Reacción de Belousov-Zhabotinsky
La reacción de Belousov-Zhabotinsky es una clase de reacciones químicas que se desarrollan en modo oscilatorio, en las que algunos parámetros de reacción (color, concentración de componentes, temperatura, etc.) cambian periódicamente, formando una estructura espacio-temporal compleja del medio de reacción.
Actualmente, este nombre combina toda una clase de sistemas químicos relacionados que son similares en mecanismo, pero difieren en los catalizadores utilizados (complejos Ce 3+ , Mn 2+ y Fe 2+ , Ru 2+ ), agentes reductores orgánicos ( ácido malónico , ácido bromomalónico , ácido cítrico , ácido málico , etc.) y agentes oxidantes (bromatos, yodatos, etc.).
Bajo ciertas condiciones, estos sistemas pueden demostrar formas de comportamiento muy complejas, desde oscilaciones regulares periódicas hasta caóticas , y son un importante objeto de estudio de las leyes universales de los sistemas no lineales. En particular, fue en la reacción de Belousov-Zhabotinsky donde se observó el primer atractor extraño experimental en sistemas químicos y se verificaron experimentalmente sus propiedades predichas teóricamente.
La historia del descubrimiento de la reacción oscilatoria por B. P. Belousov, su estudio experimental y numerosos análogos, el estudio del mecanismo, el modelado matemático y el significado histórico se dan en la monografía colectiva [1] .
Historial de descubrimientos
Boris Pavlovich Belousov realizó una investigación sobre el ciclo de Krebs , tratando de encontrar su contraparte inorgánica. Como resultado de uno de los experimentos en 1951, a saber, la oxidación del ácido cítrico con bromato de potasio en un medio ácido en presencia de un catalizador - iones de cerio Ce +3 , descubrió las autooscilaciones . El curso de la reacción cambió con el tiempo, lo que se manifestó por un cambio periódico en el color de la solución de incoloro (Ce +3 ) a amarillo (Ce +4 ) y viceversa. El efecto es aún más notable en presencia del indicador de ferroína . El mensaje de Belousov sobre el descubrimiento fue recibido con escepticismo en los círculos científicos soviéticos, ya que se creía que las autooscilaciones en los sistemas químicos eran imposibles. El artículo de Belousov [2] fue rechazado dos veces en las oficinas editoriales de las revistas soviéticas, por lo que pudo publicar los resultados de los estudios de la respuesta oscilatoria solo en forma abreviada 8 años después en una colección departamental que se publicó en una tirada pequeña [ 3] . Posteriormente, este artículo se convirtió en uno de los más citados en este campo, y la reacción se denominó reacción de Belousov.
Se produjo un mayor desarrollo de la investigación sobre esta reacción cuando el profesor Simon Elevich Shnol sugirió a su estudiante graduado, el futuro ganador del Premio Lenin Anatoly Markovich Zhabotinsky , que investigara el mecanismo de la reacción. Belousov rechazó la invitación para realizar una investigación conjunta, aunque expresó su satisfacción de que su trabajo continuara [4] . Zhabotinsky realizó estudios detallados de la reacción, incluidas sus diversas variantes, y también compiló su primer modelo matemático (1964) [5] . Los principales resultados se presentaron en el libro de Zhabotinsky "Oscilaciones de concentración" [6] [7] .
En 1969, Zhabotinsky y sus colegas descubrieron que si se coloca una mezcla reactiva en una capa delgada y plana, aparecen cambios de concentración que son visibles a simple vista en presencia de indicadores.
Ahora se conocen bastantes reacciones del tipo Belousov-Zhabotinsky, por ejemplo, la reacción de Briggs-Rauscher .
Mecanismo de reacción
Jabotinsky ofreció la primera explicación del mecanismo de reacción y un modelo matemático simple que era capaz de exhibir un comportamiento oscilatorio. Posteriormente, se amplió y perfeccionó la descripción del mecanismo, se calcularon teóricamente los regímenes dinámicos observados experimentalmente, incluidos los caóticos, y se demostró su concordancia con el experimento. La lista completa de pasos de reacción elementales es muy complicada y asciende a casi un centenar de reacciones con decenas de sustancias e intermedios . Hasta ahora, se desconoce el mecanismo detallado, especialmente las constantes de velocidad de reacción .
