VIBRACINĖ, p-cija, kurios eigoje tarpt. junginiai ir p-cijos greitis patiria svyravimus. Svyravimai m. b. periodinės, šiuo atveju vertės c(t) svyruoja (t - laikas) gali būti pavaizduotos Furjė serija:

kur a n , b n yra funkcijos c(t) plėtimosi koeficientai rad (atskirų harmoninių komponentų amplitudės), A n yra kompleksinės amplitudės, w - virpesių dažnis (i - įsivaizduojamas vienetas). Bendru atveju svyravimų amplitudės ir dažniai gali kisti laike (sumažėję, augantys, moduliuoti svyravimai). svyravimai tarp. conn. gali būti neperiodinis arba turėti ištisinį spektrą. svyravimai tarp. conn. - gana retas reiškinys, stebimas kai kurių sudėtingų p-cijų metu. Elementų chemija. rajonai yra atsipalaidavę. procesai, kurie suteikia monotonišką reaguojančios sistemos artėjimą prie termodinaminės būsenos. . Dėl svyravimų atsiradimo homog. izoterminis r-tion turi turėti intervalą. conn. ir jų tarpusavio sąveika. Yra stacionarios būsenos, kuriose i-ojo intervalo c(i). conn. nepriklauso nuo laiko (su i =c 0 i). Esant nedideliems sistemos nukrypimams nuo stacionarios būsenos, c i pokytis apibūdinamas eksponentų suma su sudėtingais rodikliais:

Reikšmės l i = g i + i w aš skambinau charakteristika numeriai. Nesvyruojančiame. tvarios sistemos l aš esu neigiamas ir tikras ( gi<0, w i=0). Tokiais atvejais dažniausiai vietoj l naudoju kartus t i = 1/l aš . Jeigu stacionari būsena pakankamai artima termodinaminei būsenai. (Onsager abipusiškumo santykiai galioja, žr.), tada viskas l aš esu tikras ir neigiamas (). Tokiu atveju sistema artėja prie stacionarios būsenos be svyravimų. Stipriai nesubalansuotose sistemose l i gali tapti kompleksiniais skaičiais, kurie atitinka svyravimų atsiradimą šalia stacionarios būsenos. Esant tam tikroms stipriai nesubalansuotos sistemos parametrų vertėms (pradinė, t-ry ir kt.), stacionari būsena gali prarasti stabilumą. Stacionarios būsenos stabilumo praradimas yra ypatingas bifurkacijos atvejis, t.y. pasikeičia prie tam tikros (bifurkacijos) c.-l vertės. numerio arba tipo parametro skirtumas. kinetinės sistemos režimai. Yra du paprasčiausi stabilios stacionarios būsenos bifurkacijos atvejai. Pirmuoju atveju vienas l pasidarau pozityvus. Tuo pačiu metu bifurkacijos taške ( l i = 0) pradinė stabili būsena tampa nestabili arba susilieja su nestabilia stacionaria būsena ir išnyksta, o sistema pereina į naują stabilią būseną. Parametrų erdvėje, netoli šios bifurkacijos, yra sritis, kurioje sistema turi mažiausiai tris stacionarias būsenas, iš kurių dvi yra stabilios, o viena – nestabili. Tai veikia antruoju atveju. vienos kompleksinės charakteristikos dalis. skaičiai tampa teigiami. Šiuo atveju stabilūs svyravimai atsiranda šalia nejudančios būsenos, praradusios stabilumą. Perėjus bifurkacijos tašką, toliau keičiant kiekio parametrą, svyravimų charakteristikos (dažnis, amplitudė ir kt.) gali labai pasikeisti, bet savybės. išsaugomas sistemos elgesio tipas. Chem. nestabilumo sistemos gali atsirasti dėl rajono produktų ar kitų rūšių pagreitėjimo, substrato ar kryžminio slopinimo (žr.), pradinio įėjimo konkurencijos dėl intervalo. conn. ir taip toliau. Neizoterminėje sistemos, nestabilumo priežastis gali būti egzoterminis savaiminis pagreitis. rajono etapuose, o elektrocheminėje. p-cijos p-cijos greičio eksponentinė priklausomybė nuo . Paprasčiausių nestabilumų atsiradimas ir atitinkama kinetika. sistemos būsenas patogu paaiškinti naudojant fermentinio p-čio pavyzdį su dviem S 1 ir S 2, iš kurių vienas, pvz. S1 slopina E:
S 01 D S 1 S 02 D S 2 S 1 +E 1 D S 1 E S 1 E+S 2 D S 1 E : P S 1 E+S 1 D S 1 S 1 E
S 1 ir S 2 gali patekti į sistemą iš išorės (pvz., dėl įtekėjimo srauto reaktoriuje arba pro jį) arba susidaryti dėl lėto homogavimo. p-tions S 0i D S i (i=1,2); vyksta ir gaminio P pašalinimas, kuris neturi įtakos rajono eigai. S 1 E, S 1 S 2 E ir S 1 S 1 E - fermento-substrato kompleksai; atsiranda dėl neaktyvaus komplekso susidarymo S 1 S 1 E. Šioje sistemoje yra 6 dinaminės. kintamieji: ir , [E] ir dekomp. fermentų-substratų kompleksų formos, o [E] + ++=e – pilnas. Paprastai e<< и e<<, поэтому можно применить и представить фермент-субстратных комплексов как алгебраич. ф-ции . В результате поведение системы можно описать двумя дифференц. ур-ниями относительно и . Удобно использовать безразмерные переменные s 1 =/K 1 ir s 2 =/K 2 (K 1 ir K 2 - Michaelis), parametrai a 1 ir a 2 - atvykimo rodikliai, taip pat bedimensiniai elementarių etapų deriniai e, b, g, d, ( ir bematis laikas t . Tada dif. ur-niya paimkite formą:

Panagrinėkime atvejį, kai ši sistema turi dvi stabilias stacionarias būsenas – bistabilią sistemą arba trigerį. Jeigu a 2 >> a 1 / e , t.y. greitis p-tion S 02 D S 2 yra labai didelis, palyginti su p-tion S 01 greičiu D S 1 ir fermentinio p-cijos greitis, tada jis yra pastovus ir lygus . Šiuo atveju sistemos elgsena apibūdinama tik viena lygtimi (3.1). Priklausomybės d s l / d t nuo s 1 skirtingomis vertėmis a 1 parodytos fig. 1, a. Taškinės kreivės atitinka bifurkacijas. parametrų reikšmės a-a" 1 ir a : 1 , o tarp jų esančios kreivės susikerta su x ašimi tris kartus. Sankirtos taškai atitinka stacionarias būsenas s 1 01, s 1 02 ir s 1 03 , kurių vidurkis s 1 02 yra nestabilus ir atskiria stabilių būsenų traukos sritis s 1 01

Ryžiai. 1. Fermentinė sistema su trimis stacionariomis būsenomis (biocheminis trigeris): a greičio priklausomybė d s 1 /d t bematio S 1 pokytis nuo jo vertės ( s 1 ) ties skirtumu. greičiai ( a 1 ) kvitai ; punktyrinė linija žymi kreives, atitinkančias bifurkacijas. vertybes a „1“ ir „“ 1 ; 6 - stacionarių verčių priklausomybė s 0 1 iš 1; s 1 01 ir s 1 0 3 yra stabilūs, s 1 0 2 - nestabilios stacionarios būsenos.

ir s 1 0 3 . Ant stacionarios priklausomybės kreivės s 1 0 iš 1 (1 pav., b) sritis, kurioje yra trys stacionarios būsenos, yra intervale ( a "1, a "" 1). Lėtai keičiant parametrus pirmyn ir atgal a 1 sistema juda skirtingomis trajektorijomis, t.y. histerezės. Reikėtų pažymėti, kad aprašytą bistabilumą galima gauti sistemoje su vieno substrato p-tionu, kuris elgiasi panašiai kaip dviejų substratų p-tionas su fiksavimu. vienas iš . Kad sistema su vienu kintamuoju ir bistabilumu taptų svyruojančia, reikia parametrą paversti lėtuoju kintamuoju. Fermentinėje sistemoje su dviem tokiais parametrais, žinoma, yra antrasis s 2. Šiuo atveju sistemai apibūdinti turi būti naudojamos abi (3) lygtys. Santykiniai pokyčiai S 2 ( D /) bus lėtas, palyginti su santykiniais S l pokyčiais, jei >>. Pereinant prie bedimensinių parametrų, ši sąlyga yra tokia: a 1 ~ a 2 ~ 1, e <<1. На фазовой плоскости с координатами s1,s 2 sistemos elgseną kokybiškai lemia nulinių izoklininių kreivių tarpusavio išsidėstymas, ant kurių išvestinės d s 1 /d t ir d s 2 / d t yra lygūs 0 (2 pav., a). Nulinės izoklininės sankirtos taškai atitinka stacionarias sistemos būsenas. Taškinė linija rodo nulinės izoklinijos d padėtį s 1 /d t =0 ties bifurkacija, kurią lydi stabilūs mažos amplitudės svyravimai (savaiminiai virpesiai). Šie svyravimai atitinka uždarą sistemos trajektoriją – vadinamąją. ribinis ciklas. Ištisinės linijos rodo nulines izoklinas situacijoje, kuri yra toli nuo bifurkacijos, kai vienintelė stacionari sistemos būsena (taškas O 2 pav., a) yra labai nestabili ir yra apsupta ribinio ciklo ABCD. Sistemos judėjimas pagal šį ribinį ciklą atitinka savaiminius virpesius s 1 ir s 2 su didele amplitude (žr. 2 pav., b).

Ryžiai. 2. Savaiminiai virpesiai (stabilūs svyravimai) modelinėje fermentinėje sistemoje: a fazės plokštuma koordinatėse s 1 - s 2 su nulinėmis izoklinijomis d s 1 /d t \u003d 0, d s 2 /d t =0; punktyrinė linija rodo nulinės izoklinijos d padėtį s 1 /d t =0, atitinkantis svyravimus. bifurkacijos ir mažas ribinis ciklas, supantis nestabilią stacionarią būseną O, ABCD didelis ribinis ciklas; b – savaiminiai virpesiai s 1 ir s 2, atitinkantis didelės ribos ciklą ABCD.

