяться малонова і броммалонова кислоти. Ефект дуже помітний у присутності індикатора pH фероїну. Найефектніше виглядає колба, якщо замість лимонної кислоти використовувати малонову, а замість іонів церію іони заліза Fе²⁺. Тоді розчин в колбі може годинами із строгою як годинник періодичністю змінювати колір у всьому видимому діапазоні від рубіново-червоного до небесно-блакитного. У разі використання церію, система коливається між жовтим Ce(IV)і безбарвним Ce(III). У разі марганцю реакція перемикається між червоним іоном MN(II) і безбарвним MN(III). Оскільки кольорові зміни в системах з марганцем чи церієм так не захоплюють, як в разі використання фероїну, ці системи загалом вивчають електрохімічними або спектрофотометричними методами. Зазвичай реакцію проводять при 25єС в сірчанокислому або азотнокислому розчині суміші бромату калію, малонової і броммалонової кислот і сірчанокислого церію. Експериментальному і модельному вивченню реакції Білоусова-Жаботинського присвячені сотні робіт, оскільки вона дає можливість на простій хімічній системі спостерігати особливості складних процесів самоорганізації, і допускає різного типа управління, у тому числі за допомогою різних режимів освітлення. Також зараз інтенсивно вивчаються комплекси з рутенієм, через їх реакційну чутливість до світлових коливань.

Реакція управляється зміною швидкостей, з якими хімічні речовини поступають в систему (або вибувають з неї), міняючи тим самим час перебування цих речовин в реакційному об'ємі. Дуже тривалий час перебування реагентів наводять по суті до реалізації замкнутої системи, і в таких умовах можна чекати, що поведінка системи буде подібно до рівноважної. Зменшуючи час перебування, ми не допускаємо повного вирівнювання швидкостей прямої і зворотної реакцій. При цьому можна чекати, що поведінка системи буде нерівноважною. Саме це і показує експеримент. В разі дуже тривалого часу перебування в системі досягається однорідний стаціонарний стан -- концентрації залишаються постійними в часі. Це типовий стан, вельми звичний хімікам, наділений всіма якісними властивостями хімічної рівноваги. Воно є аналогом режиму теплопровідності, що реалізовується в системі Бенара при невеликій різниці температур між пластинами. Якщо тепер зменшити час перебування, ми зустрінемося з абсолютно іншим типом поведінки. У якийсь момент часу вся система раптово забарвлюється в блакитний колір (якщо як фарбувальна речовина використовується фероїн), що вказує на надлишок іонів Fe³⁺ (або Се⁴⁺). Опісля декілька хвилин (або залежно від умов--долю хвилини) блакитний колір змінюється червоним, вказуючи на надлишок іонів Fe²⁺ (або Се³⁺). Цей процес так і продовжується: блакитний, червоний, блакитний, червоний і так далі -- ритмічна зміна кольору з ідеально регулярним періодом і амплітудою, залежними лише від параметрів і власними характеристиками системи, що тим самим є. Ці коливання можна розглядати як хімічний годинниковий механізм для виміру часу за допомогою внутрішньої динаміки системи. У періодичному режимі система раптом "відкриває" для себе час. Поступово коливання затухають, оскільки система замкнута і в неї не поступають вихідні речовини, необхідні для протікання реакції.

Специфічний цікавий експеримент в системі може бути зроблений, коли використовується іон рутенію, коли система освітлюється ультрафіолетовим світлом в темній кімнаті. В первинному стані, Ru(II), має червоний колір, який демонструє інтенсивне свічення. Окислена форма рутенію, Ru(III), зелена за кольором, але не світиться. Нормально, коли не присутнє жодне ультрафіолетове джерело, коливальна система з рутенієм змінює колір між зеленим і червоним. За наявності ультрафіолетового освітлення, коливальна реакція показує пульсуюче свічення.

Спрощена схема реакції Білоусова - Жаботинського:

Механізм реакції вельми складний з хімічної точки зору і містить десятки проміжних стадій. Найбільш повний відомий реакційний механізм є набором 80-ти елементарних реакцій.

