Spontán minták kialakulása Belousov reakció. Mi az önszerveződés? Spiral Wave Tip Trajectory Control
A Belousov-Zhabotinsky önoszcillációs reakció nagyon széles körben ismert nemcsak a tudományos világban. Iskolások és diákok, és csak érdeklődő emberek egyaránt ismerik. Egy pohár vörös-lila folyadék hirtelen élénkkék, majd ismét vörös-lila színűvé válik. És megint kék. És amikor a folyadékot vékony rétegben öntik, a színváltozás hullámai terjednek benne. Összetett minták alakulnak ki, körök, spirálok, örvények, vagy minden teljesen kaotikus megjelenést kölcsönöz.
Ez a reakció több mint 40 éve ismert. 1951-ben nyitotta meg Borisz Pavlovics Belousov.
Anatolij Markovics Zhabotinsky döntően hozzájárult ennek a reakciónak a tanulmányozásához, ahhoz, hogy ez a figyelemre méltó jelenség általános tudományos tulajdonsággá vált. A reakciót tiszteletreméltó néven két kezdőbetűvel nevezik: BZ-reakció (Belouszov-Zsabotinszkij).
A B.P. felfedezése Belousov csaknem 150 évnyi oszcillációs rezsimek kutatását végezte el a kémiai folyamatokban. A periódusos folyamatok általában az egyik alapját képezik az elméletalkotásnak számos iparágban. Periodicitás - valaminek az időben és (vagy) térben történő rendszeres ismétlődése meggyőz bennünket a világ megismerhetőségéről, a jelenségek okozatiságáról. Lényegében a periodicitás az alapja a determinizmus világképének. Természetének megértése lehetővé teszi az események előrejelzését, mondjuk a napfogyatkozásokat vagy az üstökösök megjelenését. És az ilyen jóslatok a tudomány erejének legfőbb bizonyítékai.
A Belousov-Zhabotinsky reakció története élénken illusztrálja a régi rejtvényt: mi volt előbb, a tyúk vagy a tojás? Mi jön előbb: elméleti magyarázatot igénylő jelenség, vagy egy korábban ismeretlen jelenség megjelenését előrevetítő elmélet? Valójában ez egy "ördögi kör". Csak azt vesszük észre és nyilvánítjuk jelenségnek, amit megértünk, amire már van elmélet. De egy elmélet felépítéséhez szükség van egy "rendre" - egy megmagyarázhatatlan jelenség jelenlétére.
Ennek az ördögi körnek a megtöréséhez óriási intellektuális és erkölcsi erőfeszítésekre van szükség az úttörő kutatótól. A "józan ész" tehetetlensége számos tragikus sors oka, a szomorú "posztumusz dicsőség hagyománya", amikor a figyelemre méltó felfedezések korainak bizonyulnak, és szerzőik élete során nem ismerik fel őket.
Belousov felfedezése ebben a sorozatban. Élénken mutatja be ezt a nehézséget a „nyilvánvalóság” észlelésében, ami szó szerint látható a szemnek, és ennek ellenére mások nem látják.
A REAKCIÓ FELFEDEZÉSÉNEK TÖRTÉNETE
Régi Moszkva, a múlt század vége. Egy banki alkalmazott családja: apa, Pavel Nikolaevich és anyja, Natalya Dmitrievna, hat fiút nevelnek. A legidősebb, a 17 éves Alexander már forradalmár. Izgalmas tervek: robbantani, lőni, elbújni. Áthatja Marx, és makacsul tanulmányozza őt.
Sasha Belousov, akit a világigazságosság gondolata ihletett, kiváló közönségre talált testvéreiben, mindenkit bevont a forradalmi munkába, beleértve a 12 éves Borist is. És a forradalmi munka nyilvánvalóan a kémiához kapcsolódott. A kémia – a létező rendszer megdöntésére szolgáló legjobb tudomány azt tanítja, hogyan kell bombákat készíteni. A laboratórium közvetlenül egy moszkvai ház tetőterében épült a Malaya Polyanka-n. A testvérek igazán szenvedélyesek voltak. 12 évesen bombákat készíteni öröm! És teszteld is őket! És úgy, hogy anyám nem tudta!
1905-ben, az 1. orosz forradalom idején a bolsevik frakció élén álló Sasha Belousov egy militánsdandárt vezetett. A forradalom leverésekor Sándornak sikerült megszöknie. Egy évvel később letartóztatták, de sikerült megszöknie a szibériai száműzetésből.
Az anyák hamarosan azt javasolták: vagy küldünk mindenkit Szibériába, vagy menjünk száműzetésbe. Természetesen Svájcot preferálta. Egy bolsevik gyarmatra indultunk, mert a bátyám bolsevik volt. Borisz a bolsevikok által körülvéve találta magát, ahol "az emigráció nehéz körülményei között" előkészítették, amit később megszerveztek.
Alekszandr Pavlovics közgazdász lett. A háború alatt Leningrádban töltötte el egy közgazdasági könyv elkészítését. És meghalt a blokádban, és a könyve elpusztult.
Zürichben Borisznak tandíjat kellett fizetnie. Újabb lehetőség nyílt az ingyenes, de oklevél nélküli tanulásra, az elvégzett tanfolyamok igazolásával. Okirati bizonyíték nem maradt fenn, de ha jól értem, akkoriban a fő hobbija még a kémia volt. A világháború kitörésekor Oroszországba érkezett, hogy önkéntesként a hadseregbe vonuljon. De nem vették fel - nem volt elég súly.
Volt kémia. Most azt mondják, hogy Oroszországban három nagy vegyész volt: Lomonoszov, Mengyelejev és Ipatiev. Ipatiev, az ipari kémia elméleti alapjainak megteremtője a 30. évben, a letartóztatásra számítva, sikerült külföldre mennie, és az Egyesült Államokban telepedett le. Amerikában művek, szimpóziumok stb. szentelnek neki. Oroszországban szinte ismeretlen. Belousov a goujoni kohászati üzem (a szovjet időkben a Kalapács és Sarló üzem) vegyi laboratóriumába ment, ideológiailag Ipatiev vezetésével. Ipatiev laboratóriumába belépni katonai kémiát jelentett. Borisz Pavlovics ott javította tanulmányait, és igazi katonai vegyész lett.
Még a forradalom előtt kidolgozta a mérgező anyagok kezelésének módjait, speciális gázálarc-kompozíciókra gondolt. A forradalom után katona lett, 23 éves korától PP Lazarev akadémikus javaslatára kémiát tanított a Vörös Hadsereg parancsnokainak a Vörös Hadsereg Felső Katonai Vegyi Iskolában, előadásokat olvasott fel. általános és speciális kémiáról a Vörös Hadsereg Vezérkarának Fejlesztő Iskolájában, majd 1933-ban a K.E.-ről elnevezett Katonai Vegyi Akadémia főoktatója lesz. Vorosilov. Életének fő tartalma azonban a tudományos kutatás. Számos tudományos munka szerzője. De sajátosságuk miatt Belousov műveinek egyetlen sora, még az összefoglalója sem jelent meg soha sehol. Minden zárt utasítások, "szigorúan titkos" jelzésű megrendelések formájában zajlott. Alekszandr Nyikolajevics Terenin akadémikus titkos áttekintésében megjegyzi, hogy: "...BP Belousov egy teljesen új irányt indított a gázelemzésben, amely abból áll, hogy a filmgélek színét megváltoztatják az aktív gázok általi szorpció során. A feladat az volt, hogy specifikus és univerzális indikátorokat hozzon létre a káros gáznemű vegyületekre, rendkívül alacsony koncentrációban történő kimutatással... Ezt a feladatot zseniálisan teljesítették ... számos optikai műszert fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik a levegő automatikus vagy félautomata minőségi elemzését káros gázokra ... Ebben a munkacsoportban BP Belousov olyan tudósként bizonyult, aki új módon veti fel a problémát, és teljesen eredeti módon oldja meg. E tanulmányok mellett BP Belousov számos, hasonlóan eredeti műalkotást is birtokol. és érdekes tudományos munkákat, amelyek nem hagynak kétséget afelől, hogy értekezés megvédése nélkül mindenképpen megérdemli a kémiai tudományok doktora fokozatát.