Virpesių metu stebimas periodiškas. svyravimai dif. formos: sinusinės, pjūklinės, stačiakampės ir kt.; moduliuotas, kvaziperiodinis ir stochastinis. Daugumos virpesių periodai svyruoja nuo sekundės dalių iki dešimčių minučių. Skystos fazės svyravimai apima, pavyzdžiui, H 2 O 2 ir S 2 O 4 2-, skaidosi. in-in halogeno-deguonies junginiai ir. Belousovas-Žabotinskis yra gerai ištirtas, patenkantis į vandeninį tirpalą, kur HBrO 3 oksiduoja skilimą su kintamuoju. org. junginys, ypač malono rūgštis. Dujų fazės virpesiai buvo atrasti ir ištirti dėl , CO ir kitų junginių. Visais atvejais tiek tūriniai p-tion etapai, tiek grandinių lūžimas ir branduolių susidarymas ant reaktoriaus sienelių, taip pat p-jų pagreitis dėl sistemos įkaitimo dėl egzoterminis etapai (terminiai). Galimas grynai termokinetinis. savaiminiai virpesiai, kai terminis yra vienybė, nestabilumo priežastis. Paprasčiausias termokinetikos modelis svyravimai srauto reaktoriuje turi formą: В 0: IN : P + Q. Čia in-in B patenka į idealaus srauto reaktorių, kuriame vyksta monomolekulinė egzoterminė reakcija. irimo p-cija; išsiskyrusi šiluma pašalinama per reaktoriaus sienelę. Šio rajono kinetika apibūdinama dviem skirtumais. ur-niami, palyginti su B ir t-ry T reaktoriaus viduje:

kur [B 0 ] – pateikta reaktoriaus įėjime, T 0 – reaktoriaus sienelės t-ra, k – koeficientas. reakcijos atnaujinimo greitis mišinys reaktoriuje, h – koeficientas. greitis, Q - p-tion šiluminis poveikis, C p - esant pastoviai, r - tankis, E ir A -

Vibracinės cheminės reakcijos

Šiame kursiniame darbe nagrinėsiu ypatingą probleminio eksperimento – virpesių cheminių reakcijų – atvejį. Virpesių reakcijos yra visa klasė organinių medžiagų oksidacijos reakcijų, kuriose dalyvauja redokso savybių turintis katalizatorius. Šis procesas vyksta cikliškai, ty susideda iš kelių pakartojimų.

Vibracines chemines reakcijas 1951 metais atrado ir moksliškai pagrindė sovietų mokslininkas Borisas Petrovičius Belousovas. B.P. Belousovas tyrė citrinų rūgšties oksidaciją, kai ji reaguoja su natrio bromatu sieros rūgšties tirpale. Siekdamas sustiprinti reakciją, jis į tirpalą įdėjo cerio druskos. Ceris yra kintamo valentingumo (3+ arba 4+) metalas, todėl jis gali būti redokso transformacijų katalizatorius. Reakciją lydi CO 2 burbuliukų išsiskyrimas, todėl atrodo, kad visas reakcijos mišinys „užverda“. Ir šio virimo fone B. P. Belousovas pastebėjo nuostabų dalyką: tirpalo spalva periodiškai keitėsi - jis tapo geltonas arba bespalvis. Belousovas į tirpalą įpylė fenantrolino komplekso su juodąja geležimi (feroinu), ir tirpalo spalva pradėjo periodiškai keistis nuo violetinės-raudonos iki mėlynos ir atgal.

Taip buvo atrasta reakcija, kuri išgarsėjo. Dabar tai žinoma visame pasaulyje, ji vadinama Belousovo-Žabotinskio reakcija. A. M. Zhabotinsky daug padarė, kad suprastų šį nuostabų reiškinį. Nuo to laiko buvo atrasta daug panašių reakcijų.

Virpesių reakcijų atradimo istorija.

IP Belousovas atrado svyruojančią cheminę reakciją, bandydamas sukurti paprastą cheminį modelį kai kurių pagrindinių karboksirūgščių biocheminių transformacijų ląstelėje sistemos etapams. Tačiau pirmoji ataskaita apie jo atradimą nebuvo paskelbta. Chemijos žurnalo recenzentas suabejojo esmine straipsnyje aprašytos reakcijos galimybe. Dauguma chemikų tais metais manė, kad grynai cheminių svyravimų nėra, nors svyravimo reakcijų egzistavimą 1910 metais numatė A. Lotkojus, remdamasis matematine periodinių procesų teorija.

Antrą kartą tyrimo rezultatus paskelbti mokslininkas padarė 1957 metais ir vėl buvo atsisakyta, nepaisant tuo metu pasirodžiusio belgų fiziko ir fizikochemiko I. R. Prigožino darbų. Šiuose darbuose buvo parodyta virpesių cheminių reakcijų galimybė ir tikimybė.

Tik 1959 m. mažai žinomame leidinyje „Radiacinės medicinos santraukų rinkinys“ buvo paskelbta trumpa santrauka apie B. P. Belousovo atradimą apie periodiškai veikiančią svyruojančią cheminę reakciją.

Ir reikalas yra tas, kad kai B.P. Belousovas padarė savo atradimą, periodiniai reagentų koncentracijos pokyčiai atrodė kaip termodinamikos dėsnių pažeidimas. Iš tiesų, kaip reakcija gali vykti į priekį arba priešinga kryptimi? Neįmanoma įsivaizduoti, kad visas didžiulis molekulių skaičius inde buvo vienoje būsenoje, tada kitoje (arba visos „mėlynos“, tada visos „raudonos“ ...).

Reakcijos kryptį lemia cheminis (termodinaminis) potencialas – reakcijos vykdomos labiau tikėtinų būsenų kryptimi, sistemos laisvosios energijos mažinimo kryptimi. Kai reakcija tam tikra kryptimi baigiasi, tai reiškia, kad jos potencialas išnaudotas, pasiekiama termodinaminė pusiausvyra, o be energijos sąnaudų spontaniškai procesas negali vykti priešinga kryptimi. Ir tada ... reakcija eina viena ar kita kryptimi.

Tačiau šioje reakcijoje nebuvo pažeisti įstatymai. Buvo tarpinių produktų, o ne pradinių reagentų ar galutinių produktų koncentracijų svyravimai – periodiniai pokyčiai. Šioje reakcijoje CO 2 nevirsta citrinos rūgštimi, tai iš tikrųjų neįmanoma. Recenzentai neatsižvelgė į tai, kad nors sistema toli gražu nėra pusiausvyra, joje gali nutikti daug nuostabių dalykų. Išsamios sistemos trajektorijos nuo pradinės būsenos iki galutinės būsenos gali būti labai sudėtingos. Tik pastaraisiais dešimtmečiais sistemų termodinamika, toli nuo pusiausvyros, pradėjo spręsti šias problemas. Šis naujas mokslas tapo naujo mokslo – sinergetikos (savitvarkos teorijos) pagrindu.

Kaip minėta aukščiau, Belousovo reakciją išsamiai ištyrė A. M. Zhabotinsky ir jo kolegos. Jie pakeitė citrinos rūgštį malono rūgštimi. Maloninės rūgšties oksidacijos metu nesusidaro CO 2 burbuliukai, todėl tirpalo spalvos pasikeitimą galima fiksuoti be trikdžių fotoelektriniais prietaisais. Vėliau paaiškėjo, kad feroinas be cerio yra šios reakcijos katalizatorius. B. P. Belousovas jau pirmųjų eksperimentų metu pastebėjo dar vieną nepaprastą savo reakcijos savybę: nustojus maišyti, spalvos pasikeitimas tirpale sklinda bangomis. Toks cheminių virpesių sklidimas erdvėje ypač išryškėjo, kai 1970 metais A. M. Žabotinskis ir A. N. Zaikinas į Petri lėkštelę įpylė ploną reakcijos mišinio sluoksnį. Puodelyje susidaro keistos figūros – koncentriniai apskritimai, spiralės, „sūkuriai“, sklindantys maždaug 1 mm/min greičiu. Cheminės bangos turi daug neįprastų savybių. Taigi, kai jie susiduria, jie užgęsta ir negali praeiti vienas per kitą.

Švietimo, mokslo, jaunimo ir sporto ministerija

Petru Movilă teorinis licėjus

skyrius

„Gebėjimai, darbas, talentas“

Chemijos kursas šia tema:

„Vibracinės cheminės reakcijos“

Baigė: 12A klasės mokinys

Bolyubash Irina

Lektorius: Snidchenko M.A.

* Kišiniovas, 2007 m.

1. Įvadas:

a) Redokso reakcijos

b) Vibracinės cheminės reakcijos

2. Virpesių reakcijų atradimo istorija:

a) Koncentracijos svyravimų prieš atradimą tyrimai

B. P. Belousovo reakcijos

3. Teorinė dalis:

a) A. Lotkos matematinis modelis

b) Virpesių reakcijų mechanizmo tyrimas

4. Eksperimentinė dalis

5. Išvada

6. Taikymas:

a) Kai kurių virpesių reakcijų receptai

b) Atliktų eksperimentų iliustracijos

7. Literatūra

Įvadas.

Chemija yra eksperimentinis mokslas. Ir todėl eksperimentas kaip mokslinio tyrimo metodas jau seniai tvirtai užėmė pirmaujančią vietą tarp gamtos mokslų metodų. Eksperimentas yra svarbiausias būdas susieti teoriją su praktika mokant chemijos, žinias paverčiant įsitikinimais. Todėl kiekvienos patirties pažintinės reikšmės atskleidimas yra pagrindinis cheminio eksperimento reikalavimas.

Eksperimento metu (otlat. "eksperimentas" - „bandymas“) suprasti tiriamo reiškinio stebėjimą tam tikromis sąlygomis, leidžiančius sekti šio reiškinio eigą ir pakartoti jį tokiomis sąlygomis. Cheminis eksperimentas užima svarbią vietą dėstant chemiją, nes per stebėjimus ir eksperimentus yra žinoma medžiagų prigimties įvairovė, kaupiami faktai palyginimams, apibendrinimams, išvadoms.

Atlikdami eksperimentus ir stebėdami chemines transformacijas įvairiomis sąlygomis, įsitikiname, kad sudėtingus cheminius procesus galima valdyti, kad reiškiniuose nėra nieko paslaptingo, jie paklūsta gamtos dėsniams, kurių žinojimas leidžia plačiai panaudoti chemines transformacijas praktinėje žmogaus veikloje. .

Tačiau kai kurių cheminių eksperimentų rezultatai netikėti ir netelpa į tradicines idėjas apie medžiagų savybes ar cheminių reakcijų modelius. Tokios cheminės transformacijos buvo vadinamos probleminiais eksperimentais.

Dar antikos laikais filosofai tikėjo, kad bet kokios žinios prasideda nuo nuostabos. Naujo sukelta staigmena sukelia smalsumo (jautrumo supančio pasaulio problemoms) vystymąsi, o vėliau susiformuoja stabilus susidomėjimas kažkuo. Staigmena, o po jos – žinių troškimas – tai palanki dirva probleminio eksperimento studijoms, dialektinio ir sisteminio mąstymo formavimui, kūrybinio potencialo atskleidimui.

Tą pačią būseną gali sukelti ryškus, įspūdingas cheminis eksperimentas (probleminis eksperimentas). Chemijoje probleminių eksperimentų priežastys dažniausiai yra redokso reakcijos.