El modelo Zhabotinsky-Korzukhin
El primer modelo de la reacción de Belousov-Zhabotinsky fue obtenido en 1967 por Zhabotinsky y Korzukhin sobre la base de la selección de relaciones empíricas que describen correctamente las oscilaciones en el sistema [8] . Se basó en el famoso modelo conservador Lotka-Volterra .
aquí = [Ce 4+ ], C=[Ce 4+ ] 0 + [Ce 3+ ] 0 , es la concentración de autocatalizador, = [Br − ].
Bruselasator
El modelo más simple propuesto por Prigogine [9] , que tiene dinámica oscilatoria.
| yo | A | → | X | |
| II | B + X | → | Y+D | |
| tercero | 2X+Y | → | 3X | (autocatálisis) |
| IV | X | → | mi | |
| V | A+B | → | E+D | |
oregonador
El mecanismo propuesto por Field y Noyes [10] es uno de los más simples y, al mismo tiempo, más popular en los trabajos que estudian el comportamiento de la reacción de Belousov-Zhabotinsky:
| yo | A+Y | X | ||
| II | X+Y | PAGS | ||
| tercero | B + X | 2X+Z | ||
| IV | 2X | q | ||
| V | Z | f Y |
El correspondiente sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias es:
![\frac{d [X]}{dt}= k_I [A] [Y] - k_{II} [X] [Y] + k_{III} [B] [X] - k_{IV} [X]^ 2](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/27d3e7456c880a854397b1660d6fe63808c4c802)
![\frac{d [Y]}{dt}= -k_I [A] [Y] - k_{II} [X] [Y] + f k_V [Z]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/64deaae2861919563024d552a51e01d8858e1437)
![\frac{d[Z]}{dt}= k_{III}[B][X] - k_V[Z]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f4c6a743017b43b920cc3bbe09757b3f11e9e3e8)
Este modelo demuestra las oscilaciones más simples similares a las observadas experimentalmente, pero no es capaz de mostrar tipos de oscilaciones más complejas, como la periódica compleja y la caótica.
Oregonator extendido
El modelo de Showalter, Noyes y Bar-Ely [11] fue desarrollado para simular el complejo comportamiento periódico y caótico de la reacción. Sin embargo, el caos no se pudo obtener en este modelo.
| una | A+Y | X+P | ||
| 2 | X+Y | 2P | ||
| 3 | A+X | 2W | ||
| cuatro | C+W | X+Z' | ||
| 5 | 2X | A+P | ||
| 6 | Z' | g Y + C |
donde -BrO3- ; _ _ - HBrO2 ; - Hermano - ; - Ce 3+ ; '-Ce 4+ ; - BrO 2 • ; — HOBR.
Mecanismo de reacción completo
El mecanismo de reacción conocido más completo [12] es un conjunto de 80 reacciones elementales.
Esquema gráfico
Importancia del descubrimiento de la reacción
La reacción de Belousov-Zhabotinsky se ha convertido en una de las reacciones químicas más famosas de la ciencia, muchos científicos y grupos de diversas disciplinas científicas y áreas de todo el mundo se dedican a su investigación: matemáticas , química , física , biología . Se han encontrado numerosos análogos en varios sistemas químicos (ver, por ejemplo, un análogo en fase sólida: síntesis orgánica de alta temperatura autopropagante ). Se han publicado miles de artículos y libros, se han defendido muchas tesis doctorales y de candidatos. El descubrimiento de la reacción en realidad impulsó el desarrollo de secciones de la ciencia moderna como la sinergética , la teoría de los sistemas dinámicos y el caos determinista .