Dandárparancsnokká léptették elő, vegyésznek járó magas katonai rangot, ami a vezérőrnagyi rangnak felel meg. Az 1937-38-as tömeges elnyomás időszakában sok őrnagy és magasabb rangú katonaságot letartóztattak és meggyilkoltak, Belousov számos kollégáját és barátját megölték. Nem tartóztatták le, talán azért, mert még 1935-ben hosszú távú szabadságra távozott a hadseregtől, majd 1938 után nyugdíjba vonult?
Borisz Pavlovics egy titkos orvosi intézetben kezdett dolgozni, ahol főként toxikológiával foglalkoztak. Eleinte a laboratórium vezetője volt. Aztán rájöttek, hogy nincs egyetemi diploma, és áthelyezték vezető laboráns pozícióba, anélkül, hogy a laborvezetőt felmentették volna a feladatai alól. Sok tekintetben katona maradt. Irritálja az új környezet, bonyolult kapcsolatok, érzelmekkel, érzésekkel, nehezteléssel. A karaktere mindig is nehéz volt, és az évek során meglehetősen bonyolulttá vált.
Az intézet igazgatója azonban megértette, kivel van dolga. Ezt most nem lehet felfogni, de akkor az összes fő, és nem túl fontos papíron Sztálin aláírása volt. Kék vastag ceruza. Ugyanerre a névre írtak egy levelet, miszerint titkos intézményünkben egy kitüntetett dolgozik, alacsony a fizetése, mint egy vezető laboránsnak, mivel nincs felsőfokú végzettsége, de valójában ő a felelős. a laboratóriumból. Erre a levélre Sztálin ezt írta: "Fizessen, mint a laboratórium vezetője, a tudományok doktora, amíg hivatalban van." Vastag kék ceruza. Az ellenségek elhallgattak: maga Sztálin fizessen. Ez nem tartott sokáig, Sztálin azonban hamarosan meghalt. Ezekben az években a sugárzási probléma, a sugárzás elleni szerek váltak a fő problémává. Belousov figyelemre méltó felfedezéseket tett a sugárzás elleni gyógyszerek terén.
Ekkor fedezték fel a biokémiában a ciklikus reakciókat: az egyik anyagból egy második, egy másikból egy harmadik, egy harmadikból egy negyedik, majd egy ötödik anyag alakul át, és ebből keletkezik újra az első. Borisz Pavlovics úgy gondolta, hogy ez egy csodálatos dolog, és érdemes tanulmányozni, hogy jó lenne a biokémiai ciklusok kémiai analógiáját készíteni.
Itt kezdődik a „gyermekkor kémiája”. Ezt csak egy "élő" vegyész tud azonnal kitalálni. Emlékezzünk vissza, hogy 1905-ben Berthollet-sót vett, ennek analógja a KBrO3: van klór, és itt bróm. Lehetőség van olyan reakció lebonyolítására, amelyben a Krebs-ciklus kiinduló komponense, a citromsav a Berthollet-só ezen analógjával oxidálódik. A bróm színes, így látható lesz, ha a reakció során felszabadul. Szerencse volt.
A reakció felgyorsítása érdekében Borisz Pavlovics katalitikus mennyiségű cérumsót adott az oldathoz. A cérium változó vegyértékű elem, katalizálja az oxidációt, a négyes állapotból a háromértékű állapotba kerül. Egy oldatban, meglehetősen tömény kénsavban először valóban megjelent egy sárga szín, de aztán valamiért eltűnt és hirtelen újra megjelent, majd ismét eltűnt... Így az oldatban egy oszcilláló kémiai reakciót fedeztek fel. (És a sárga szín, amint Zhabotinsky később megmutatta, nem brómból, hanem cériumból származik).
A BELOUSSOV-REAKCIÓ JELENTŐSÉGE
B. P. Belousov volt az első, aki felfedezte a kémiai oszcillációs reakciókat? A Nobel-díjas I.Prigozhin Borisz Pavlovics munkásságát a huszadik század tudományos bravúrjának tartja. Egyes szerzők számára a BZ-reakció népszerűsége igazságtalannak tűnik, Belousov szerepe pedig eltúlzott.
A kémiai reakciók eddig megfigyelt minden ingadozása térhatásokkal magyarázható, például a lombik falán bekövetkezett hőmérséklet-eséssel vagy a reakciósebesség diffúziós korlátaival.
De a fő akadály az volt... az egyensúlyi termodinamika ismerete. Egy művelt ember nem tudna elképzelni egy makroszkopikus sorrendet hatalmas számú molekula véletlenszerű hőmozgásában, az összes molekula most egy, majd egy másik állapotban van! Mintha felismerné egy örökmozgó létezését. Ez nem lehet. És valóban nem lehet. Nem lehet közel az egyensúlyi állapothoz, de csak ezt vette figyelembe az akkori évek termodinamikája. A nem egyensúlyi kémiai rendszerek komplex, beleértve az oszcilláló módokat is, nem korlátozzák azonban, ha a reakciók még nem fejeződtek be, és a reagensek koncentrációja nem érte el az egyensúlyi szintet. De ez a körülmény elkerülte a vegyészek figyelmét.
Mindenki számára világos, hogy a termodinamika nem csak a fizika egyik ága. A Carnot, Mayer, Helmholtz, Boltzmann, Planck, Gibbs, Nernst óriáscégek által létrehozott egyensúlyi termodinamika diadala több kutatógeneráció világképét is meghatározta.
Rendkívüli intellektuális erőfeszítésekre volt szükség ahhoz, hogy kitörjünk a "teljes tudás vasbilincseiből", és feltárják az egyensúlytól távol álló rendszerek viselkedését, hogy megteremtsék a nem egyensúlyi folyamatok termodinamikáját. Ez Onsager és Prigogine életének bravúrja. Ekkor már általánosan igazolták, hogy egy homogén, homogén rendszerben, amikor a térbeli inhomogenitások jelentéktelenek, lehetséges az oszcilláció. 1910-ben A. Lotka egy olyan egyenletrendszert dolgozott ki, amely leírja a reagensek koncentrációjának ingadozását egy komplett keverőrendszerben, ahol az autokatalízis is lehetséges. Ebben az első Lotka-modellben a rezgések csillapításra kerültek. Tíz évvel később két egymást követő autokatalitikus reakcióval rendelkező rendszert javasolt, és ebben a modellben a rezgések már csillapítatlanok voltak. Ez azt jelenti, hogy homogén oldatban elvileg lehetségesek az oszcillációk. Az új tudás életére jellemző helyzet alakult ki: létezik egy szigorú Lotka-Volterra elmélet (homogén kémiai rendszerek ingadozása lehetséges), és általános a vélemény, hogy ezek lehetetlenek, mivel ellentmondanak a tudomány alapjainak. Ezért kapott olyan nagy jelentőséget az oszcillációs rezsimek homogén oldatokban, teljes keveredésű rendszerekben való létezésének kísérleti, vitathatatlan bizonyítása. Itt kell megjegyeznünk a fizikusok és kémikusok álláspontja közötti alapvető különbséget. A 20. század fizikájának és matematikájának egyik legszembetűnőbb eredménye az oszcillációelmélet megalkotása volt. Nagy, általánosan elismert érdemek itt L. I. Mandelstam akadémikus iskola szovjet fizikusaié. A 28. évben Mandelstam végzős hallgatója, A.A. Andronov az orosz fizikusok kongresszusán "Poincaré határciklusok és az önrezgések elmélete" című jelentésével beszélt. Nem kételkedett a kémiai oszcillációs reakciók lehetőségében, és kezdeményezője volt az ilyen reakciók irányított kutatásának a kísérletben.
Az 1930-as évek elején a foszforgőz vibrációs lumineszcenciájához hasonló "hideg lángok" lumineszcenciájának ingadozásait fedezték fel a Tudományos Akadémia Kémiai Fizikai Intézetében, ami érdekelte a figyelemre méltó fizikust, D.A. Frank-Kamenetszkij. 1939-ben ezeket az ingadozásokat Lotka 2020-as kinetikai modellje alapján magyarázta. 1941-ben az Advances in Chemistry folyóiratban megjelent cikkében kifejezetten fontolóra vette az oszcillációs rezsimek lehetőségét homogén kémiai rendszerekben, bár a "hideg lángok" szigorúan véve nem tulajdoníthatók homogén kémiai reakcióknak. Az okok ugyanazok: hőmérséklet-esések és térbeli koncentráció-gradiensek.