Redokso reakcijos

Yra daug cheminių reakcijų klasifikavimo kriterijų. Vienas svarbiausių – elementų oksidacijos būsenų pasikeitimo ženklas. Priklausomai nuo to, ar elementų oksidacijos būsenos keičiasi ar išlieka, chemines reakcijas galima skirstyti į redokso reakcijas ir vykstančias nekeičiant oksidacijos būsenų.

Reakcijos, atsirandančios pasikeitus elementų oksidacijos būsenoms (redoksas), yra plačiai žinomos. Jie atlieka svarbų vaidmenį technologijoje ir gamtoje, yra gyvų organizmų metabolizmo pagrindas, yra susiję su oksidacijos, puvimo, fermentacijos, fotosintezės procesais. Oksidacijos (ir redukcijos) procesai vyksta kuro degimo, metalų korozijos, elektrolizės metu, jų pagalba gaunami metalai, amoniakas, šarmai ir daug kitų vertingų produktų. Todėl redokso reakcijų tyrimas yra numatytas neorganinės ir organinės chemijos mokykliniuose kursuose.

Prisiminkite pagrindines nuostatas, susijusias su redokso reakcijų sąvoka.

Oksidacijos būsena atitinka krūvį, kuris atsirastų tam tikro elemento atome cheminiame junginyje, darant prielaidą, kad visos elektronų poros, per kurias šis atomas yra prijungtas prie kitų, yra visiškai išstumtos į didesnio elektronegatyvumo elementų atomus.

Oksidatorius- medžiaga, kurioje yra atomų arba jonų, kurie priima elektronus: Xm ^{(oksidatorius) + ne- = X(m-n) , kur m – elemento oksidacijos būsena pradinėje medžiagoje, n – elektronų skaičius.}

Reduktorius- medžiaga, kurioje yra atomų arba jonų, kurie atiduoda elektronus: Ym ^{(reduktorius) - ne-= Y(m+n) .}

Oksidacija- procesas, kai atomas, molekulė ar jonas išskiria elektronus, kai didėja elemento oksidacijos būsena.

Atsigavimas- elektronų priėmimo procesas atomu, molekule ar jonu, kai mažėja elemento oksidacijos būsena.

Oksidacija ir redukcija yra konjuguoti procesai, elektronų skaičius, kurį reduktorius suteikia jo oksidacijos procese, visada yra lygus elektronų skaičiui, kurį oksiduojantis agentas priima redukcijos procese.

Vibracinės cheminės reakcijos

Vibracines chemines reakcijas 1951 metais atrado ir moksliškai pagrindė sovietų mokslininkas Borisas Petrovičius Belousovas. B.P. Belousovas tyrė citrinų rūgšties oksidaciją, kai ji reaguoja su natrio bromatu sieros rūgšties tirpale. Siekdamas sustiprinti reakciją, jis į tirpalą įdėjo cerio druskos. Ceris yra kintamo valentingumo (3+ arba 4+) metalas, todėl jis gali būti redokso transformacijų katalizatorius. Reakciją lydi CO2 burbuliukų išsiskyrimas, todėl atrodo, kad visas reakcijos mišinys „užverda“. Ir šio virimo fone B. P. Belousovas pastebėjo nuostabų dalyką: tirpalo spalva periodiškai keitėsi - jis tapo geltonas arba bespalvis. Belousovas į tirpalą pridėjo kompleksinio fenantrolino su juodąja geležimi (feroinu), o tirpalo spalva pradėjo periodiškai keistis nuo violetinės-raudonos iki mėlynos ir atgal.

Virpesių reakcijų atradimo istorija.

I. P. Belousovas atrado svyruojančią cheminę reakciją, bandydamas sukurti paprastą cheminį modelį kai kurių pagrindinių karboksirūgščių biocheminių transformacijų ląstelėje sistemos etapams. Tačiau pirmoji ataskaita apie jo atradimą nebuvo paskelbta. Chemijos žurnalo recenzentas suabejojo esmine straipsnyje aprašytos reakcijos galimybe. Dauguma chemikų tais metais manė, kad grynai cheminių svyravimų nėra, nors svyravimo reakcijų egzistavimą 1910 metais numatė A. Lotkojus, remdamasis matematine periodinių procesų teorija.

Antrą kartą tyrimo rezultatus paskelbti mokslininkas padarė 1957 metais ir vėl buvo atsisakyta, nepaisant tuo metu pasirodžiusio belgų fiziko ir fizikochemiko I. R. Prigožino darbų. Šie darbai parodė virpesių cheminių reakcijų galimybę ir tikimybę.

Tik 1959 m. buvo paskelbta trumpa santrauka apie tai, kad B. P. Belousovas atrado periodiškai veikiančią svyruojančią cheminę reakciją mažai žinomame Radiacinės medicinos santraukų kolekcijos leidime.

O reikalas tas, kad kai B. P. Belousovas padarė savo atradimą, periodiški reagentų koncentracijos pokyčiai atrodė kaip termodinamikos dėsnių pažeidimas. Tiesą sakant, kaip reakcija gali vykti į priekį ar priešinga kryptimi? Neįmanoma įsivaizduoti, kad visas didžiulis molekulių skaičius inde buvo vienoje būsenoje, tada kitoje (arba visos „mėlynos“, tada visos „raudona“...).

Reakcijos kryptį lemia cheminis (termodinaminis) potencialas – reakcijos vykdomos labiau tikėtinų būsenų kryptimi, sistemos laisvosios energijos mažinimo kryptimi. Kai reakcija šia kryptimi baigiasi, tai reiškia, kad jos potencialas išnaudotas, pasiekiama termodinaminė pusiausvyra, o be energijos sąnaudų spontaniškai procesas negali vykti priešinga kryptimi. Ir tada ... reakcija eina viena ar kita kryptimi.

Tačiau šioje reakcijoje nebuvo pažeisti įstatymai. Buvo tarpinių produktų, o ne pradinių reagentų ar galutinių produktų koncentracijų svyravimai – periodiniai pokyčiai. Šioje reakcijoje CO2 nevirsta citrinos rūgštimi, tai iš tikrųjų neįmanoma. Recenzentai neatsižvelgė į tai, kad nors sistema toli gražu nėra pusiausvyra, joje gali įvykti daug nuostabių dalykų. Išsamios sistemos trajektorijos nuo pradinės būsenos iki galutinės būsenos gali būti labai sudėtingos. Tik pastaraisiais dešimtmečiais sistemų termodinamika, toli nuo pusiausvyros, pradėjo spręsti šias problemas. Šis naujas mokslas tapo naujo mokslo – sinergetikos (savitvarkos teorijos) pagrindu.

Kaip minėta aukščiau, Belousovo reakciją išsamiai ištyrė A. M. Zhabotinsky ir jo kolegos. Jie pakeitė citrinos rūgštį malono rūgštimi. Malono rūgšties oksidacijos metu nesusidaro CO2 burbuliukai, todėl tirpalo spalvos pasikeitimą galima fiksuoti be trikdžių fotoelektriniais prietaisais, vėliau paaiškėjo, kad feroinas, net ir be cerio, yra katalizatorius. ši reakcija. B. P. Belousovas jau pirmųjų eksperimentų metu pastebėjo dar vieną nepaprastą savo reakcijos savybę: nustojus maišyti, spalvos pasikeitimas tirpale sklinda bangomis. Toks cheminių virpesių pasiskirstymas erdvėje ypač išryškėjo, kai 1970 m. A. M. Zhabotinsky ir A. N. Zaikinas reakcijos mišinį plonu sluoksniu supylė į Petri lėkštelę. Puodelyje susidaro keistos figūros – koncentriniai apskritimai, spiralės, „sūkuriai“, kurie sklinda maždaug 1 mm/min greičiu. Cheminės bangos turi daug neįprastų savybių. Taigi, kai jie susiduria, jie užgęsta ir negali praeiti vienas per kitą.

Koncentracijos tyrimai
svyravimai prieš B. P. Belousovo reakcijos atradimą

Tačiau, kaip pasakojama, B. P. Belousovo atradimas jokiu būdu nebuvo pirmasis pasaulio moksle. Paaiškėjo, kad viena pirmųjų publikacijų apie cheminius virpesius datuojama 1828 m.. Jame T. Fechneris išdėstė elektrocheminės reakcijos virpesių tyrimo rezultatus.tamsoje skleidžia gana intensyvią šviesą. Pačiame fosforo švytėjimo fakte nebuvo nieko stebėtino, tačiau įdomu buvo tai, kad šis švytėjimas reguliariai kartojosi kas septintą sekundę. Po keturiasdešimties metų šiuos eksperimentus su „mirgančia kolba“ tęsė prancūzas M. Joubertas (1874). Jam pavyko stebėti, kaip periodiškai formuojasi „šviečiantys debesys“ mėgintuvėlyje. Po dvidešimties metų vokiečių mokslininkas A. Tsentnershweris taip pat tyrė oro slėgio poveikį periodiniams fosforo pliūpsniams. Jo eksperimentuose blykstės laikotarpis prasidėjo 20 s ir mažėjo mažėjant slėgiui.

Ypač ryškus puslapis cheminių virpesių istorijoje siejamas su vadinamaisiais Liesegang žiedais. 1896 m. vokiečių chemikas R. Liesegangas, eksperimentuodamas su fotochemikalais, atrado, kad lašinus lapis ant stiklinės plokštelės, padengtos želatina, kurioje yra chromo smailė, reakcijos produktas, nusėdęs, atsiduria plokštelėje koncentriniais apskritimais. Liesegangas susižavėjo šiuo reiškiniu ir tyrinėjo jį beveik pusę amžiaus. Jis taip pat rado praktinių pritaikymų. Taikomojoje dailėje Liesegang žiedai buvo naudojami įvairiems gaminiams dekoruoti jaspio, malachito, agato imitacija ir kt. Dirbtinių perlų gamybos technologiją pasiūlė pats Liesegang.

Tokių pavyzdžių sąrašą galima tęsti. Remiantis tuo, kas išdėstyta aukščiau, dviejų fazių sąsajoje buvo aptiktos virpesių reakcijos. Iš jų labiausiai žinomos metalo ir tirpalo sąsajos reakcijos, kurios gavo specifinius pavadinimus – „geležies nervas“ ir „gyvsidabrio širdis“. Pirmoji iš jų – geležies (vielos) tirpimo azoto rūgštyje reakcija – gavo savo pavadinimą dėl išorinio panašumo į sužadinto nervo dinamiką, pastebėjo V.F.Ostwaldas. Antrasis, tiksliau vienas iš jo variantų, yra H2O2 skilimo reakcija ant metalinio gyvsidabrio paviršiaus. Reakcijoje ant gyvsidabrio paviršiaus periodiškai susidaro ir ištirpsta oksido plėvelė. Gyvsidabrio paviršiaus įtempimo svyravimai sukelia ritmišką lašo pulsavimą, primenantį širdies plakimą. Tačiau visos šios reakcijos nesulaukė didelio chemikų dėmesio, nes idėjos apie cheminės reakcijos eigą vis dar buvo gana miglotos.