Dada la importancia de las reacciones identificadas para la ciencia, este trabajo fue reconocido como un descubrimiento científico e inscrito en el Registro Estatal de Descubrimientos de la URSS con el número 174 [13] .
Véase también
- Reacciones nominales en química orgánica
- Ondas automáticas , reverberación de ondas automáticas
- Auto Oscilación
- autoorganización
- onda estacionaria
- Estructura de Turing
- sistema disipativo
Notas
- ↑ Oscilaciones y ondas viajeras en sistemas químicos. ed. R. Field y M. Burguer. - M., Mir, 1988 / Oscilaciones y ondas viajeras en sistemas químicos. ed. por RJField y M.Burger. 1985 por John Wiley and Sons, Inc. (Inglés)/
- ↑ Belousov B.P. Reacción de acción periódica y su mecanismo. Sat: Procesos Autowave en sistemas con difusión / Ed. M. T. Grekhovoi (editor responsable), - Gorky: Instituto de Física Aplicada de la Academia de Ciencias de la URSS, 1981. - 287 p. - p.76
- ↑ B. P. Belousov. Reacción de acción periódica y su mecanismo. Colección de resúmenes sobre medicina radiológica de 1958 - M: Medgiz, 1959 p.145.
- ↑ R. Field, M. Burger, 1988 , p. veinte.
- ↑ AM Zhabotinsky (1964). Proceso de oxidación por lotes de una solución de ácido malónico. Biofísica. 9:306-311.
- ↑ Zhabotinsky A. M. "Fluctuaciones de concentración". Copia de archivo fechada el 15 de junio de 2006 en Wayback Machine M.: Nauka, 1974, 179 p.
- ↑ Zaikin AN , Zhabotinsky AM Propagación de ondas de concentración en un sistema autooscilante de fase líquida bidimensional // Nature: revista. - 1970. - T. 225 . - S. 535-537 .
- ↑ Korzukhin M. D., Zhabotinsky A. M. Modelado matemático de sistemas auto-oscilantes químicos y ecológicos. — M.: Nauka, 1965
- ↑ P. Glandsdorff e I. Prigogine, Teoría termodinámica de la estructura, la estabilidad y las fluctuaciones, Wiley, Nueva York (1971)
- ↑ RJ Field & Richard M. Noyes (1974): Oscilaciones en sistemas químicos. IV. Comportamiento del ciclo límite en un modelo de una reacción química real. J. Chem. física 60:1877-84
- ↑ K. Showalter, R. M. Noyes, K. Bar-Eli. Un modelo de Oregonator modificado que exhibe un comportamiento de ciclo límite complicado en un sistema de flujo. J.Chem.Phys. 1978, 69, 2514-2524
- ↑ L. Gyorgyi, T. Turanyi, RJ Field. Detalles mecanísticos de la reacción oscilatoria de Belousov-Zhabotinskii. J Phys. química 1990. 94 (18) 7162-7170
- ↑ Descubrimientos científicos en Rusia. Descubrimiento científico No. 174 "El fenómeno de la formación de ondas automáticas de concentración en un medio químico activo homogéneo".
Enlaces
- De la historia del descubrimiento y estudio de los procesos de autooscilación en los sistemas químicos: al 50 aniversario del descubrimiento de la reacción de Belousov-Zhabotinsky
- B. P. Belousov y su reacción oscilatoria , revista "El conocimiento es poder"
- Esquemas de reacción de Belousov Zhabotinsky y Briggs Rauscher Archivado el 4 de abril de 2008 en Wayback Machine , ecuaciones diferenciales
- La fenomenología de la reacción de Belousov-Zhabotinsky
- V. A. Vavilin. Auto-oscilaciones en sistemas químicos en fase líquida
- A. A. Pechenkin. El significado ideológico de las reacciones químicas oscilatorias (enlace inaccesible)
- Reacción de Belousov-Zhabotinsky (un artículo de Scholarpedia)
- Oscilaciones y ondas viajeras en sistemas químicos. / R. Field, M. Burguer.. - M. : Mir, 1988.