Az oszcilláció mechanizmusát ebben az összetett rendszerben Frank-Kameneckijjal együtt az Andronov iskola egyik végzőse, IE Salnikov vette át, és 1947-ben disszertációt nyújtott be a Kémiai Fizikai Intézetbe, melynek címe "Az elméletről". a homogén kémiai reakciók időszakos áramlásának folyamatáról." De a dolgozatot elutasították! Ki volt a rendíthetetlen igazságok legengesztelhetetlenebb őrzője, a hallgatóság legműveltebb embere? Ismeretlen. A „korábbi tudás tehetetlensége” működött. A vegyészek „józan ész” akadályát nem sikerült legyőzni.
Salnikov sikeresen megvédte ezt a disszertációt a következő évben Gorkijban, az A. A. Andronov által vezetett Fizikai Intézetben.
1951-ben Belousov tábornok cikket küldött az általa felfedezett oszcillációs reakcióról a Journal of General Chemistry-nek. És sértő negatív kritikát kapott: "ez nem lehet". A cikk egy könnyen reprodukálható folyamatot írt le. Minden reagens könnyen elérhető. De ha szilárdan meg van győződve arról, hogy az eredmény lehetetlen, akkor ennek ellenőrzése időpocsékolás. Borisz Pavlovics unokája, Borisz Szmirnov meggyőzte nagyapját: "Vegye a reagenseket, menjen a szerkesztőségbe, és mutassa meg nekik ..." A tábornok mindezt sértőnek, a tudományos etika normáival összeegyeztethetetlennek tartotta, és nem ment el.
Belousov pedig tovább tanulmányozta csodálatos reakcióját. Ingadozások - sárga-színtelen nem voltak túl fényesek. Borisz Pavlovics A. P. Safronov tanítványa és munkatársa azt tanácsolta neki, hogy adjon hozzá egy fenantrolint tartalmazó vaskomplexet az oldathoz. A színezés drámaian megváltozott. A lila vörös fényes kékre fakult. Ez nagyszerű volt.
Zsabotinszkij és a körülötte kialakult munkatársi csoport munkásságának figyelemre méltó sajátossága volt a kémiai kísérlet, a fizikai regisztrációs módszerek és a matematikai modellek felépítésének kombinációja. A differenciálegyenletrendszerek ezen modelljeiben a kinetikai állandókat kísérleti adatokkal helyettesítették. Ezt követően lehetőség nyílt a rezgések kísérleti felvételeinek összehasonlítására a számítógépes szimulációval kapott görbékkel.
A számítógépek ekkor terjedelmesek és kényelmetlenek voltak, az adatokat lyukszalagokra vagy lyukkártyákra írták be. Ám ez nem csillapította le a lelkesedést.
1963-ra a Belousov-reakció tanulmányozásának fő minőségi szakasza befejeződött. Zhabotinsky PhD-hallgatónak cikket kellett írnia. És írt egy csodálatos első cikket. Felmerült egy természetes kérdés a szerzőkkel kapcsolatban.
A cikk egy Zhabotinsky aláírása alatt jelent meg. A cikk olyan váratlan hatást váltott ki, hogy az emberiség csodálója Belousovról és Zsabotinszkijról nevezte el a reakciót.
A "tudományos közösséget" fokozatosan áthatja az a felismerés, hogy az oszcillációs rezsimek nemcsak lehetségesek, de még kötelezőek is, és meglehetősen gyakoriak a kémiában és a biokémiában. Különösen a biokémiában szerettem volna megtalálni őket, hogy megmagyarázzam velük a biológiai óra jelenségét.
Az oszcillációs biokémiai reakciók nagy valószínűségének alátámasztásával az oszcilláció elmélete szempontjából a Szovjetunió Tudományos Akadémia Fizikai Intézetében 1959-ben tartott szemináriumon I. E. Tamma D. S. Chernavsky posztgraduális hallgató beszélt. Most már olyan helyzet állt elő, amikor az elmélet, a megértés megelőzi a fenomenológiát. A oszcillációk felfedezése a biokémiai rendszerekben várható volt.
1964 őszén Chance publikált egy cikket a foszfofruktóz kináz reakció vibrációs kinetikájáról. Az oszcillációs rezsimek tanulmányozásának fellendülése kezdődött a biokémiában. Az ilyen jellegű kiadványok száma évről évre nő.
1966 márciusában összehívták az első All-Union Symposium-t a kémiai és biokémiai oszcillációs folyamatokról. Ez egy teljesen történelmi esemény a tudományban. Mert az oszcillációs folyamatok a biológiában: a biológiai óra, mindenféle folyamat, mint például a szívműködés, a bélperisztaltika és még a populáció mérete is ugyanazok a differenciálegyenletek. A fizikusok ezt tartották Pushchino Központunk és Biofizikai Intézetünk egyik fő vívmányának. D. A. Frank-Kamenetsky aktívan részt vett a szimpózium munkájában, I. E. Salnikov és B. V. Voltaire előadásokat tartott, D. S. Csernavszkij és munkatársai, Yu. M. E. E. Selkov első műveit. A. M. Zhabotinsky és szerzőtársai, M. D. Korzukhin, V. A. Vavilin jelentései foglalták el a központi helyet. Borisz Pavlovics Belousov megtagadta a részvételt a szimpóziumon.
Már 1967 januárjában megjelent az Oscillation Processes in Chemical and Biological Systems című könyv.
Jóval a szimpózium előtt egy másik jelentős eseményre is sor került. A Szovjetunió Tudományos Akadémia elnöke, Msztyiszlav Vszevolodovics Keldysh többet akart tudni Belousov reakciójáról. Különleges felfogású, fenomenális műveltségű emberként ismerték. Koncentrált, komor, arc ilyen leonin ráncokban.
Zsabotinszkij röviden elmondta a lényeget: Keldysh dühbe gurult, ha sokáig beszéltek. Voltak ingadozások a pohárban, azt hittük, ez elég Keldysh-nek, de dühösen nézett a pohárra, és azt mondta: – A legfontosabbat titkolod előlem? És a legfontosabbak a színes hullámok voltak, amelyek alulról indultak és felfelé haladtak. Keldysh a rezgések térbeli hatásainak specialistája volt. Zsabotinszkij természetesen észrevette a térbeli hullámokat, de még nem jött rá, és úgy döntött, nem beszél róluk Keldysh-nek. De nem volt ott! Az elnök rettenetesen dühös volt, mert azt hitte, egyszerűen nem akarják elmondani neki... A megjegyzés rendkívül fontos volt. És akkor megtudtuk, hogy Belousov is látta. Még "zebrának" is nevezték a lombikot. És azt hittem, ez a legfontosabb.
A szimpózium után Zhabotinsky a hullámterjedés tanulmányozására összpontosított. A munkát nagyon megnehezítette az oldat alacsony optikai sűrűsége. Ekkor csatlakozott a csoporthoz A. N.. Zaikin, és úgy döntöttek, hogy olyan televíziót használnak, amely képes gyenge jelet felhalmozni ismételt pásztázás révén. Ipari televíziós felszerelést nem lehetett beszerezni. A munka elakadt. És senki sem emlékezett a vas-fenantrolin komplexre.
A térhatások, a hullámterjedés aktív közegben új figyelemre méltó lehetőségeket és analógiákat nyitott meg. A gerjesztés hasonló módon terjed az idegben, a szív syncytiumban, általában az "aktív közegben". A BZ-reakció „működési térbe került”, bekerült a tankönyvekbe, és a szinergetika új tudományának egyik legfényesebb tárgyává vált.
KÖVETKEZTETÉS
Tehát eltúlzott-e a Belousov által felfedezett reakció jelentősége? Egyáltalán nem. Posztumusz hírneve igazságos? Kétséget kizáróan. És ez a legkevésbé sem von le számos kutató érdemeit, akik csaknem három évszázada tanulmányozzák ezeket a problémákat.