Tik XIX amžiaus antroje pusėje. atsirado termodinamika ir cheminė kinetika, kurios padėjo pagrindą specifiniam susidomėjimui vibracinėmis reakcijomis ir jų analizės metodais.

A. Lotkoy matematinis modelis

Matematinę į chemines reakcijas panašių sistemų virpesių teoriją dar 1910 metais paskelbė A. Lotka – parašė diferencialinių lygčių sistemą, iš kurios sekė periodinių režimų galimybė. Lotka svarstė „grobio“, pavyzdžiui, žolėdžių gyvūnų ir juos valgančių „plėšrūnų“ (X ir Y) sąveiką. Plėšrūnai valgo grobį ir dauginasi – Y koncentracija didėja, tačiau iki tam tikros ribos, kai grobio skaičius smarkiai sumažėja ir plėšrūnai miršta iš bado, Y koncentracija sumažėja. Tada ima daugėti išgyvenusių aukų – X koncentracija auga. Po to išgyvenę plėšrūnai taip pat dauginasi, Y koncentracija vėl auga ir taip daug kartų. Stebimi periodiniai reagentų koncentracijos svyravimai. Aišku, kad tokių neslopintų (ilgą laiką) svyravimų sąlyga yra žolės gausa – aukų maistas. Lotkos lygtis patobulino V. Volterra. O šiuolaikinę virpesių teoriją sukūrė rusų fizikai L. I. Mandelstamas, A. A. Andronovas, A. A. Wittas, S. E. Khaikinas, D. A. Frankas-Kameneckis. Taigi fizikams ir matematikams Belousovane atradimas buvo toks nuostabus.

Virpesių reakcijų mechanizmo tyrimas.

Išsamus Belousovo reakcijos mechanizmas vis dar nėra visiškai žinomas. Pirmuosiuose darbuose atrodė, kad tarpinių produktų nedaug. Norint paaiškinti vibracijų pobūdį, pakako įsivaizduoti, kaip iš izmalono rūgšties pirmiausia susidaro bromomalono rūgštis, o tolimesnėje reakcijoje KBrO3 virsta KBr. Anijonas Br- slopina tolesnę bromomalono rūgšties oksidaciją, todėl kaupiasi oksiduota katalizatoriaus forma (keturvalentė ceris arba geležies geležis kartu su fenantrolinu). Dėl to Br-- kaupimasis sustoja, o bromomalono rūgšties oksidacija atsinaujina... Dabar aišku, kad toks mechanizmas toli gražu nebaigtas. Tarpinių produktų skaičius pasiekė keturiasdešimt, o tyrimas tęsiamas.

1972 metais R. Noyesas su kolegomis parodė, kad Belousovo-Žabotinskio reakcija yra mažiausiai dešimties reakcijų, kurias galima sujungti į tris grupes – A, B ir C, rezultatas.

Pirmiausia (A reakcijos grupė) bromato jonas sąveikauja su bromido jonu, esant H +, sudarydamas bromo ir hipobromo rūgštis:

BrO-3+ Br-- + 2H+ = HBrO2 + HOBr (A1)

hipobromo rūgštis:

HBrO2+ Br-- + H+ = 2HOBr (A2)

Hipobromo rūgštis, savo ruožtu, reaguoja su bromido jonais, sudarydama laisvą bromą:

HOBr + Br--+ H+ = Br2 + H2O (A3)

Malono rūgštis brominama laisvu bromu:

Br2+ CH2(COOH)2 = BrCH(COOH)2 + Br--+ H+ (A4)

Dėl visų šių reakcijų malono rūgštis brominama laisvu bromu:

BrO-3+ 2Br-- + 3CH2(COOH)2 + 3H+ =3BrCH(COOH)2 + 3H2O (A)

Šios grupės reakcijų cheminė prasmė yra dvejopa: bromido jonų sunaikinimas ir bromomalono rūgšties sintezė.

B grupės reakcijos galimos tik nesant (mažos koncentracijos) bromido jonų. Kai bromato jonas reaguoja su bromo rūgštimi, susidaro BrO2 radikalas.

BrO-3+ HBrO2 + H+ > 2BrO2 + H2O (B1)

BrO2 reaguoja su ceriu (III), oksiduodamas jį į cerį (IV), o pats redukuojamas į bromo rūgštį:

BrO2+ Ce3+ + H+ > HВrO2 + Ce4+ (B2)

Bromo rūgštis skyla į bromato jonus ir hipobromo rūgštis:

2HBrO2> BrO-3 +HOBr + H+ (B3)

Hipobromo rūgštis bromina malono rūgštį:

HOBr + CH2(COOH)2 > BrCH(COOH)2 + H2O (B4)

Dėl B grupės reakcijų susidaro bromomalono rūgštis ir keturiavalentis ceris.

Pagrindinių reakcijos komponentų: bromido ir ferino koncentracijų svyravimai fazių erdvėje vaizduojami kaip uždara linija (ribinis ciklas).

BrO-3+ 4Ce3+ + CH2(COOH)2 + 5H+ > BrCH(COOH)2 + 4Ce4+ + 3H2O (B)

Ceris (IV), susidaręs šiose reakcijose (B grupės reakcijos):

6Ce4++ CH2(COOH)2 + 2H2O > 6Ce3+ +HCOOH + 2CO2 +6H+ (IN1)

4Ce4++ BrCH(COOH)2 + 2H2O > Br-- + 4Ce3++ HCOOH + 2CO2 + 5H+ (IN2)

Šios grupės reakcijų cheminė prasmė yra bromido jonų susidarymas, kuris yra intensyvesnis, tuo didesnė bromomalono rūgšties koncentracija. Padidėjus bromido jonų koncentracijai, nutrūksta (dramatiškai sulėtėja) cerio (III) oksidacija į cerį (IV). Naujausiuose tyrimuose ceris dažniausiai pakeičiamas feroinu.

Ši (neišsami) Belousovo-Žabotinskio reakcijos žingsnių seka parodo, kokia sudėtinga ši sistema. Taigi, pakanka atsižvelgti į visų trijų pagrindinių reakcijos tarpinių komponentų HВrO2 (bromo rūgšties), Br- ir feroino (arba cerio) koncentracijos kitimą.

Pirmas žingsnis reakcijoje - autokatalitinės reakcijos metu susidaro bromo rūgštis (greitas, panašus į sprogimą procesas), feroinas virsta ferinu (oksiduota feroino forma).

Antras žingsnis– dėl sąveikos su organiniu komponentu ferinas pradeda lėtai virsti atgal į feroiną, o tuo pačiu pradeda formuotis bromido jonai.

Trečias žingsnis– bromido jonas yra veiksmingas autokatalitinės reakcijos inhibitorius (1 pakopa). Dėl to bromo rūgšties susidarymas sustoja, ji greitai suyra.

Ketvirtas žingsnis– baigiamas 2-ame etape pradėtas ferino irimo procesas; bromido jonai pašalinami iš sistemos. Dėl to sistema grįžta į būseną, buvusią prieš 1 žingsnį, ir procesas kartojamas periodiškai. Yra keli matematiniai modeliai (diferencialinių lygčių sistemos), apibūdinantys šią reakciją, jos reagentų koncentracijos svyravimus ir koncentracijos bangų sklidimo modelius.

Eksperimentinė dalis:

Citrinų rūgšties sąveikos su kalio bromatu reakcija:

Reagentai:

1. KMnO4(kalio permanganatas).

2. KBrO3(kalio bromidas arba kalio bromatas).

3. H2SO4(koncentruotas).

4. Citrinų rūgštis.

5. Distiliuotas vanduo.

Progresas: Pasverta citrinos rūgšties dalis (2 g) ištirpinama 6 ml vandens. Į gautą tirpalą įpilama pasverta kalio bromido porcija - 0,2 g ir įpilta 0,7 ml koncentruotos sieros rūgšties, tada įpilta 0,04 g kalio permanganato ir gauto tirpalo tūris distiliuotu vandeniu padidinamas iki 10 ml. Kruopščiai sumaišykite, kol reagentai visiškai ištirps.

Pastebėjimai: Iš karto po KMnO4 pridėjimo tirpalas nusidažė purpurine spalva ir pradėjo „virti“. Po 25 s, greitai verdant, tirpalo spalva pradėjo keistis į rudą. Reakcijos eigoje tirpalas palaipsniui šviesėja - iki šviesiai geltonos spalvos. Po 3 min 45 s prasideda staigus tirpalo tamsėjimas (panašus į didelio tankio skysčio difuziją), o po 40 s tirpalas vėl tampa visiškai rudas. Tada viskas kartojama 4,5–5 minučių intervalu. Po gana ilgo laiko reakcija pradeda lėtėti, tada visai nutrūksta (geltonas tirpalas).

/>Vibracinės redokso reakcijos:

Reagentai:

1. FeSO4. 7H2O kristalinio geležies(II) sulfato heptahidrato arba

Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O (Moro druska) diamonio sulfato heksahidratas -

geležis (II)

2. Ce(NO3)3.6H2O cerio(III) nitrato heksahidratas

3. KBr vandeninis kalio bromido tirpalas (2 mol/l arba 12 g 50 ml vandens)

4. KBrO3 prisotintas kalio bromato tirpalas (apie 10 g 100 ml vandens)

5. H2SO4 koncentruota sieros rūgštis

6. CH2(COOH)2 vandeninis malonio rūgšties tirpalas (5 mol/l arba 52 g in

100 ml vandens)

7. C12H8N2(fen) o-fenantrolinas

8. distiliuotas vanduo

Indai ir stalo įrankiai: Polylux su ekranu, 25x25 cm stiklo plokštelė, Petri lėkštelė, 100 ml matavimo kolba, 250 ml Erlenmejerio kolba su šlifuotu kamščiu, šešios pipetės, biuretė, stiklinė lazdelė, poveržlė, filtravimo popierius.

Patirties aprašymas: Eksperimentui pademonstruoti iš anksto paruošiami A ir B tirpalai.

Sprendimas A – feroino tirpalas, geležies(II) kompleksas su o-fenantrolinu (fen). Į 100 ml matavimo kolbą įpilama 0,70 g geležies(II) sulfato heptahidrato (arba 0,99 g Mohro druskos) ir 1,49 g o-fenantrolino, tirpalo tūris sureguliuojamas iki žymės vandeniu ir išmaišomas. Tirpalas įgauna raudoną spalvą dėl geležies(II) fenantrolino komplekso susidarymo:

Fe2++ 3 fen = 2+

Sprendimas B - bromomalono rūgšties tirpalas (paruoštas prieš pat demonstravimą). Į kūginę kolbą su šlifuotu kamščiu įpilama 3,3 ml kalio bromido tirpalo, 5 ml malono rūgšties tirpalo ir 5 ml koncentruotos sieros rūgšties. Gautas tirpalas titruojamas iš biuretės prisotintu kalio bromato tirpalu, maišant, pridėjus kiekvieną titranto dalį, kad išnyktų ruda spalva dėl bromo išsiskyrimo lygiagrečios perjungimo reakcijos metu:

BrO3–+ 5Br– + 6H+ = 3Br2 + 3H2O

3Br2+ 2CH2(COOH)2 + 2H2O = BrCH(COOH)2+ HCOOH + CO2 + 5HBr

Bendras titravimui naudojamo kalio bromato tirpalo tūris turi būti apie 7,5 ml.Susidariusi bromomalono rūgštis yra nestabili, bet kurį laiką gali būti laikoma 5100C temperatūroje.

