Просмотр кода страницы Реакция Белоусова — Жаботинского

[[Файл:Bzr fotos.jpg|thumb|320px|Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова — Жаботинского с ферроином]]

'''Реакция Белоусова — Жаботинского''' — класс [[химическая реакция|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 [[катализатор]]ами (Ce<sup>3+</sup>, Mn<sup>2+</sup> и комплексы Fe<sup>2+</sup>, Ru<sup>2+</sup>), 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 [[хаос|хаотических]] колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. В частности, именно в реакции Белоусова — Жаботинского наблюдался первый экспериментальный [[Аттрактор#Странные аттракторы|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<ref>Колебания и бегущие волны в химических системах. Ред. Р.Филд и М. Бургер. — М., «Мир», 1988 /Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc. (Engl)/</ref>.

== История открытия ==
[[Файл:Bzr raum.jpg|thumb|Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова — Жаботинского в тонком слое в чашке Петри]]

[[Борис Павлович Белоусов]] проводил исследования [[Цикл трикарбоновых кислот|цикла Кребса]], пытаясь найти его неорганический аналог. В результате одного из экспериментов в [[1951 год]]у, а именно окисления [[лимонная кислота|лимонной кислоты]] [[бромат калия|броматом калия]] в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов [[церий|церия]] Ce<sup>+3</sup>, он обнаружил [[автоколебания]]. Течение реакции менялось со временем, что проявлялось периодическим изменением цвета раствора от бесцветного (Ce<sup>+3</sup>) к жёлтому (Ce<sup>+4</sup>) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора [[ферроин]]а. Сообщение Белоусова об открытии было встречено в советских научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Статью Белоусова<ref>Белоусов Б. П. Периодически действующая реакция и её механизм. Сб.: Автоволновые процессы в системах с диффузией / Под ред. М. Т. Греховой (отв. редактор), — Горький: Институт прикладной физики АН СССР, 1981. — 287 с. —  с.76</ref> 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<ref>Б. П. Белоусов. Периодически действующая реакция и её механизм. Сборник рефератов по радиационной медицине за 1958 г. -М: Медгиз, 1959 с.145.</ref>. 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 [[Шноль, Симон Эльевич|Симон Эльевич Шноль]] предложил своему аспиранту, в будущем лауреату [[Ленинская премия|Ленинской премии]] [[Жаботинский, Анатолий Маркович|Анатолию Марковичу Жаботинскому]] исследовать механизм реакции. От приглашения проводить совместные исследования Белоусов отказался, хотя выражал удовлетворение тем, что его работа продолжена{{sfn|Р. Филд, М. Бургер|1988|c=20}}. Жаботинский провёл подробные исследования реакции, включая её различные варианты, а также составил её первую математическую модель (1964)<ref>А. М. Жаботинский (1964). Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе. Биофизика. 9: 306—311.</ref>. Основные результаты были изложены в книге Жаботинского «Концентрационные колебания»<ref>Жаботинский А. М. [http://www.odessamore.com/physics-of-molecules/library/books/jabotinsky.djvu «Концентрационные колебания».] {{Wayback|url=http://www.odessamore.com/physics-of-molecules/library/books/jabotinsky.djvu |date=20060615174528 }} М.: Наука, 1974, 179 с.</ref><ref name="a-Zaikin-1970">{{статья
 |автор         = {{nobr|[[Заикин, Альберт Николаевич|Zaikin A. N.]]}}, {{nobr|[[Жаботинский, Анатолий Маркович|Zhabotinsky A. M.]]}}
 |заглавие      = Concentration wave propagation in two-dimensional liquid-phase self-oscillating system
 |ссылка        = 
 |язык          = 
 |издание       = Nature 
 |тип           = журнал
 |год           = 1970
 |том           = 225
 |номер         = 
 |страницы      = 535—537
 |doi           = 
 |issn          = 
}}</ref>.

В [[1969 год]]у 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 [[математическая модель|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 [[интермедиат]]ов. До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно [[константа скорости|константы скоростей]] реакций.