Azt kell még elmondani, hogy miközben az emberiség tudomást szerzett Borisz Pavlovics Belousovról, kizárták az intézetből... „mert idős és gyakran beteg”. Valóban idős volt, de alkotói tevékenysége igen magas maradt. Nem bírta tovább élni laboratórium nélkül, és 1970. június 12-én meghalt.
Amikor Zsabotinszkij 1974-ben megvédte doktori disszertációját, ellenfele, egy nagyszerű ember, Rem Viktorovics Khokhlov akadémikus azt mondta: "Az önrezgések analógiájára az aktív közegben történő hullámterjedés folyamatát autohullámnak nevezhetjük." Khokhlov kifejezése megragadt. A tudománynak ezt az új részét, amelyet főként a térhatásoknak szenteltek, a gerjesztési hullámok szívben és általában Krinsky-Ivanitsky "aktív médiájában" történő terjedésének vizsgálatával kombinálták. Egy szorosan együttműködő csapat alakult: Zhabotinsky, Krinsky, Ivanitsky, Zaikin. És ez a négy továbbvitte a dolgokat.
Megszületett a Lenin-díj ötlete. Belousov nem szerepelt a jelentkezők listáján. De a Lenin-díjakat, a Nobel-díjjal ellentétben, szintén posztumusz adták. Borisz Pavlovics posztumusz Lenin-díjat kapott. Ez 1980-ban történt, tíz évvel a halála után.
BIBLIOGRÁFIA
- M. Zhabotinsky. A kémiai oszcillációk és hullámok története, CHAOS 1(4), 1991, 379-385
Salnikov IE, "A kémiai önrezgések elméletének eredeténél", szo. "Rendszerdinamika. Dinamika és optimalizálás". Egyetemközi tudományos közlemények gyűjteménye. Nyizsnyij Novgorod, 1992
Belousov B.P., "Periodikusan ható reakció és mechanizmusa" a Sugárgyógyászatról szóló absztraktok gyűjteményében 1958-ban. - M. Medgiz, 1959, 145-147.
Belousov B.P., "Periodikus reakció és mechanizmusa" szo. "Autowave folyamatok diffúziós rendszerekben" Szo. tudományos tr. Szerk. M.T. Bűnös. Gorkij. állapot un-t, Gorkij, 1981. 176-186.
Zhabotinsky A.M. "A malonsav oldatban történő oxidációjának időszakos lefolyása (a Belousov-reakció kinetikájának vizsgálata)", Biophysics, 1964, 9. kötet, 306-311.
"Oszcillációs folyamatok biológiai és kémiai rendszerekben". Proceedings of the All-Union Symposium on oszcillációs folyamatok biológiai és kémiai rendszerekben. Pushchino-on-Oka, 1966. március 21-26., szerk. Science, M. 1967
Zhabotinsky A.M., "Koncentrációs önoszcillációk" M. Nauka, 1974, 178, 22. o.
Wolter B.V. "Legenda és igaz történet a kémiai rezgésekről", Knowledge-Power, 1988, 4. sz., 33-37.
Shnol S.E., V.A.Kolombet, N.V.Udaltsova, V.A.Namiot, N.B.Bodrova "A mérési eredmények diszkrét eloszlásának szabályosságairól. (kozmofizikai szempontok)" Biophysics, 1992, 34. kötet, 3. szám, 467-488.
A Belousov–Zhabotinsky reakció különböző redukálószerek önoszcillációs katalitikus oxidációja brómsav HBrO 3-mal. Ebben az esetben a katalizátor oxidált és redukált formáinak, valamint egyes köztes termékek koncentrációinak ingadozása figyelhető meg. A reakció savas környezetben, vizes oldatban megy végbe; katalizátorként változó oxidációs állapotú fémionokat, például cériumot vagy mangánt használnak. Redukálószerként a malonsav, acetilaceton stb.
Reagensek
- vas(II)-szulfát-heptahidrát FeSO 4 ∙7H 2 O (kristályos)
- cérium(III)-nitrát-hexahidrát Ce(NO3)3∙6H2O (kristályos)
- kálium-bromid KBr vizes oldata (2 mol/l vagy 12 g 50 ml oldatban)
- kálium-bromát KBrO 3 (kristályos) és telített kálium-bromát oldat (körülbelül 10 g 100 ml vízben)
- kénsav H 2 SO 4 töményítjük és hígítjuk (1:3 térfogatarány).
- vizes malonsav CH 2 (COOH) 2 oldata (5 mol/l vagy 52 g 100 ml oldatban)
- o-fenantrolin (fen) C 12 H 8 N 2
- citromsav CH (OH) (CH 2 COOH) 2
- cérium(III)-szulfát-oktahidrát Ce 2 (SO 4) 3 ∙8H 2 O
- desztillált víz.
Felszerelés
Projektor, 30 x 30 cm-es üveglap, Petri-csésze, 100 ml-es mérőlombik, 250 ml-es Erlenmeyer-lombik csiszolt dugóval, hat pipetta, büretta, üvegrúd, alátét, szűrőpapír.
A kísérlet 1 változata (Zhabotinsky-változat)
Tapasztalat előkészítés
A kísérlet bemutatásához készítsen két oldatot - A és B.
A – ferroin (vas(II) komplex) oldata o-fenantrolinnal (fen).
Egy 100 ml-es mérőlombikba 0,70 g vas(II)-szulfát-heptahidrátot és 1,49 g o-fenantrolint adunk, az oldat térfogatát vízzel jelig beállítjuk és összekeverjük. Az oldatnak vörös színűnek kell lennie a 2+ összetételű fenantrolin komplex képződése miatt:
|
előre elkészíthető.
B - bróm-malonsav oldat (közvetlenül a bemutató előtt elkészítve). 3,3 ml kálium-bromid-oldatot (2 mol/l), 5 ml malonsav-oldatot (5 mol/l) és 5 ml tömény kénsavat pipettákkal bemérünk egy őrölt dugós Erlenmeyer-lombikba.
A kapott oldatot bürettából titráljuk telített kálium-bromát-oldattal, a titráló minden egyes szabályos adagja után alaposan összekeverve, hogy a párhuzamos kapcsolási reakcióban felszabaduló brómra jellemző barna szín eltűnjön:
|
A titráláshoz használt kálium-bromát oldat teljes térfogatának körülbelül 7,5 ml-nek kell lennie. A keletkező brómalonsav instabil, de alacsony hőmérsékleten egy ideig tárolható.
Vezetési tapasztalat
A kísérlet közvetlen demonstrálásához a vetítőtükörre helyezett üveglapra Petri-csészét helyezünk, amelybe egymás után 10 ml telített kálium-bromát oldatot, 4 ml bróm-malonsav oldatot és 1,5 ml ferroin oldatot adunk. pipetták. Néhány percen belül kék területek jelennek meg piros alapon a csészében; ez egy másik komplex - 3+ képződésének köszönhető a 2+ komplex bromátionokkal való redoxreakciója során:
|
A felszabaduló bromidionok gátolják a vas(II)-komplex bromátionok általi oxidációját. Csak amikor a 2+ koncentrációja kellően magas lesz, akkor a bromidionok gátló hatása megszűnik, és a bróm-malonsav kinyerésével és a komplex oxidációjával kapcsolatos reakciók újra megindulnak. A folyamat megismétlődik, és ez az oldat színében is megmutatkozik. A színezés koncentrikus kör alakú vörös-kék „hullámai” minden irányban eltérnek a csésze kék területeitől.
Ha a csésze tartalmát üvegrúddal összekeverjük, az oldat rövid időre monokromatikussá válik, majd a periodikus folyamat megismétlődik. Végül a reakció leáll a szén-dioxid felszabadulása miatt.
A Petri-csészébe az összes felsorolt reagens mellett néhány cérium(III)-nitrát-hexahidrát kristályt is hozzáadhat; akkor a színválaszték kibővül: sárga szín jelenik meg a cérium (IV) származékai miatt, zöld - a kék és sárga színek egymásra hatása miatt:
|
Melegítéskor az oszcillációs reakcióciklus lerövidül, gyorsabban megy végbe a színváltozás.
Megjegyzések
- A reakcióegyenletekben a Сe(OH) 2 2+ összetételű cérium(IV) származékot feltételesen írjuk; pontosabban összetételét a (4 - x) + képlet tükrözi.