Norint tiesiogiai parodyti eksperimentą, ant poliukso šviesos langelį dengiančios stiklinės plokštelės dedama Petri lėkštelė, į kurią iš eilės įpilama 10 ml sotaus kalio bromato tirpalo, 4 ml bromomalono rūgšties tirpalo ir 1,5 ml feroino tirpalo. pipetės. Per kelias minutes raudoname fone atsiranda mėlynos dėmės dėl geležies (III) fenantrolino komplekso susidarymo. 3+ dėl atitinkamo geležies (II) komplekso oksidacijos:

62++ 6H3O+ + BrO3– = 63++ 9H2O + Br–

Šis procesas savaime įsibėgėja. Gautas kompleksas 3+ oksiduoja bromomalono rūgštį, sudarydama bromido jonus:

43++ BrCH(COOH)2 + 7H2O =

= 2CO2+ 5H3O+ + Br– + HCOOH + 42+

Išsiskiriantys bromido jonai slopina geležies (II) kompleksų oksidacijos reakciją su bromato jonais.Tik tada, kai kompleksinių jonų koncentracija 2+ tampa pakankamai didelis, bromido jonų slopinamasis aktyvumas įveikiamas, tirpalas pamėlynuoja dėl geležies(III) komplekso susidarymo. Procesas kartojamas vėl ir vėl, todėl tirpalo spalva periodiškai keičiasi iš mėlynos į rausvą arba atvirkščiai. Spalvos pasikeitimas prasideda nuo mėlynų dėmių atsiradimo rožiniame fone, nuo kurių koncentrinės spalvos bangos skiriasi visomis kryptimis. Laikui bėgant, spalvos pasikeitimo greitis mažėja, o galiausiai procesas išnyksta. Tokiu atveju ekrane galima stebėti „juodų taškų“ atsiradimą - išsiskyrusio anglies dioksido burbuliukų projekcijas.

Spalvų gamą galima išplėsti į Petri lėkštelę įpylus kelis cerio(III) nitrato heksahidrato kristalus. Ce(NO3)3. 6H2O. Tada, be mėlynos ir rožinės spalvos, galima pastebėti geltoną (dėl cerio (IV) junginių susidarymo) arba žalią spalvą (dėl geltonos ir mėlynos spalvos persidengimo):

6Ce3++ BrO3– + 15H2O = 62++ Br– + 6H3O+

42++ BrCH(COOH)2 + 3H3O+ =

= 2CO2+ Br– + HCOOH + 4Ce3++ 9H2O

Kaitinant, reakcijos greitis didėja, o spalvos pasikeitimas pagreitėja.

Pastaba. Fenantrolinas yra heterociklinis junginys, turintis du azoto atomus, turinčius pavienes elektronų poras ir galinčius koordinuoti. Sudėtinguose junginiuose su geležimi O-fenantrolinas atlieka dvišakio ligando vaidmenį ir sudaro stiprius chelato tipo kompleksus.

Išvada.

Iki šiol Belousovo-Žabotinskio reakcija užėmė deramą vietą pasaulio moksle. Kiekvienais metais pasaulyje vyksta kelios tarptautinės linijinių cheminių sistemų dinamikos konferencijos, o žodžiai „BZ-reakcija“ (santrumpa: Belousov-Zhabotinsky reakcijos) skamba dešimtyse kitų konferencijų, skirtų fizikos, chemijos, fizikos, chemijos, chemijos, fizikos, chemijos ir kt. ir biologija.

Belousovo-Žabotinskio reakcijos tyrimas, kaip buvau įsitikinęs, yra labai svarbus, nes jis buvo pritaikytas įvairiose mokslo ir technologijų srityse. Ši reakcija naudojama kaip pavyzdys tiriant didžiulį širdies sutrikimą - aritmijas ir virpėjimą. O neseniai buvo pradėti eksperimentai su šviesai jautria šios reakcijos modifikacija, kai dinamika šioje sistemoje priklauso nuo šviesos intensyvumo. Paaiškėjo, kad tokia reakcija gali būti naudojama kaip kompiuteris vaizdams saugoti ir apdoroti. Šviesai jautri Belousovo-Žabotinskio reakcijos modifikacija gali būti skaičiavimo komplekso, galinčio pakeisti kompiuterį, prototipas.

Kita vertus, svyruojančios cheminės reakcijos yra ryškus savaiminio susiorganizavimo negyvojoje gamtoje pavyzdys, ir šia prasme yra ne tik gamtamokslinė, bet ir filosofinė reikšmė. Esminiai gamtos mokslo pokyčiai, dėl kurių atsirado vadinamoji saviorganizavimosi teorija, daugiausia susiję su pradiniu impulsu, kurį jai suteikė Rusijos mokslininkai šeštojo–šeštojo dešimtmečio sandūroje, kai Belousovas atrado redokso cheminę reakciją. nuo galaktikų susidarymo iki tornadų, ciklonų ir šviesos žaismo ant atspindinčių paviršių, iš tikrųjų yra savaiminio organizavimo procesai. Jie gali būti labai skirtingo pobūdžio: cheminiai, mechaniniai, optiniai, elektriniai ir kt.

Taigi taikomieji tyrimai tampa vis svarbesni, pavyzdžiui, alternatyvių informacijos apdorojimo priemonių modeliavimo srityje (ypač sudėtingų mozaikų su objekto ryškumo gradacija analizė). Kita nauja taikomųjų tyrimų kryptis – polimerizacijos BZh sistemoje ar panašioje į ją ypatybių tyrimas.

Sudėtinga erdvinė ir laiko struktūra, kurią demonstruoja BZ sistema, nesant maišymosi, laikui bėgant buvo rasta analogijų gamtoje, biologinėse sistemose (pavyzdžiui: periodiniai ląstelių metabolizmo procesai, aktyvumo bangos širdies ir smegenų audiniuose , procesai, vykstantys neekologinių sistemų lygmeniu), naujoje savo srityje – sinergetikoje (teorija ir saviorganizacija), taip pat eksperimentinis darbas inicijavo šiuolaikinės dinaminių sistemų teorijos kūrimą. Nors šiuo metu daugelis tokių reakcijų jau suprantamos, priežastys, sukeliančios virpesius cheminius procesus, lieka neaiškios iki galo.

Šiuo metu virpesių reakcijų kinetika yra sparčiai besivystanti žinių šaka, atsiradusi chemijos, biologijos, medicinos, fizikos ir matematikos sankirtoje. Man buvo labai įdomu susipažinti su tokiomis neįprastomis ir iš pirmo žvilgsnio neįmanomomis gyvosios medžiagos savybėmis. Bet dar labiau mane pribloškė, kad tokios neįtikėtinos reikšmės, įspūdingo atradimo daugelį metų kiti nesuvokė, o to meto didieji protai tiesiog nesuprato. Šis atradimas nuėjo sudėtingą kelią ir galiausiai užėmė deramą vietą pasaulio moksle. Asama, tokios reakcijos galimybė dar kartą įrodo, kad mūsų pasaulyje vis dar yra daug nežinomo ir neištirto.

Taikymas.

Kai kurių virpesių reakcijų receptai

1 receptas: Pagal galutines koncentracijas būtina paruošti šių medžiagų tirpalus: malono rūgštis 0,2 M; natrio bromatas 0,3 M; sieros rūgštis 0,3 M; feroinas 0,005 M. Feroiną galima pakeisti dvivalenčiu manganu arba trivalenčiu cerio sulfatu, tačiau spalvos intensyvumas bus daug silpnesnis. Į Petri lėkštelę reikia supilti apie 5 ml visų komponentų tirpalo, kad skysčio sluoksnio storis būtų 0,5-1 mm. Po 3-8 minučių (pereinamojo laikotarpio) galima stebėti svyravimus ir chemines bangas.

2 receptas:Į plokščią skaidrią kiuvetę sluoksniais (1 ml) supilkite šiuos tirpalus:

- KBrO3(0,2 mol/l)

- malono rūgštis (0,3 mol/l)

- feroinas (0,003 mol/l)

- H2SO4(0,3 mol/l)

Padėkite kiuvetę ant balto popieriaus lapo. Reakcijos greitį galima keisti pridedant šarmo arba rūgšties.

3 receptas: Reikalingi sprendimai:

- citrinos rūgštis (40 g 160 ml vandens)

- H2SO4(1:3).

Ir taip pat pakabinimai:

- KBrO3(16 g)

- Ce2(SO4)3(3–3,5 g)

Citrinų rūgšties tirpalą pašildykite iki 40–50 °C, tada išpilkite KBrO3 mėginį. Padėkite stiklinę ant balto popieriaus lapo ir įpilkite Ce2(SO4)3 mėginio ir kelis ml H2SO4. Iš karto pradeda keistis spalvos: geltona> bespalvė> geltona, su 1-2 minučių periodu.

4 receptas: Reikalingi sprendimai:

- H2O2(50 ml 30%)

- KIO3(7,17 g 50 ml vandens)

- HClO4(30 ml praskiesto tirpalo)

- malono rūgštis (3 g 50 ml vandens). Ir mėginiai:

- MnSO4(1 g) ir šiek tiek krakmolo.

Viską supilti į vieną stiklinę (200-250 ml), supilti pasvertas porcijas, išmaišyti stikline lazdele. Yra spalvų kaita: bespalvė> geltona> mėlyna.

Bibliografija.

1. Aliev R., Shnol S. E. „Vibracinės cheminės reakcijos“. Kinetika ir katalizė. 1998. Nr 3. P. 130-133.

2. Shnol S.E. Žinios yra galia. 1994. Nr.3. 62-71 p.

3. Žabotinskis A. M. Koncentracijos savaiminiai svyravimai. Maskva: Nauka, 1974 m.

4. Garel D., Garel O. Vibracinės cheminės reakcijos / Per. iš anglų kalbos. M.:

5. Dubnishcheva T. Ya. Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos. Novosi-

birskas: YuKEA, 1997, p. 683–697.

6. Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos. Red. V. N. Lavrinenko,

V. P. Ratnikova, M.: UNITI-DANA, 1999, S. 78 - 87.

7. VavilinB.V.„Savi svyravimai skystosios fazės cheminėse sistemose“.

Priroda, 2000, Nr.5, 19–25 p.