Жаботинський запропонував перший механізм реакції і просту математичну модель, яка була здатна демонструвати коливальну поведінку. Надалі механізм був розширений і уточнений, експериментально спостережувані динамічні режими, включаючи хаотичні, були теоретично розраховані і показана їх відповідність експерименту. Повний список елементарних стадій реакції дуже складний і складає майже сотню реакцій з десятками речовин і інтермедіатів. До цих пір детальний механізм невідомий, особливо константи швидкостей реакцій. У 1969 Жаботинський з колегами виявили, що якщо реагуючу суміш "розлити" тонким плоским шаром в чашки Петрі, в ньому виникають хвилі зміни концентрації, які видно неозброєним оком у присутності індикаторів. Таким чином, можна спостерігати автоколивальний процес зміни концентрації чотиривалентного церію з одночасним варіюванням кольору. Якщо реакцію проводити в довгій трубці, в ній можна спостерігати виникнення горизонтальних зон, відповідних областям високих концентрацій, що чергуються.

Перша модель реакції Білоусова-Жаботинського була отримана в 1967 році Жаботинським і Корзухиним на основі підбору емпіричних співвідношень, що правильно описують коливання в системі. У її основі лежала знаменита консервативна модель Лотки - Вольтера.

тут X₂ = [Ce⁴⁺], C=[Ce⁴⁺]₀ + [Ce³⁺]₀, Х₁ - концентрація автокаталізатора, X₃ = [Br^-].

Механізм орегонатор, запропонований Філдом, Коросом і Ноєсом в 1972р. є одним з простих і в той же час найбільш популярних в роботах тих, що досліджують поведінку реакції Білоусова-Жаботинського:

I A + Y X

II X + Y P

III B + X 2 X + Z

IV 2 X Q

Відповідна система звичайних диференціальних рівнянь:

Ця модель демонструє прості коливання схожі на експериментально спостережувані, проте вона не здатна показувати складніших типів коливань, наприклад складноперіодичних і хаос.

І. Пригожин разом зі своїми співробітниками розробив спрощену теоретичну модель для опису феномену самоорганізації, який можна спостерігати за порогом хімічної нестабільності. Ця модель була названа брюсселятором відповідно до імені Брюссельської наукової школи, де вона була винайдена. Рівняння реакції-дифузії складають ядро математичної моделі, спочатку призначеної для опису певного типа хімічної нестабільності і утворення тимчасових структур (осциляцій процесів в часі) - хімічного годинника. Класична модель "брюсселятор" має вигляд:

і описує гіпотетичну схему хімічних реакцій:

Ключовою є стадія перетворення двох молекул x і однієї молекули у в x так звана тримолекулярна реакція. Така реакція можлива в процесах за участю ферментів з двома каталітичними центрами. Нелінійність цієї реакції у поєднанні з процесами дифузії речовини і забезпечує можливість просторово-часових режимів, у тому числі утворення просторових структур в спочатку однорідній системі морфогенез.

Модель Шоуалтера, Ноєса і Бар-Елі, розширений орегонатор, розроблялася для моделювання складно-періодичної і хаотичної поведінки реакції. Проте хаос отримати в цій моделі не вдалось.

1 A + Y X + P

2 X + Y 2 P

3 A + X 2 W

4 C + W X + Z'

5 2 X A + P

6 Z' g Y + C

де A -- BrO3-; X -- HBrO2; Y -- Br-; C -- Ce3+; Z' -- Ce4+; W -- BrO2*; P -- HOBr.