- A vas(II)-szulfát-heptahidrát helyett használható a Mohr-só - vas(II)-szulfát-kristályhidrát-ammónium-összetétel (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 ∙ 6H 2 O 0,99 g mennyiségben. azonos térfogatú oldat készítéséhez A víz.
A kísérlet 2 változata (Belousov variánsa)
Tapasztalat előkészítés
A kísérlethez vegyünk 2 g citromsavat (HOOC) C (OH) (CH 2 COOH) 2, 0,16 g oktahidrát cérium (III) szulfátot Ce 2 (SO 4) 3 ∙ 8H 2 O és 0,2 g kálium-bromátot KBrO 3. A mintákat 2,0 ml (1:3 térfogatarányú) kénsavoldatban oldjuk. Ezután az oldat térfogatát desztillált víz hozzáadásával 10 ml-re állítjuk be.
Vezetési tapasztalat
A kísérlet közvetlen demonstrálására egy kivetítőtükörre helyezett üveglapra Petri-csészét helyezünk, amelybe az elkészített citromsav, cérium-só és kálium-bromát híg kénsavas keverékét öntjük. Néhány percen belül a csészében lévő oldat színe fehéresről élénksárgára változik, és fordítva.
| ||||||||||||||||||||||||||||||
Belousov-Zhabotinsky kísérletek
Önoszcillációs reakciók
A redoxreakciók egy speciális típusa az oszcillációs reakció. Meglehetősen bonyolult reakciórendszerekben fordulnak elő, és az ilyen reakciók esetében a kinetikai tényező nagyon fontos tényezőnek bizonyul. Az ilyen rendszerekben számos egymást követő reakció lehetséges, amelyeket különböző sebességgel jellemeznek. Több ilyen reakció egymásra épülése, amelyek termékei katalitikus vagy gátló hatásúak lehetnek, oda vezet, hogy az egyik vagy másik komponens felváltva halmozódik fel a reakcióközegben. Jelentős koncentrációjú, intenzív színű anyagok esetén könnyen megfigyelhetőek az oszcillációs reakciók. A leghíresebb és normál körülmények között demonstrálható oszcillációs reakciókat először Borisz Pavlovics Belousov figyelte meg 1958-ban, a citromsav-cérium(III)-szulfát-kálium-bromát rendszert tanulmányozva savas közegben.
Történelmi információk
A koncentrációs rendszerek fluktuációiról szóló első leírások a 19. századból származnak. Ez egy elektrokémiai reakció (1828) és egy katalitikus heterogén reakció (1833) oszcillációinak tanulmányozása. M. Rosenskiöld 1834-ben véletlenül észrevette, hogy egy kis foszfort tartalmazó lombik meglehetősen intenzív fényt bocsát ki a sötétben, és ez a ragyogás rendszeresen minden hetedik másodpercben ismétlődik. M. Joubert 1874-ben megfigyelte a "világító felhők" időszakos képződését egy fehér foszforgőzt tartalmazó kémcsőben. Később A. Tsentnershwer a légnyomás hatását tanulmányozta a foszfor periodikus felvillanására: megállapította, hogy a felvillanások gyakorisága 20 másodperctől kezdődik, és a nyomás csökkenésével növekszik. Ugyanakkor T. Thorpe és A. Tatton a foszfor-trioxid oxidációs reakciójának időszakos felvillanását figyelte meg egy lezárt üvegedényben. 1896-ban R. Liesegang német kémikus fotokémiai kísérletezés közben felfedezte, hogy ha egy kálium-dikromátot tartalmazó zselatinnal bevont üveglapra ezüst-nitrát oldatot csepegtetünk, a reakciótermék kicsapódik, koncentrikus körökben a lemezen. Liesegangot lenyűgözte ez a jelenség, és közel fél évszázadon át tanulmányozta. Gyakorlati alkalmazásra is talált. Az iparművészetben a „Liesegang gyűrűket” különféle termékek díszítésére használták jáspis, malachit, achát stb. utánzattal. Liesegang maga javasolta a mesterséges gyöngyök készítésének technológiáját. F. Runge könyve (1855) számos példát gyűjtött össze ilyen kísérletekre.
Később oszcillációs reakciókat fedeztek fel a két fázis határfelületén. Ezek közül a legismertebbek a fém-oldat interfész reakciói, amelyek sajátos elnevezéseket kaptak - "vasideg" és "higanyszív". Az első közülük - a vas (huzal) salétromsavban való oldásának reakciója - a nevét a gerjesztett ideg dinamikájával való külső hasonlóság miatt kapta, amelyet V.F. Ostwald. A második a H 2 O 2 bomlási reakciója a fémhigany felületén. A reakció során a higany felületén periodikusan oxidfilm képződik és feloldódik. A higany felületi feszültségének ingadozása a csepp ritmikus lüktetését idézi elő, amely a szív dobogására emlékeztet.
A kémiában zajló periodikus folyamatokra sokáig nem volt magyarázat. Csak a XIX. század második felében. Megjelent a termodinamika és a kémiai kinetika, amely megalapozta az oszcillációs reakciók és elemzésük módszerei iránti sajátos érdeklődést. Ugyanakkor az egyensúlyi termodinamika fejlődése eleinte fékként szolgált az ilyen folyamatok tanulmányozásában. A lényeg láthatóan a "korábbi tudás tehetetlenségében" volt. Lehetetlen volt elképzelni egy makroszkopikus sorrendet hatalmas számú molekula véletlenszerű hőmozgásában. És valójában ez nem lehet - hanem csak az egyensúlyi állapot közelében, amelyet az akkori évek termodinamikája tekintett. Nincsenek korlátozások azonban a nem egyensúlyi kémiai rendszerek komplex, beleértve az oszcilláló módokat is, amikor a reakciók még nem fejeződtek be, és a reagensek koncentrációja nem érte el az egyensúlyi szintet.
A folyadékfázisú oszcillációs kémiai reakciók tanulmányozásának modern története 1951-ben Belousov felfedezésével kezdődött, bár magának a szerzőnek nem ment minden olyan simán. Az oszcillációs reakciót leíró dolgozatát az akadémiai kémiai folyóiratok szerkesztői kétszer is elutasították. Rövidített változata csak 1958-ban jelent meg a kevéssé ismert Collection of Abstracts on Radiation Medicine-ben. Nyilvánvalóan a fő oka annak, hogy a vegyészek elutasították ezt a jelenséget, az a széles körben elterjedt vélemény volt, hogy az ilyen reakciókat a termodinamika második főtétele "tiltja". 1952-ben azonban az angol tudós, A.M. Turing "Chemical Foundations of Morphogenesis", amelyben arról számolt be, hogy a kémiai rezgések kombinációja a molekulák diffúziójával stabil térbeli struktúrák megjelenéséhez vezethet, amelyeknek magas és alacsony koncentrációjú régiói váltakoznak. Turing, megoldva azt az elméleti problémát, hogy a reaktorban kémiai reakció körülményei között kialakulhatnak-e stabil köztes termékek konfigurációi, megalkotta ennek a folyamatnak a matematikai modelljét.
1955-ben az irreverzibilis folyamatok termodinamikája elméletének szerzője, I.R. Prigogine kimutatta, hogy a kémiai fluktuációk lehetségesek nyitott rendszerben egy álló állapot közelében, elég távol a kémiai egyensúlytól, felhívta a tudományos közösség figyelmét a szovjet tudósok munkáira. Ennek eredményeképpen néhány, már a 19. század végén felfedezett oszcillációs heterogén kémiai reakció széles körű elismerést kapott. Őket kezdték számos időszakos folyamat, például a "biológiai órák" analógjainak tekinteni.
A kutatók számára világossá vált, hogy a termodinamika második főtétele az élő rendszerekben nem sérül, és nem zavarja azok összetett viselkedését és fejlődését. De az élet vagy bármely fizikai vagy kémiai modelljének létezéséhez szükséges, hogy a rendszer kellően hosszú ideig távol legyen a termodinamikai egyensúlytól. A homogén kémiai rendszerek pedig kényelmes modellekké válhatnak az ilyen folyamatok tanulmányozására.