Švietimo, mokslo, jaunimo ir sporto ministerija

Petru Movilă teorinis licėjus

skyrius

„Gebėjimai, darbas, talentas“

Chemijos kursas šia tema:

„Vibracinės cheminės reakcijos“

Baigė: 12A klasės mokinys

Bolyubash Irina

Lektorius: Snidchenko M.A.

* Kišiniovas 2007 m.

1. Įvadas:

a) Redokso reakcijos

b) Vibracinės cheminės reakcijos

2. Virpesių reakcijų atradimo istorija:

a) Koncentracijos svyravimų prieš atradimą tyrimai

B. P. Belousovo reakcijos

3. Teorinė dalis:

a) A. Lotkos matematinis modelis

b) Virpesių reakcijų mechanizmo tyrimas

4. Eksperimentinė dalis

5. Išvada

6. Taikymas:

a) Kai kurių virpesių reakcijų receptai

b) Atliktų eksperimentų iliustracijos

7. Literatūra

Įvadas.

Chemija yra eksperimentinis mokslas. Taigi eksperimentas kaip mokslinio tyrimo metodas ilgą laiką ir tvirtai užėmė pirmaujančią vietą tarp gamtos mokslų metodų. Eksperimentas yra svarbiausias būdas susieti teoriją su praktika mokant chemijos, žinias paverčiant įsitikinimais. Todėl kiekvieno eksperimento pažintinės reikšmės atskleidimas yra pagrindinis cheminio eksperimento reikalavimas.

Eksperimento metu (iš lat. "eksperimentas" - „bandymas“) suprasti tiriamo reiškinio stebėjimą tam tikromis sąlygomis, leidžiančius sekti šio reiškinio eigą ir pakartoti jį tokiomis sąlygomis. Cheminis eksperimentas užima svarbią vietą dėstant chemiją, nes per stebėjimus ir eksperimentus yra žinoma medžiagų prigimties įvairovė, kaupiami faktai palyginimams, apibendrinimams, išvadoms.

Tačiau kai kurių cheminių eksperimentų rezultatai yra netikėti ir neatitinka tradicinių idėjų apie medžiagų savybes ar cheminių reakcijų modelius. Tokios cheminės transformacijos buvo vadinamos probleminiais eksperimentais.

Dar antikos laikais filosofai tikėjo, kad bet kokios žinios prasideda nuo nuostabos. Naujo sukelta staigmena sukelia smalsumo (jautrumo supančio pasaulio problemoms) vystymąsi, o vėliau susiformuoja stabilus susidomėjimas kažkuo. Staigmena, o po jos – žinių troškimas – tai palanki dirva tyrinėti probleminį eksperimentą, formuoti dialektinį ir sisteminį mąstymą, atrakinti kūrybinį potencialą.

Tą pačią būseną gali sukelti ryškus, įspūdingas cheminis eksperimentas (probleminis eksperimentas). Chemijoje probleminių eksperimentų priežastys dažniausiai yra redokso reakcijos.

Redokso reakcijos

Reakcijos, atsirandančios pasikeitus elementų oksidacijos būsenoms (redoksas), yra plačiai žinomos. Jie atlieka svarbų vaidmenį technologijoje ir gamtoje, yra gyvų organizmų metabolizmo pagrindas, su jais susiję oksidacijos, puvimo, rūgimo, fotosintezės procesai. Oksidacijos (ir redukcijos) procesai vyksta kuro degimo, metalų korozijos, elektrolizės metu, jų pagalba gaunami metalai, amoniakas, šarmai ir daug kitų vertingų produktų. Todėl redokso reakcijų tyrimą numato neorganinės ir organinės chemijos mokyklos kursai.

Prisiminkite pagrindines nuostatas, susijusias su redokso reakcijų sąvoka.

Oksidacijos būsena atitinka krūvį, kuris kiltų ant tam tikro elemento atomo cheminiame junginyje, darant prielaidą, kad visos elektronų poros, per kurias šis atomas yra prijungtas prie kitų, yra visiškai išstumtos į didesnio elektronegatyvumo elementų atomus.

Oksidatorius- medžiaga, kurioje yra atomų arba jonų, kurie priima elektronus: X m (oksidatorius) + ne - \u003d X (m - n), kur m yra elemento oksidacijos laipsnis pradinėje medžiagoje, n yra elektronų skaičius .

Reduktorius- medžiaga, turinti atomų arba jonų, kurie atiduoda elektronus: Y m (reduktorius) - ne - = Y (m + n) .

Oksidacija- procesas, kai atomas, molekulė ar jonas išskiria elektronus, kai didėja elemento oksidacijos būsena.

Atsigavimas- elektronų priėmimo procesas atomu, molekule ar jonu, kai mažėja elemento oksidacijos būsena.

Oksidacija ir redukcija yra konjuguoti procesai, kurių oksidacijos procese redukuojančio agento atiduotų elektronų skaičius visada yra lygus elektronų skaičiui, kurį oksiduojantis agentas priima redukcijos procese.

Vibracinės cheminės reakcijos

Virpesių reakcijų atradimo istorija.

Koncentracijos tyrimai
svyravimai prieš B. P. Belousovo reakcijos atradimą

Tačiau, kaip pasakojama, B. P. Belousovo atradimas jokiu būdu nebuvo pirmasis pasaulio moksle. Paaiškėjo, kad viena pirmųjų publikacijų apie cheminius virpesius datuojama 1828 m.. Jame T. Fechneris išdėstė elektrocheminės reakcijos virpesių tyrimo rezultatus. Įdomiausias yra M. Rosenskiöldo darbas, datuojamas 1834 m. Jo autorius visai atsitiktinai pastebėjo, kad nedidelė kolba, kurioje yra šiek tiek fosforo, tamsoje skleidžia gana intensyvią šviesą. Pačiame fosforo švytėjimo fakte nebuvo nieko stebėtino, tačiau įdomu buvo tai, kad šis švytėjimas reguliariai kartojosi kas septintą sekundę. Po keturiasdešimties metų šiuos eksperimentus su „mirgančia kolba“ tęsė prancūzas M. Joubertas (1874). Jam pavyko stebėti, kaip periodiškai formuojasi „šviečiantys debesys“ mėgintuvėlyje. Po dvidešimties metų vokiečių mokslininkas A. Zentnershwer taip pat tyrė oro slėgio poveikį periodiniams fosforo pliūpsniams. Jo eksperimentuose blykstės laikotarpis prasidėjo 20 s ir mažėjo mažėjant slėgiui.

Ypač ryškus puslapis cheminių virpesių istorijoje siejamas su vadinamaisiais Liesegang žiedais. 1896 m. vokiečių chemikas R. Liesegang, eksperimentuodamas su fotochemikalais, atrado, kad jei lapis lašinamas ant stiklinės plokštelės, padengtos želatina, kurioje yra chromo smailės, tada reakcijos produktas, nusėdęs, atsiduria plokštelėje koncentriniais apskritimais. Liesegangas susižavėjo šiuo reiškiniu ir tyrinėjo jį beveik pusę amžiaus. Jis taip pat rado praktinių pritaikymų. Taikomojoje dailėje Liesegang žiedai buvo naudojami įvairiems gaminiams dekoruoti jaspio, malachito, agato imitacija ir kt. Dirbtinių perlų gamybos technologiją pasiūlė pats Liesegang.

Tokių pavyzdžių sąrašą būtų galima tęsti. Po to dviejų fazių sąsajoje buvo aptiktos virpesių reakcijos. Iš jų žinomiausios yra metalo ir tirpalo sąsajos reakcijos, kurios gavo specifinius pavadinimus – „geležies nervas“ ir „gyvsidabrio širdis“. Pirmasis iš jų - geležies (vielos) tirpimo azoto rūgštyje reakcija - gavo savo pavadinimą dėl išorinio panašumo su sužadinto nervo dinamika, pastebėjo V. F. Ostvaldas. Antrasis, tiksliau vienas iš jo variantų, yra H 2 O 2 skilimo reakcija ant metalinio gyvsidabrio paviršiaus. Reakcijoje ant gyvsidabrio paviršiaus periodiškai susidaro ir ištirpsta oksido plėvelė. Gyvsidabrio paviršiaus įtempimo svyravimai sukelia ritmiškus lašo pulsavimus, primenančius širdies plakimą. Tačiau visos šios reakcijos nesulaukė didelio chemikų dėmesio, nes idėjos apie cheminės reakcijos eigą vis dar buvo gana miglotos.

Tik XIX amžiaus antroje pusėje. atsirado termodinamika ir cheminė kinetika, kurios padėjo pagrindą specifiniam susidomėjimui vibracinėmis reakcijomis ir jų analizės metodais.

A. Lotkoy matematinis modelis

Matematinę į chemines reakcijas panašių sistemų virpesių teoriją dar 1910 metais paskelbė A. Lotka – parašė diferencialinių lygčių sistemą, iš kurios sekė periodinių režimų galimybė. Lotka svarstė „grobio“, pavyzdžiui, žolėdžių, ir juos valgančių „plėšrūnų“ (X ir Y) sąveiką. Plėšrūnai valgo grobį ir dauginasi – Y koncentracija auga, tačiau iki tam tikros ribos, kai grobio skaičius smarkiai sumažėja, o plėšrūnai miršta iš bado – Y koncentracija mažėja. Tada ima daugėti išgyvenusių aukų – X koncentracija auga. Po to išgyvenę plėšrūnai taip pat dauginasi, Y koncentracija vėl auga ir taip daug kartų. Stebimi periodiniai reagentų koncentracijos svyravimai. Aišku, kad tokių neslopintų (ilgą laiką) svyravimų sąlyga yra žolės gausa – aukų maistas. Lotkos lygtis patobulino W. Volterra. O šiuolaikinę virpesių teoriją sukūrė rusų fizikai L. I. Mandelštamas, A. A. Andronovas, A. A. Wittas, S. E. Khaikinas, D. A. Frankas-Kamenetskis. Taigi fizikams ir matematikams Belousovo atradimas nebuvo toks netikėtas.

Virpesių reakcijų mechanizmo tyrimas.

Išsamus Belousovo reakcijos mechanizmas vis dar nėra visiškai žinomas. Pirmuosiuose darbuose atrodė, kad tarpinių produktų nedaug. Norint paaiškinti vibracijų pobūdį, pakako įsivaizduoti, kaip iš malono rūgšties pirmiausia susidaro bromomalono rūgštis, o toliau su ja reaguojant, KBrO 3 virsta KBr. Anijonas Br – slopina tolesnę bromomalono rūgšties oksidaciją, o oksiduota katalizatoriaus forma kaupiasi (keturvalentė ceris arba geležies geležis kartu su fenantrolinu). Dėl to Br - kaupimasis sustoja, o bromomalono rūgšties oksidacija atsinaujina... Dabar aišku, kad toks mechanizmas toli gražu nebaigtas. Tarpinių produktų skaičius pasiekė keturias dešimtis, o tyrimas tęsiamas.