=== Модель Жаботинского — Корзухина ===
Первая модель реакции Белоусова — Жаботинского была получена в 1967 году [[Жаботинский, Анатолий Маркович|Жаботинским]] и Корзухиным на основе подбора эмпирических соотношений, правильно описывающих колебания в системе<ref>Корзухин М. Д., Жаботинский А. М. Математическое моделирование химических и экологических автоколебательных систем. — М.: Наука, 1965</ref>. В её основе лежала знаменитая консервативная [[модель Лотки — Вольтерры]].
: <math>\frac{d X_1}{dt} =  k_1 X_1 (C - X_2) - k_0 X_1 X_3</math>
: <math>\frac{d X_2}{dt} =  k_1 X_1 (C - X_2) - k_2 X_2</math>
:<math>\frac{d X_3}{dt} =  k_2 X_2 - k_3 X_3</math>
здесь <math>X_2</math> = [Ce<sup>4+</sup>], C=[Ce<sup>4+</sup>]<sub>0</sub> + [Ce<sup>3+</sup>]<sub>0</sub>, <math>X_1</math> — концентрация автокатализатора, <math>X_3</math> = [Br<sup>−</sup>].

=== Брюсселятор ===
[[Файл:Bruesselator.png|thumb|320px|right|Колебательная динамика модели «брюсселятор» и моделирование с её помощью волн]]
Простейшая модель, предложенная [[Пригожин, Илья Романович|Пригожиным]]<ref>P. Glandsdorff and I. Prigogine, Thermodynamic theory of structure, stability and fluctuations, Wiley, New York (1971)</ref>, которая имеет колебательную динамику.
{|
 | '''I'''
 | A
 | '''→'''
 | X
 |
 |-
 | '''II'''
 | B + X
 | '''→'''
 | Y + D
 |
 |-
 | '''III'''
 | 2X + Y
 | '''→'''
 | 3X
 |''(автокатализ)''
 |- 
 | '''IV'''
 | X
 | '''→'''
 | E
 |-
 | colspan="5" | <hr>
 |-
 | '''V'''
 | A + B
 | '''→'''
 | E + D
 |}

=== Орегонатор ===
Механизм, предложенный Филдом и Нойесом<ref>R. J. Field & Richard M. Noyes (1974): Oscillations in chemical systems. IV. Limit cycle behavior in a model of a real chemical reaction. [[J. Chem. Phys.]] 60:1877-84</ref>, является одним из простейших и в то же время наиболее популярным в работах, исследующих поведение реакции Белоусова — Жаботинского:
{|
 | '''I'''  || || A + Y || <math>\longrightarrow</math> || X
 |-
 | '''II''' || || X + Y || <math>\longrightarrow</math> || P
 |-
 | '''III'''|| || B + X || <math>\longrightarrow</math> || 2 X  + Z
 |-
 | '''IV'''
 |
 | align="right" | 2 X
 | <math>\longrightarrow</math> || Q
 |-
 | '''V'''
 |
 | align="right" | Z
 | <math>\longrightarrow</math> || f Y
 |}

Соответствующая система обыкновенных дифференциальных уравнений:
: <math>\frac{d [X]}{dt}=  k_I [A] [Y] - k_{II} [X] [Y] + k_{III} [B] [X] - k_{IV} [X]^2 </math>
: <math>\frac{d [Y]}{dt}= -k_I [A] [Y] - k_{II} [X] [Y] + f k_V [Z]</math>
: <math>\frac{d [Z]}{dt}=  k_{III} [B] [X] - k_V [Z] </math>

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<ref>K. Showalter, R.M. Noyes, K. Bar-Eli. A Modified Oregonator Model Exhibiting Com-plicated Limit Cycle Behavior in a Flow System. ''[[J.Chem.Phys.]]'' 1978, 69, 2514—2524</ref> разрабатывалась для моделирования сложнопериодического и хаотического поведения реакции. Однако хаос получить в этой модели не удалось. 
{|
 | '''1'''|| || A + Y || <math>\leftrightarrow</math> || X + P 
 |-
 | '''2'''|| || X + Y || <math>\leftrightarrow</math> || 2 P
 |-
 | '''3'''|| || A + X || <math>\leftrightarrow</math> || 2 W
 |-
 | '''4'''|| || C + W || <math>\leftrightarrow</math> || X + Z'
 |-
 | '''5'''
 |
 | align="right" | 2 X
 | <math>\leftrightarrow</math> || A + P
 |-
 | '''6'''
 |
 | align="right" | Z'
 | <math>\rightarrow</math> || g Y + C
 |}
где <math>A</math> — BrO<sub>3</sub><sup>−</sup>; <math>X</math> — HBrO<sub>2</sub>; <math>Y</math> — Br<sup>−</sup>; <math>C</math> — Ce<sup>3+</sup>; <math>Z</math>' — Ce<sup>4+</sup>; <math>W</math> — BrO<sub>2</sub><sup>•</sup>; <math>P</math> — HOBr.