Később ezeket a munkákat a Szovjetunió Tudományos Akadémia Biológiai Fizikai Intézetének Fizikai Biokémiai Laboratóriumában folytatták. Az eredmények könnyű reprodukálhatósága és a Belousov-reakcióban megfigyelhető gyönyörű vizuális effektusok hozzájárultak a széles körű népszerűséghez (később Belousov–Zhabotinsky reakciónak, vagy BZ-reakciónak nevezték). Hasonló oszcillációkat egy folyadékfázisú kémiai rendszerben fedezett fel 1921-ben W. Bray, miközben a hidrogén-peroxid és a kálium-jodát reakcióját vizsgálta, amihez a rendszerből időszakos oxigénkibocsátás társul. A periodikus Brey-reakciót később Brey-Libawski-reakciónak nevezték.
Az önrezgések és önhullámok felfedezése és tanulmányozása a Belousov-reakció során a háború utáni időszak alapvető orosz tudományának egyik legragyogóbb oldala.
BELOUSOV Borisz Pavlovics
(1893.II.19-1970.VI.12.)
BELOUSOV Borisz Pavlovics - szovjet vegyész. Moszkvában született egy banki alkalmazott családjában, a család hatodik gyermekeként. Testvéreivel együtt korán részt vett a forradalmi tevékenységekben, és 12 évesen letartóztatták. Édesanyja választási lehetőséget kapott: vagy szibériai száműzetés, vagy emigráció. A család Svájcban kötött ki egy bolsevik kolónián. Zürichben kezdődött a kémia iránti szenvedélye, de nem volt lehetőség az oktatásra, mivel tandíjat kellett fizetnie. Az első világháború elején Borisz visszatért Oroszországba, önként akart csatlakozni a hadsereghez, de egészségügyi okokból nem vették fel.
Belousov a Guzhon kohászati üzem kémiai laboratóriumában dolgozik (ma Kalapács és Sarló üzem), amelyet a híres orosz vegyész, V. N. vezetett. Ipatiev. Ez előre meghatározta a jövő tudós kutatásának irányát: a mérgező anyagok leküzdésére szolgáló módszerek kidolgozását, a gázmaszkok kompozícióit. Belousov katonai vegyész lett, 1923-tól kémiát tanított a Vörös Hadsereg Felső Katonai Vegyi Iskolájában (Munkások és Parasztok Vörös Hadserege, 1918-1946), általános és speciális kémiáról tartott előadásokat a Vezetői állományt javító Iskolában. a Vörös Hadsereg, majd az S.K.-ról elnevezett Vörös Zászló Katonai Akadémia vegyvédelmében. Timosenko.
Belousov katonai vegyész dandárparancsnoki rangot kapott, de 1935-ben hosszú szabadságot vett ki, 1938-ban pedig lemondott. Talán ez magyarázza azt a tényt, hogy Belousov maga nem szenvedett az 1937-1938 közötti tömeges elnyomás időszakában. Azonban sok kolléga és barát elvesztése kitörölhetetlen nyomot hagyott karakterében.
Belousov tudományos tevékenységének sajátossága olyan volt, hogy egyetlen tudományos munkája sem jelent meg sehol. Annak ellenére, hogy óriási mértékben járult hozzá a Szovjetunió "kémiai pajzsának" létrehozásához, és a munkáról szóló ragyogó áttekintéseket, amelyekben jelezték, hogy "B.P. Belousovnak számos, hasonlóan eredeti és érdekes tudományos munkája van, amelyek nem hagynak kétséget afelől, hogy értekezés megvédése nélkül is megérdemli a kémiai tudományok doktora fokozatát ", soha nem kapott diplomát. Borisz Pavlovics nehéz jelleme itt is megmutatkozott, „nem akart diplomát”. A sugárzás hatását csökkentő gyógyszerek létrehozásához való hozzájárulását magasan értékelték: a tudós felsőfokú végzettsége nélkül a laboratóriumot irányította, és doktori fizetést kapott.
A háború utáni években a biokémikusok által felfedezett ciklikus reakciók elemzése után Belousov úgy döntött, hogy kémiai analógiát készít a biológiai ciklusokról. A citromsav bromáttal katalizátor jelenlétében történő oxidációját vizsgálva a reagensek koncentráció-ingadozásait fedezte fel - így fedezték fel az oszcillációs reakciót. 1951-ben és 1955-ben Belousov kísérletet tett felfedezésének közzétételére a „Kinetics and Catalysis" és a „Journal of General Chemistry" folyóiratokban. Cikkeinek megjegyzései kategorikusan negatívak voltak, és mint később kiderült, ugyanolyan kategorikusan tévesek. köztudott, hogy ez annyira befolyásolta a tudóst, hogy egyszerűen kidobta a reakció laboratóriumi receptjét, és megfeledkezett róla.Néhány évvel később, amikor a biokémikusok érdeklődni kezdtek Belousov felfedezett reakciója iránt, vissza kellett állítania a szekvenciális felsorolással kapott eredményeket. Elmondhatjuk, hogy a felfedezést Belousov kétszer tette – először véletlenül, másodszor rendszerkeresés eredményeként.
De már nem akart aktívan részt venni a tudományos csoport munkájában. A kollégáknak csak annyit sikerült elérniük, hogy rávegyék Belousovot, hogy próbálja meg újra közzétenni cikkét. Ennek eredményeként a tudós egyetlen életre szóló publikációja a "Sugárgyógyászati absztraktok gyűjteményében" jelent meg 1958-ban.
B.P. Belousov nem sokkal halála előtt, 1970-ben otthagyta az intézetet, majd 1980-ban kémiai Lenin-díjat kapott.
Tapasztalat leírása
A Belousov-Zhabotinsky reakció az különböző redukálószerek önoszcillációs katalitikus oxidációja HB-brómsavval rO 3 . Ebben az esetben a katalizátor oxidált és redukált formáinak, valamint egyes köztes termékek koncentrációinak ingadozása figyelhető meg. A reakció savas környezetben, vizes oldatban megy végbe; katalizátorként változó oxidációs állapotú fémionokat, például cériumot vagy mangánt használnak. Redukálószerként a malonsav, acetilaceton stb.
Reagensek
· vas(II)-szulfát-heptahidrát FeSO 4 7 H 2 O (kristályos)
· cérium(III)-nitrát-hexahidrát Ce (NO 3) 3 . 6 H 2 O (kristályos)
· kálium-bromid KBr vizes oldata (2 mol/l vagy 12 g 50 ml oldatban), telített kálium-bromát KBrO 3 oldat (körülbelül 10 g/100 ml víz)
· tömény kénsav H 2 SO 4
· vizes malonsav CH 2 (COOH) 2 oldata (5 mol/l vagy 52 g 100 ml oldatban)
· o-fenantrolin (fen) C 12 H 12 N 2
· desztillált víz.
Edények és evőeszközök
Projektor, 30 x 30 cm-es üveglap, Petri-csésze, 100 ml-es mérőlombik, 250 ml-es Erlenmeyer-lombik csiszolt dugóval, hat pipetta, büretta, üvegrúd, alátét, szűrőpapír.
Tapasztalat előkészítés
A kísérlet bemutatásához készítsen két oldatot - A és B.
A - ferroin oldata - vas(II) komplex o-fenantrolinnal (fen).
Egy 100 ml-es mérőlombikba 0,70 g vas(II)-szulfát-heptahidrátot és 1,49 g o-fenantrolint adunk, az oldat térfogatát vízzel jelig beállítjuk és összekeverjük. Az oldatnak vörös színűnek kell lennie a 2+ összetételű fenantrolin komplex képződése miatt:
Fe 2+ + 3phen= 2+
és előre elkészíthető.
B - brómalonsav oldat (közvetlenül a bemutató előtt készítve). 3,3 ml kálium-bromid-oldatot (2 mol/l), 5 ml malonsav-oldatot (5 mol/l) és 5 ml tömény kénsavat pipettákkal bemérünk egy őrölt dugós Erlenmeyer-lombikba. A kapott oldatot bürettából titráljuk telített kálium-bromát-oldattal, a titráló minden egyes szabályos adagja után alaposan összekeverve, hogy a párhuzamos kapcsolási reakcióban felszabaduló brómra jellemző barna szín eltűnjön:
BrO3 - + 5Br - + 6 H + \u003d 3 Br 2 + 3 H 2 O
3 Br 2 + 10 CH 2 (COOH) 2 + 38 H 2 O \u003d 6 BrCH (COOH) 2 + 4 HCOOH + 8 CO 2 + 30 H 3 O +
A titráláshoz használt kálium-bromát oldat teljes térfogatának körülbelül 7,5 ml-nek kell lennie. A keletkező brómalonsav instabil, de alacsony hőmérsékleten egy ideig tárolható.