1972 metais R. Noyesas su kolegomis parodė, kad Belousovo-Žabotinskio reakcija yra mažiausiai dešimties reakcijų, kurias galima sujungti į tris grupes – A, B ir C, rezultatas.

Pirmiausia (A reakcijos grupė) bromato jonas sąveikauja su bromido jonu, esant H +, sudarydamas bromo ir hipobromo rūgštis:

BrO -3 + Br -- + 2H + = HBrO 2 + HOBr ( A 1)

hipobromo rūgštis:

HBrO 2 + Br -- + H + = 2HOBr ( A 2)

Hipobrominė rūgštis, savo ruožtu, reaguoja su bromido jonais, sudarydama laisvą bromą:

HOBr + Br -- + H + = Br 2 + H 2 O ( A 3)

Malono rūgštis brominama laisvu bromu:

Br 2 + CH 2 (COOH) 2 \u003d BrCH (COOH) 2 + Br - + H + ( A 4)

Dėl visų šių reakcijų malono rūgštis brominama laisvu bromu:

BrO -3 + 2Br -- + 3CH 2 (COOH) 2 + 3H + = 3BrCH (COOH) 2 + 3H 2 O ( A )

Šios grupės reakcijų cheminė prasmė yra dvejopa: bromido jonų sunaikinimas ir bromomalono rūgšties sintezė.

B grupės reakcijos galimos tik nesant (mažos koncentracijos) bromido jonų. Kai bromato jonas reaguoja su bromo rūgštimi, susidaro radikalas BrO 2.

BrO -3 + HBrO 2 + H + > 2BrO 2 + H 2 O ( B 1)

BrO 2 reaguoja su ceriu (III), oksiduodamas jį į cerį (IV), o pats redukuojamas į bromo rūgštį:

BrO 2 + Ce 3+ + H + > HВrO 2 + Ce 4+ ( B 2)

Bromo rūgštis skyla į bromato jonus ir hipobromo rūgštis:

2HBrO 2 > BrO -3 + HOBr + H + ( B 3)

Hipobromo rūgštis bromina malono rūgštį:

HOBr + CH 2 (COOH) 2 > BrCH (COOH) 2 + H 2 O ( B 4)

Dėl B grupės reakcijų susidaro bromomalono rūgštis ir keturiavalentis ceris.

Pagrindinių reakcijos komponentų: bromo rūgšties ir ferino koncentracijų svyravimai fazių erdvėje vaizduojami kaip uždara linija (ribinis ciklas).

BrO -3 + 4Ce 3+ + CH 2 (COOH) 2 + 5H + > BrCH(COOH) 2 + 4Ce 4+ + 3H 2 O ( B )

Ceris (IV), susidaręs šiose reakcijose (B grupės reakcijos):

6Ce 4+ + CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O > 6Ce 3+ + HCOOH + 2CO 2 + 6H + ( IN 1)

4Ce 4+ + BrCH(COOH) 2 + 2H 2 O > Br -- + 4Ce 3+ + HCOOH + 2CO 2 + 5H + ( IN 2)

Ši (neišsami) Belousovo-Žabotinskio reakcijos žingsnių seka parodo, kokia sudėtinga ši sistema. Taigi, pakanka atsižvelgti į tik trijų pagrindinių tarpinių reakcijos komponentų HВrO 2 (bromo rūgšties), Br ir feroino (arba cerio) koncentracijos pokyčius.

Pirmas žingsnis reakcijoje - autokatalitinės reakcijos metu susidaro bromo rūgštis (greitas, panašus į sprogimą procesas), feroinas virsta ferinu (oksiduota feroino forma).

Antras žingsnis– dėl sąveikos su organiniu komponentu ferinas pradeda lėtai virsti atgal į feroiną, o tuo pačiu pradeda formuotis bromido jonai.

Trečias žingsnis– bromido jonas yra veiksmingas autokatalitinės reakcijos inhibitorius (1 pakopa). Dėl to bromo rūgšties susidarymas sustoja, ji greitai suyra.

Eksperimentinė dalis:

Citrinų rūgštis reaguoja su kalio bromatu:

Reagentai:

1. K M ne 4(kalio permanganatas).

2. KBrO 3(kalio bromatas arba kalio bromatas).

3. H2SO4(koncentruotas).

4. Citrinų rūgštis.

5. Distiliuotas vanduo.

Progresas: Dalis citrinos rūgšties – 2 g buvo ištirpinta 6 ml vandens. Į gautą tirpalą įpilta porcija kalio bromato – 0,2 g ir įpilta 0,7 ml koncentruotos sieros rūgšties. Tada paruoškite 0,04 g kalio permanganato ir distiliuotu vandeniu padidinkite gauto tirpalo tūrį iki 10 ml. Kruopščiai sumaišykite, kol reagentai visiškai ištirps.

Pastebėjimai: Iš karto po KMnO 4 pridėjimo tirpalas tapo purpurinis ir pradėjo „virti“. Po 25 s, greitai verdant, tirpalo spalva pradėjo keistis į rudą. Reakcijos eigoje tirpalas palaipsniui šviesėja - iki šviesiai geltonos spalvos. Po 3 min 45 s tirpalas pradeda staigiai tamsėti (panašiai kaip didelio tankio skysčio difuzija), o po 40 s tirpalas vėl tampa visiškai rudas. Tada viskas kartojama 4,5–5 minučių intervalu. Po gana ilgo laiko reakcija pradeda lėtėti, tada visai nutrūksta (geltonas tirpalas).

Vibracinės redokso reakcijos:

Reagentai:

1. FeSO4. 7H2O kristalinio geležies(II) sulfato heptahidrato arba

Fe (NH 4) 2 (SO 4) 2. 6H2O (Moro druska) diamonio sulfato heksahidratas -

geležis (II)

2. Ce(NO3)3. 6H2O cerio(III) nitrato heksahidratas

3. KBr vandeninis kalio bromido tirpalas (2 mol/l arba 12 g 50 ml vandens)

4. KBrO 3 prisotintas kalio bromato tirpalas (apie 10 g 100 ml vandens)

5. H2SO4 koncentruota sieros rūgštis

6. CH 2 (COOH) 2 vandeninis malonio rūgšties tirpalas (5 mol/l arba 52 g in

100 ml vandens)

7. C12H8N2(fen) o-fenantrolinas

8. distiliuotas vanduo

Patirties aprašymas: Eksperimentui pademonstruoti iš anksto paruošiami A ir B tirpalai.

Fe 2+ + 3 fen = 2+

BrO3 - + 5Br - + 6H + = 3Br2 + 3H2O

3Br 2 + 2CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O \u003d BrCH (COOH) 2 + HCOOH + CO 2 + 5HBr

Bendras titravimui naudojamo kalio bromato tirpalo tūris turi būti apie 7,5 ml. Gauta bromomalono rūgštis yra nestabili, bet kurį laiką gali būti laikoma 510 0 C temperatūroje.

Tiesioginiam eksperimento demonstravimui Petri lėkštelė dedama ant stiklinės plokštelės, dengiančios polylux šviesos langą, į kurią iš eilės įpilama 10 ml sotaus kalio bromato tirpalo, 4 ml bromomalono rūgšties tirpalo ir 1,5 ml feroino tirpalo. pridedama naudojant pipetes. Per kelias minutes raudoname fone atsiranda mėlynos dėmės dėl geležies(III) fenantrolino komplekso susidarymo. 3+ dėl atitinkamo geležies (II) komplekso oksidacijos:

6 2+ + 6H 3 O + + BrO 3 – = 6 3+ + 9H 2 O + Br –

Šis procesas savaime įsibėgėja. Gautas kompleksas 3+ oksiduoja bromomalono rūgštį, sudarydama bromido jonus:

4 3+ + BrCH(COOH) 2 + 7H 2 O =

\u003d 2CO 2 + 5H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 2+

Išsiskyrę bromido jonai slopina geležies (II) kompleksų oksidaciją bromato jonais. Tik tada, kai kompleksinių jonų koncentracija 2+ tampa pakankamai didelis, bromido jonų slopinamasis aktyvumas įveikiamas, tirpalas pamėlynuoja dėl geležies(III) komplekso susidarymo. Procesas kartojamas vėl ir vėl, todėl tirpalo spalva periodiškai keičiasi iš mėlynos į rausvą arba atvirkščiai. Spalvos pasikeitimas prasideda nuo mėlynų dėmių atsiradimo rožiniame fone, nuo kurių koncentrinės spalvų bangos skiriasi visomis kryptimis. Laikui bėgant, spalvos pasikeitimo greitis mažėja, o galiausiai procesas išnyksta. Tokiu atveju ekrane galima stebėti „juodų taškų“ atsiradimą  išsiskiriančio anglies dioksido burbuliukų projekcijas.

6Ce 3+ + BrO 3 – + 15H 2 O = 6 2+ + Br – + 6H 3 O +

4 2+ + BrCH(COOH) 2 + 3H 3 O + =

\u003d 2CO 2 + Br - + HCOOH + 4Ce 3+ + 9H 2 O

Kaitinant, reakcijos greitis didėja, o spalvos pasikeitimas pagreitėja.

Išvada.

Iki šiol Belousovo-Žabotinskio reakcija užėmė deramą vietą pasaulio moksle. Kiekvienais metais pasaulyje vyksta kelios tarptautinės konferencijos apie netiesinių cheminių sistemų dinamiką, o žodžiai „BZ-reakcija“ (santrumpa: Belousov-Zhabotinsky reakcijos) skamba dešimtyse kitų konferencijų, skirtų fizikos, chemijos, fizikos, chemijos, fizikos, chemijos ir kt. ir biologija.

Belousovo-Žabotinskio reakcijos tyrimas, kaip buvau įsitikinęs, yra labai svarbus, nes jis buvo pritaikytas įvairiose mokslo ir technologijų srityse. Ši reakcija naudojama kaip pavyzdys tiriant didžiulį širdies sutrikimą - aritmijas ir virpėjimą. O neseniai buvo pradėti eksperimentai su šviesai jautria šios reakcijos modifikacija, kai dinamika šioje sistemoje priklauso nuo šviesos intensyvumo. Paaiškėjo, kad tokia reakcija gali būti naudojama kaip kompiuteris vaizdams saugoti ir apdoroti. Šviesai jautri Belousovo-Žabotinskio reakcijos modifikacija gali būti kompiuterių komplekso prototipas, kuris gali pakeisti kompiuterį.