Реакція Білоусова-Жаботинського лежить в основі функціонування кожної людини. А.М.Жаботинським і А.Н.Заікиним було відкрито, що хімічні коливальні реакції здатні поширюватися у вигляді хвиль. Тому і виникло поняття «Хвилі Білоусова-Жаботинського». Ці хвилі проявили саме те суперечливе поєднання якостей, яке здатне пояснити роботу хвилевої системи управління людиною. По-перше, вони, як лісова пожежа, поширюються на будь-які відстані, не втрачаючи інтенсивності (не затухаючи), оскільки черпають енергію з середовища поширення, чому, навіть при дуже серйозних втратах енергії, здатні поширюватися на необмежено великі відстані. По-друге, маючи форму відокремлених хвиль, солітонів (а не звичних всім синусоїд), хвилі хімічних реакцій володіють на декілька порядків коротшим переднім фронтом, ніж відстань між фронтами. При довжині хвилі порядку одиниць або десятків міліметрів, такі хвилі можуть мати передній фронт, рівний за протяжністю з розмірами гена, тобто фронт, здатний взаємодіяти з геном. Відкриття коливальних реакцій, як часто буває, стало результатом вдалого збігу обставин. Якби період зміни кольору в пробірці вимірювався сотими долями секунди або, навпаки, багатьма годинами і днями, те явище залишилося б непоміченим. Тим часом, подібні реакції з тимчасовими характеристиками, що сильно відрізняються, реально існують і досить поширені. Це дає підстави передбачати, що серед великого числа реакцій, що протікають в протоплазмі кліток, існують і такі, що поширюються у вигляді хвиль, хоча вони, через тимчасові характеристики або з інших причин, поки безпосередньо не виявлені. Не випадково Б.П.Білоусов відкрив коливальні реакції, намагаючись моделювати чи не найпоширеніший в живій природі ланцюжок біохімічних процесів -- цикл Кребса. Один з дослідників в 1983 році на підставі двох незалежних експериментальних методик з'ясував, що хвилі хімічних реакцій виникають в протоплазмі кожної нормальної еукаріотичної клітки. Тим самим, підкріпилося припущення, що хвилі, що переносять інформацію при формуванні багатоклітинного організму, є хвилями хімічних реакцій. Хвилі Білоусова-Жаботинського поширюються в розчині завдяки дифузії молекул, що визначає невисокі швидкості просування хвилі порядку міліметри в секунду. Але дифузія активних молекул -- не єдиний чинник, здатний ініціювати реакцію в розчині. Хоча хімізм структурних хвиль доки не відкритий, є вагомі підстави передбачати, що просування фронту структурної хвилі забезпечують не дифундуючі молекули, а швидші частки, що володіють, до того ж, дуже коротким пробігом.

Граничні цикли типа вісімок в періодичній реакції Білоусова-Жаботинського: білоусов жаботинський реакція схема

Приклад еволюції коливального режиму в ході періодичної реакції Білоусова-Жаботинського.

Зараз відомо досить багато реакцій типа Білоусова-Жаботинського, наприклад, реакція Брігса - Раушера - коливна реакція - одна з не багатьох відомих автоколивних хімічних реакцій. Вона добре підходить для демонстраційних цілей через яскраві кольорові зміни: щойно підготовлена безбарвна суміш повільно переходить в янтарний колір, раптом змінюючись до дуже синього. Потім повільно блякне до безбарвного і повторює процес близько десяти разів в найпоширенішому виді, перед тим як закінчитись як синя темна рідина з сильним запахом йоду.

Значення відкриття і застосування реакції

Реакція Білоусова-Жаботинського стала однією з найвідоміших в науці хімічних реакцій, її дослідженнями займаються безліч учених і груп різних наукових дисциплін і напрямів у всьому світі: математиці, хімії, фізиці, біології. Виявлені її багаточисельні аналоги в різних хімічних системах. Опубліковані тисячі статей і книг, захищена безліч кандидатських і докторських дисертацій. Відкриття реакції фактично дало поштовх до розвитку таких розділів сучасної науки, як синергетика, теорія динамічних систем і детермінованого хаосу. І.Пригожин назвав реакцію Білоусова-Жаботинського одним з найважливіших відкриттів ХХ ст. Він порівняв її з такими визначними науковими досягненнями як відкриття кварків і чорних дір. Як і у випадку будь-якої оцінки тут можливе перебільшення. Не можна не констатувати той факт, що у створеній Пригожиним нелінійній термодинаміці реакція Білоусова-Жаботинського займає центральне місце. Вона дозволяє наповнити експериментальним змістом важливе для Пригожина поняття дисипативної структури. Реакція Білоусова-Жаботинського фігурує в якості парадигмального прикладу в синергетиці Г.Хакена, пояснюючи центральне для цієї дисципліни поняття параметра порядку і пов'язаний з цим поняттям принцип підпорядкування. І на кінець реакція Білоусова-Жаботинського - стандартний приклад складної динамічної системи в книжках по нелінійній динаміці і теорії коливань. Зокрема, саме в реакції Білоусова -- Жаботинського спостерігався перший експериментальний дивний атрактор в хімічних системах і була здійснена експериментальна перевірка його теоретичний передбачених властивостей. Вчені із університету Західної Англії у Великобританії використовують реакцію Білоусова-Жаботинського у побудові хімічного комп'ютера, створенні біологічного робота та розв'язуванні таких задач як задача комівояжера і знаходження найкоротшого шляху в лабіринті.

Размещено на Allbest.ru