Vezetési tapasztalat
A kísérlet közvetlen demonstrálására a polylux fényablakot fedő üveglapra Petri-csészét helyezünk, amelybe egymás után 10 ml telített kálium-bromát oldatot, 4 ml bróm-malonsav oldatot és 1,5 ml ferroin oldatot teszünk. pipettával adagoljuk. Néhány percen belül kék területek jelennek meg piros alapon a csészében; ez egy másik komplex - 3+ képződésének köszönhető a 2+ komplex bromátionokkal való redoxreakciója során:
6 2+ + 6 H 3 O + + BrO 3 - = 6 3+ + 9 H 2O + Br -
Ez a folyamat automatikusan felgyorsul.
Ezután a keletkező 3+ komplex oxidálja a brómalonsavat bromidionok képződésével:
4 3+ + BrCH(COOH) 2 + 7 H 2 O = 2 CO 2 +5 H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 2+
A felszabaduló bromidionok gátolják a vas(II)-komplex bromátionok általi oxidációját. Csak amikor a 2+ koncentrációja kellően magas lesz, akkor a bromidionok gátló hatása megszűnik, és a bróm-malonsav kinyerésével és a komplex oxidációjával kapcsolatos reakciók újra megindulnak. A folyamat megismétlődik, és ez az oldat színében is megmutatkozik. A színezés koncentrikus kör alakú vörös-kék „hullámai” minden irányban eltérnek a csésze kék területeitől.
Ha a csésze tartalmát üvegrúddal összekeverjük, az oldat rövid időre monokromatikussá válik, majd a periodikus folyamat megismétlődik. Végül a reakció leáll a szén-dioxid felszabadulása miatt.
A Petri-csészébe az összes felsorolt reagens mellett hozzáadhat néhány cérium(III)-nitrát-hexahidrát kristályt; akkor a színválaszték kibővül: sárga szín jelenik meg a cérium (IV) származékai miatt, zöld - a kék és sárga színek kikényszerítése miatt.
6 Ce 3+ + 6 H 3 O + + BrO 3 - \u003d 6 Ce (OH) 2 2+ + 9 H 2 O + Br -
4 C e(OH) 2 2+ + BrCH(COOH) 2 + 7 H 2 O = 2 CO 2 +5 H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 Ce 3+
Melegítéskor az oszcillációs reakcióciklus lerövidül, gyorsabban megy végbe a színváltozás.
Megjegyzések
· A reakcióegyenletekben a Сe (OH) 2 2+ összetételű cérium (IV) származékát feltételesen írjuk; összetételét pontosabban tükrözi a képlet (4 - X )+ .
· Vas(II)-szulfát-heptahidrát helyett Mohr-sót használhatunk oldat készítéséhez A - vas(II)-ammónium-szulfát (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6 H 2 O összetételű kristályos hidrát 0,99 g azonos vízmennyiség esetén.
A kémia legtöbbünk számára nagyon unalmas tudománynak tűnik. Olyan ez, mint a számítások, de számok helyett betűk. Egyedülálló pszichomerre van szükség ahhoz, hogy izgatott legyen az ábécé matematikai feladatok megoldásában. De keressen rá a YouTube-on a „kémia” szóra, és olyan igazán elképesztő dolgokat fog látni, amelyek minden bizonnyal feldobják a fejüket.7. A brómsav hipnotizálása
A kereskedője nincs a városban, és hiányzik a napi LSD adag? Nincs mit. Csak két egyszerű anyagra és egy Petri-csészére van szüksége ahhoz, hogy saját kezűleg ne virtuális, hanem valódi lávalámpát alkosson. Ez egy vicc, különben befutnak, zárják be az oldalt ...
A tudomány szerint a Belousov-Zhabotinsky reakció egy „oszcillációs kémiai reakció”, amelyben „az átmeneti csoport fémionjai katalizálják a különféle, általában szerves redukálószerek brómsavval történő oxidációját savas vizes közegben”, ami lehetővé teszi „a megfigyelést szabad szemmel összetett tér-idő struktúrák kialakulása." Ez a tudományos magyarázata annak a hipnotikus jelenségnek, amely akkor következik be, amikor egy kis brómot egy savas oldatba dobnak.
A sav a brómot bromiddá alakítja (amely teljesen más árnyalatot vesz fel), viszont a bromid gyorsan visszaváltozik brómmá, mert a benne élő tudományos manók túlságosan makacs seggfejek. A reakció újra és újra megismétlődik, lehetővé téve, hogy végtelenül figyelje a hihetetlen hullámzó struktúrák mozgását.
6. Az átlátszó vegyszerek azonnal feketévé válnak
K: Mi történik, ha összekeverünk nátrium-szulfitot, citromsavat és nátrium-jodidot? Helyes válasz lent:
Ha a fent említett összetevőket bizonyos arányban összekeverjük, akkor egy hangulatos folyadékot kapunk, amely kezdetben átlátszó színű, majd hirtelen feketévé válik. Ezt a kísérletet "jódóra"-nak hívják. Egyszerűen fogalmazva, ez a reakció akkor következik be, amikor bizonyos komponenseket úgy kombinálnak, hogy koncentrációjuk fokozatosan megváltozik. Ha elér egy bizonyos küszöböt, a folyadék feketévé válik.
De ez még nem minden. Az összetevők arányának megváltoztatásával visszajelzést kaphat:
Ezenkívül különféle anyagok és formulák (például a Briggs-Rauscher reakció) segítségével olyan skizofrén keveréket hozhat létre, amely folyamatosan sárgáról kékre változtatja a színét.
5. Plazma létrehozása a mikrohullámú sütőben
Szeretnél valami szórakoztatót csinálni a barátoddal, de nincs hozzáférésed egy csomó ismeretlen vegyszerhez vagy a biztonságos keveréshez szükséges alapismeretekhez? Ne ess kétségbe! Ehhez a kísérlethez nem kell más, mint a szőlő, egy kés, egy pohár és egy mikrohullámú sütő. Tehát vegyünk egy szőlőt és vágjuk félbe. Az egyik darabot egy késsel ismét két részre osztjuk úgy, hogy ezek a negyedek a héjhoz kötve maradjanak. Tedd be őket a mikrohullámú sütőbe, és fedd le egy fejjel lefelé fordított pohárral, kapcsold be a sütőt. Ezután lépjen egy lépést hátra, és nézze meg, ahogy az idegenek ellopják a levágott bogyót.
Valójában, ami a szeme előtt történik, az az egyik módja annak, hogy nagyon kis mennyiségű plazmát hozzon létre. Iskolából tudjuk, hogy az anyagnak három halmazállapota van: szilárd, folyékony és gáznemű. A plazma valójában a negyedik típus, és egy közönséges gáz túlhevítésével nyert ionizált gáz. Kiderült, hogy a szőlőlé ionokban gazdag, ezért az egyik legjobb és legmegfizethetőbb eszköz az egyszerű tudományos kísérletek elvégzésére.
Legyen azonban óvatos, amikor a mikrohullámú sütőben próbál plazmát létrehozni, mert az üveg belsejében képződő ózon nagy mennyiségben mérgező lehet!
4. Lamináris áramlás
Ha összekevered a kávét tejjel, akkor olyan folyadékot kapsz, amelyet valószínűleg soha többé nem fog tudni szétválasztani alkotóelemeire. És ez minden folyékony halmazállapotú anyagra vonatkozik, igaz? Jobb. De van olyan, hogy lamináris áramlás. Ha látni szeretné ezt a varázslatot, csak helyezzen néhány csepp többszínű festéket egy átlátszó tartályba kukoricasziruppal, és óvatosan keverje össze mindent ...
... majd újra keverjük ugyanabban a tempóban, de most az ellenkező irányba.