Kita vertus, svyruojančios cheminės reakcijos yra ryškus savaiminio organizavimo negyvojoje gamtoje pavyzdys, ir šia prasme yra ne tik gamtamokslinė, bet ir filosofinė reikšmė. Esminius gamtos mokslo pokyčius, dėl kurių atsirado vadinamoji saviorganizavimosi teorija, daugiausia lėmė pradinis impulsas, kurį jai suteikė Rusijos mokslininkai šeštojo–septintojo dešimtmečių sandūroje, kai Belousovas atrado redokso cheminę reakciją. Tuo pačiu metu buvo aptiktos stulbinančios analogijos, paaiškėjo, kad daugelis gamtos reiškinių, pradedant galaktikų susidarymu ir baigiant tornadomis, ciklonais ir šviesos žaismu ant atspindinčių paviršių, iš tikrųjų yra savaiminio organizavimo procesai. Jie gali būti labai skirtingo pobūdžio: cheminiai, mechaniniai, optiniai, elektriniai ir kt.

Taigi taikomieji tyrimai įgauna vis didesnį svorį, pavyzdžiui, alternatyvių informacijos apdorojimo priemonių modeliavimo srityje (ypač sudėtingų mozaikų su objekto ryškumo gradacija analizė). Dar viena nauja taikomųjų tyrimų kryptis – polimerizacijos BZ sistemoje ar panašiose ypatybių tyrimas.

Sudėtinga erdvinė ir laiko struktūra, kurią demonstruoja BZ sistema be maišymosi, galiausiai rado analogijų gamtoje, biologinėse sistemose (pavyzdžiui: periodiniai ląstelių metabolizmo procesai, aktyvumo bangos širdies ir smegenų audiniuose, procesai, vykstantys neekologinių sistemų lygmuo), naujoje savo srityje - sinergetikoje (saviorganizavimosi teorijos), taip pat eksperimentinis darbas inicijavo šiuolaikinės dinaminių sistemų teorijos kūrimą. Nors šiuo metu daugelis tokių reakcijų jau suprantamos, priežastys, sukeliančios virpesius cheminius procesus, lieka neaiškios iki galo.

Šiuo metu virpesių reakcijų kinetika yra sparčiai besivystanti žinių šaka, atsiradusi chemijos, biologijos, medicinos, fizikos ir matematikos sankirtoje. Man buvo labai įdomu susipažinti su tokiomis neįprastomis ir iš pirmo žvilgsnio neįmanomomis gyvosios medžiagos savybėmis. Bet dar labiau mane pribloškė, kad tokio neįtikėtino savo reikšme, daugelį metų įspūdingo atradimo kiti nesuvokė, o to meto didieji protai tiesiog nesuprato. Šis atradimas nuėjo sudėtingą kelią ir galiausiai užėmė deramą vietą pasaulio moksle. Ir pati tokios reakcijos galimybė dar kartą įrodo, kad mūsų pasaulyje dar yra daug nežinomo ir neištirto.

Taikymas.

Kai kurių virpesių reakcijų receptai

2 receptas:Į plokščią skaidrią kiuvetę sluoksniais (1 ml) supilkite šiuos tirpalus:

- KBrO 3(0,2 mol/l)

- malono rūgštis (0,3 mol/l)

- feroinas (0,003 mol/l)

- H2SO4(0,3 mol/l)

Padėkite kiuvetę ant balto popieriaus lapo. Reakcijos greitį galima keisti pridedant šarmo arba rūgšties.

3 receptas: Reikalingi sprendimai:

- citrinos rūgštis (40 g 160 ml vandens)

- H2SO4 (1:3).

Ir taip pat pakabinimai:

- KBrO 3(16 g)

- Ce 2 (SO 4) 3(3–3,5 g)

Citrinų rūgšties tirpalą pašildykite iki 40–50 °C, tada išpilkite KBrO 3 mėginį. Padėkite stiklinę ant balto popieriaus lapo ir įpilkite Ce 2 (SO 4) 3 mėginį ir kelis ml H 2 SO 4. Iš karto pradeda keistis spalvos: geltona> bespalvė> geltona, su 1-2 minučių periodu.

4 receptas: Reikalingi sprendimai:

- H 2 O 2(50 ml 30%)

- KIO 3(7,17 g 50 ml vandens)

- HClO 4(30 ml praskiesto tirpalo)

- malono rūgšties (3 g 50 ml H 2 O). Ir pakabos:

-MnSO4(1 g) ir šiek tiek krakmolo.

Viską supilti į vieną stiklinę (200-250 ml), supilti pasvertas porcijas, išmaišyti stikline lazdele. Yra spalvų kaita: bespalvė> geltona> mėlyna.

Bibliografija.

1. Aliev R., Shnol S. E. "Svyruojančios cheminės reakcijos". Kinetika ir katalizė. 1998. Nr. 3. S. 130-133.

2. Shnol S.E. Žinios yra galia. 1994. Nr. 3. S. 62-71.

3. Žabotinskis A. M. Koncentracijos savaiminiai svyravimai. Maskva: Nauka, 1974 m.

4. Garel D., Garel O. Vibracinės cheminės reakcijos / Per. iš anglų kalbos. M.:

5. Dubnishcheva T. Ya. Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos. Novosi-

birskas: YuKEA, 1997, p. 683–697.

6. Šiuolaikinio gamtos mokslo sampratos. Red. V. N. Lavrinenko,

V. P. Ratnikova, M.: UNITI-DANA, 1999, S. 78 - 87.

7. Vavilin B.V. „Automatiniai virpesiai skystosios fazės cheminėse sistemose“.

Priroda, 2000, Nr.5, 19 – 25 p.

VIBRACINĖS REAKCIJOS- periodinių redokso reakcijų klasė. Reakcijos mechanizmas yra panašus į atraminio skląsčio įtaisą. Pirmą kartą tokias reakcijas 1951 m. aptiko Maskvos chemikas B. P. Belousovas.

Virpesių reakcijos vyksta dalyvaujant katalizatoriui (pirmą kartą tai buvo atrasta vykstant reakcijai dalyvaujant cerio jonams) ir paprastai susideda iš dviejų etapų.

Būtinos sąlygos tokioms reakcijoms atsirasti:

a) pirmojo etapo greitis turėtų gerokai viršyti antrojo etapo greitį;

b) antroje stadijoje turėtų atsirasti junginys, kuris slopina pirmosios stadijos eigą (jis vadinamas inhibitoriumi).

Panaši reakcija gali būti stebima maišant vandeninius cerio (III) druskos (pavyzdžiui, cerio sulfato), kalio bromato KBrO 3 ir bromomalono rūgšties HO (O) C - CH (Br) - C (O) OH tirpalus. Reakcijos masė parūgštinama sieros rūgštimi.

Pirmajame etape trivalentis cerio jonas (kuris atsirado disociuojant cerio druskai) redukuojamas bromato anijonu (jį tiekia kalio bromatas). Šiuo atveju Ce(III) jonas oksiduojamas iki Ce(IV), kas išoriškai pastebima pasikeitus reakcijos tirpalo spalvai – Ce(III) jonai vandeniniame tirpale yra bespalviai, o Ce(IV) yra geltoni.

10Ce3+ + 2BrO3 – + 12H+ = 10Ce4+ + Br2 + 6H2O (I)

Kitame etape susidaręs Ce (IV) jonas reaguoja su bromomalono rūgštimi, ją oksiduodamas:

4Ce 4+ + HO(O)C – CH(Br) – C(O)OH + 2H 2 O =

4Ce 3+ + HC(O)OH + 2CO 2 + 5H + + Br - (II)

Tokiu atveju ceris vėl tampa Ce (III) jonu ir vėl gali dalyvauti I reakcijoje. Šiuo atveju jis atlieka tipinio katalizatoriaus vaidmenį, dalyvauja reakcijoje, bet nėra suvartojamas, tačiau reakcija neįvyks. tęsti be jo. Reakcijos metu sunaudojamas kalio bromatas ir bromomalono rūgštis, ceris tik perkelia elektronus iš vieno reagento į kitą (pradiniai reagentai pažymėti juodai, o reakcijos produktai – raudonai):

Šios reakcijos ypatumas yra tas, kad II stadijoje bromo anijonas Br – . Jis slopina, tai yra slopina I stadiją, bet neturi įtakos II stadijai. Dėl to reakcijos sistemoje kaupiasi II stadijos produktai, pirmiausia Ce 3+ jonai. Tam tikru momentu, kai šie jonai susikaupia dideliais kiekiais, bromo jonai nebegali slopinti I stadijos ir vyksta dideliu greičiu. Ce(IV) jonai vėl atsiranda sistemoje ir dalyvauja lėtoje II stadijoje. Taigi bromo jonai atlieka trigerio vaidmenį, kuris neleidžia pirmajam etapui prasidėti iki tam tikro taško. Iš išorės tai atrodo taip (Ce(III) jonai vandeniniame tirpale yra bespalviai, o Ce(IV) geltoni): reakcijos masė akimirksniu pagelsta, o po to pamažu tampa bespalvė (4 pav., stiklinė Nr. 1) . Spalva keičiasi maždaug kas pusantros minutės, laiko intervalas išlieka nepakitęs kelias valandas. Jei palaipsniui pridėsite sunaudojamų reagentų, toks „cheminis laikrodis“ veiks labai ilgai. Kylant temperatūrai, virpesių reakcijos laiko ciklas trumpėja.

Yra ir kitų virpesių reakcijų pavyzdžių. Aukščiau aprašytoje sistemoje cerio jonus galima pakeisti geležies jonais. Tam naudojamas Fe (II) sulfato kompleksas su trimis fenantrolino molekulėmis, kuris vandeniniame tirpale yra raudonos spalvos (šis kompleksas plačiai naudojamas kiekybiniam geležies nustatymui):

Panašus Fe(III) kompleksas, atsirandantis dėl oksidacijos, nusidažo mėlynai, reakcijos metu mėlyna spalva akimirksniu tampa raudona, kuri palaipsniui vėl virsta mėlyna (4 pav., stiklinė Nr. 2) .

Jei bromomalono rūgštį pakeisime citrinos [HOC(O)CH 2 ] 2 C(OH)C(O)OH, tai esant kataliziniam kiekiui mangano druskų, susidaro sistema, kurioje spalva pulsuoja kas dvi minutes (pav. 4, stiklas Nr. 3) . Oksalo-acto rūgštis HOC(O)CH 2 C(O)C(O)OH su cerio druskomis skaičiuoja šešių sekundžių intervalus (stiklas Nr. 4). Laiko intervalai animaciniame paveikslėlyje parodyti sąlyginai, ilgiausias spalvų keitimo intervalas yra stikle Nr.3, mažiausias – stikle Nr.4

Netrukus po tokių reakcijų atradimo buvo galima nustatyti, kad tokie procesai yra gana dažni. Dėl to buvo sukurta bendra virpesių procesų teorija, apimanti kai kurias dujų fazių reakcijas (pavyzdžiui, angliavandenilių oksidaciją), anglies monoksido, vandenilio, amoniako, etileno heterofazę oksidaciją ant metalinių katalizatorių ir daugybę polimerizacijos. procesus. Virpesių reakcijos lemia kai kurių svarbiausių biologinių procesų eigą: nervinių impulsų generavimą ir raumenų susitraukimo mechanizmą.

Michailas Levitskis