=== Полный реакционный механизм ===
Наиболее полный известный реакционный механизм<ref>L. Gyorgyi, T. Turanyi, R.J. Field. Mechanistic Details of the Oscillatory Belousov-Zhabotinskii Reaction. [[J. Phys. Chem.]] 1990. 94 (18) 7162-7170</ref> представляет собой набор 80 элементарных реакций.
[[Файл:BZReactionMech80.png|thumb|800px|center|80-стадийный механизм реакции Белоусова-Жаботинского]]

=== Графическая схема ===
[[Файл:BZGraphScheme.png|thumb|400px|center|Графическая схема механизма реакции Белоусова-Жаботинского]]

== Значение открытия реакции ==
{{навигация}}
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: [[Математика|математике]], [[Химия|химии]], [[Физика|физике]], [[Биология|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 [[Наука|науки]], как [[синергетика]], теория [[Динамическая система|динамических систем]] и [[Детерминированный хаос|детерминированного хаоса]].

Учитывая значимость выявленных реакций для науки, эта работа была признана как [[открытие|научное открытие]] и занесена в [[Государственный реестр открытий СССР]] под № 174<ref>[https://archive.today/20120716053556/ross-nauka.narod.ru/05/05-174.html/ Научные открытия России.] Научное открытие № 174 «Явление образования концентрационных автоволн в гомогенной активной химической среде».</ref>.

== См. также ==
{{Div col}}
* [[Именные реакции в органической химии]]
* [[Автоволны]], [[Автоволновой ревербератор]]
* [[Автоколебание]]
* [[Самоорганизация]]
* [[Стоячая волна]]
* [[Структура Тьюринга]]
* [[Диссипативная система]]
{{Div col end}}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
{{external media
|video1=[https://www.youtube.com/watch?v=dyHKd-PtBJo Реакция Белоусова — Жаботинского]
}}
# [http://infosci.narod.ru/chemistry/010616-1p.html Из истории открытия и изучения автоколебательных процессов в химических системах: к 50-летию открытия реакции Белоусова — Жаботинского]
# [http://www.znanie-sila.ru/projects/issue_87.html Б. П. Белоусов и его колебательная реакция], журнал «Знание — сила»
# [http://cisserver.muctr.edu.ru/alk/sinergetika/lectures/6/lek6_7_1.html Реакционные схемы Белоусова Жаботинского и Бриггса Раушера] {{Wayback|url=http://cisserver.muctr.edu.ru/alk/sinergetika/lectures/6/lek6_7_1.html |date=20080404105327 }}, дифференциальные уравнения
# [http://www.ux.his.no/~ruoff/BZ_Phenomenology.html The Phenomenology of the Belousov-Zhabotinsky Reaction]
# [http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/NATURE/05_00/05_19-25.HTM В. А. Вавилин. Автоколебания в жидкофазных химических системах]
# [http://www.philos.msu.ru/vestnik/philos/art/2005/pechenikin_mir.htm А. А. Печенкин. Мировоззренческое значение колебательных химических реакций]{{Недоступная ссылка|date=Март 2018 |bot=InternetArchiveBot }}
# [http://www.scholarpedia.org/article/Belousov-Zhabotinsky_reaction Belousov-Zhabotinsky reaction (a Scholarpedia article)]
# {{книга|заглавие=Колебания и бегущие волны в химических системах.|ответственный=Р. Филд, М. Бургер.|место=М.|издательство=Мир|год=1988|ref=Р. Филд, М. Бургер}}

{{rq|isbn|topic=chemistry}}
[[Категория:Автоколебательные реакции|Белоусова-Жаботинского]]
[[Категория:Именные реакции в органической химии|Белоусова-Жаботинского]]
[[Категория:Радикальные реакции|Белоусова-Жаботинского]]