Lamináris áramlás minden körülmények között és különböző típusú folyadékok esetén előfordulhat, de ebben az esetben ez a szokatlan jelenség a kukoricaszirup viszkózus tulajdonságainak köszönhető, amely színezékekkel keverve sokszínű rétegeket képez. Tehát, ha ugyanolyan óvatosan és lassan hajtja végre a műveletet az ellenkező irányba, akkor minden visszatér az eredeti helyére. Ez olyan, mint az időutazás!
3. Eloltott gyertya meggyújtása füstös ösvényen keresztül
Ezt a trükköt otthon is kipróbálhatja anélkül, hogy felrobbanná a nappalit vagy az egész házat. Gyújts egy gyertyát. Fújd ki, és azonnal hozz tüzet a füstös ösvényre. Gratulálunk: sikerült, most a tűz igazi mestere vagy.
Kiderült, hogy van némi szerelem a tűz és a gyertyaviasz között. És ez az érzés sokkal erősebb, mint gondolnád. Nem számít, milyen állapotban van a viasz – folyékony, szilárd, gáznemű – a tűz akkor is megtalálja, utoléri és a pokolba égeti.
2. Összetörve világító kristályok
Itt van egy europium-tetrakisz nevű kémiai anyag, amely a tribolumineszcencia hatását mutatja be. Azonban jobb egyszer látni, mint százszor elolvasni.
Ez a hatás a kristályos testek pusztulása során jelentkezik a kinetikus energia közvetlen fénnyé történő átalakulása miatt.
Ha mindezt a saját szemeddel szeretnéd látni, de nincs kéznél europium-tetrakisz, akkor mindegy: a legközönségesebb cukor is megteszi. Csak üljön le egy sötét szobában, tegyen néhány kockacukrot a turmixgépbe, és élvezze a tűzijáték szépségét.
A 18. században, amikor sokan azt hitték, hogy a szellemek vagy a boszorkányok vagy a boszorkányok szellemei tudományos jelenségeket okoznak, a tudósok ezt a hatást arra használták, hogy trükköt űzzenek a "puszta halandókon" úgy, hogy sötétben rágták a cukrot, és kinevették azokat, akik elmenekültek előlük. mint a tűztől..
1. Vulkánból előbukkanó pokoli szörny
A higany-tiocianát (II) egy ártatlannak tűnő fehér por, de amint felgyújtják, azonnal mitikus szörnyeteggé változik, amely készen áll arra, hogy felfaljon téged és az egész világot.
Az alábbi képen látható második reakciót az ammónium-dikromát égése okozza, ami egy miniatűr vulkánt eredményez.
Nos, mi történik, ha a fenti két vegyszert összekevered és felgyújtod? Nézd meg magad.
Azonban ne próbálkozzon otthon ezekkel a kísérletekkel, mivel mind a higany(II)-tiocianát, mind az ammónium-dikromát nagyon mérgező, és súlyos egészségkárosodást okozhat, ha megégeti. Vigyázz magadra!
Az önszerveződés, mint az evolúció elemi folyamata
A modern elképzelések szerint az evolúció elemi folyamata az önszerveződés. Azt mondhatjuk, hogy az evolúció lényegében az önszerveződési folyamatok végtelen sorozatából áll. A szó tág értelmében Az önszerveződés alatt a természetnek azt a tendenciáját értjük, amely a kevésbé bonyolulttól az anyag szerveződésének összetettebb és rendezettebb formái felé halad. Szűkebb értelemben Az önszerveződés egy nyitott, nem egyensúlyi rendszer spontán átmenete az egyszerű és rendezetlen szerveződési formáktól a bonyolultabb és rendezettebbek felé. Az önszerveződő rendszereknek meg kell felelniük bizonyos követelményeknek: 1) nem kell egyensúlyban lenniük, vagy olyan állapotban kell lenniük, amely távol áll a termodinamikai egyensúlytól; 2) nyitottnak kell lenniük, és kívülről beáramló energiát, anyagot és információt kell kapniuk. G. Haken szerint egy rendszer akkor nevezhető önszerveződőnek, ha sajátos külső befolyás nélkül szerez valamilyen térbeli, időbeli vagy funkcionális struktúrát. Konkrét külső hatás alatt azt értjük, amely struktúrát vagy működést kényszerít a rendszerre.
A közelmúltban a nyílt rendszerekben való önszerveződés lényegét a természettudomány egy új területén tanulmányozták - szinergetika, amely lefedi mindazokat a problémákat, amelyek az alrendszerek korrelált viselkedésének eredményeként összetett rendszerekben rendezett struktúrák kialakulásával kapcsolatosak. Fő gondolatai E. Schrödingerhez, A.M. Turing, L. von Bertalanffy, I. Prigogine, M. Eigen és G. Haken. Úgy gondolják, hogy a szinergetika létrejötte szempontjából az alábbi tudományágak módszertanának fejlesztése és fejlesztése volt döntő jelentőségű: az irreverzibilis folyamatok termodinamikája nyílt rendszerekben; nemlineáris mechanika, elektrofizika és lézerfizika; erősen nem egyensúlyi folyamatok kémiai kinetikája; a populációk evolúciója az ökológiában; nemlineáris szabályozáselmélet, kibernetika és rendszerelemzés. A fenti lista megerősíti a szinergetika interdiszciplináris jellegét. A szinergetikusnak tekintett önszerveződő rendszerek lényegének megértéséhez emlékezzünk arra, hogy zárt rendszereket különböztetnek meg, amelyek nem cserélnek anyagot, energiát és információt a környezettel. Nézzünk meg néhány egyszerű példát a nyílt rendszerekben történő rendezésre (önszerveződésre).
Példa1. Konvektív instabilitás vagy Benard instabilitás. Hagyja, hogy a folyékony réteget alulról melegítse, miközben a hőmérsékletet fentről tartsa állandó. Kis hőmérsékletkülönbség mellett a hővezető képesség miatt hőátadja, és a folyadék nyugalomban marad. Ahogy a folyadék fűtött részei kitágulnak, sűrűségük kisebb, és felfelé úsznak, lehűlnek és visszasüllyednek az aljára. Ez a mozgás rendben van. Ebben az esetben vagy hengeres, vagy hatszögletű sejtek képződnek.
2. példa Belousov - Zhabotinsky reakciójában térbeli, időbeli vagy téridő struktúrák is kialakulnak. A megvalósításhoz keverje össze a Ce2 (SO4) 3, KBrO3, CH2 (COOH) 2, H2SO4 keverékeket, és adjon hozzá néhány csepp ferroint (redox indikátor). A kapott homogén keveréket kémcsőbe öntjük, ahol azonnal megindulnak az időbeli oszcillációk. Az oldat színe időnként megváltozik - pirosról, ami a Ce3+ feleslegét jelzi, kékre, ami a Ce4+ feleslegének felel meg. Mivel a reakció zárt rendszerben megy végbe, végül homogén egyensúlyi állapotba kerül.
3. példa Spirálhullámok
Belousov-Zhabotinsky reakció
A Belousov-Zhabotinsky önoszcillációs reakció nagyon széles körben ismert nemcsak a tudományos világban. Iskolások és diákok, és csak érdeklődő emberek egyaránt ismerik. Egy pohár vörös-lila folyadék hirtelen élénkkék, majd ismét vörös-lila színűvé válik. És megint kék. És amikor a folyadékot vékony rétegben öntik, a színváltozás hullámai terjednek benne. Összetett minták alakulnak ki, körök, spirálok, örvények, vagy minden teljesen kaotikus megjelenést kölcsönöz.
Ez a reakció több mint 40 éve ismert. 1951-ben nyitotta meg Borisz Pavlovics Belousov.
A reakcióelegy színváltozása a Belousov-Zhabotinsky reakcióban ferroinnal. A bemutatott rendszerben (kémcsőben) az oszcillációk gyorsan csökkennek.
Egy kicsiben tartózkodás ideje, nem szabad kiegyenlíteni az előre és fordított reakciók sebességét. Ahol a rendszer viselkedése nem egyensúlyi lesz.
Hosszú tartózkodási idővel a rendszerben homogén stacioner állapot jön létre - a koncentrációk időben állandóak maradnak. Ez a kémiai egyensúly állapota - a hővezetési mód analógja (∆Т<Т с) в системе Бенара.
Kísérlet
Zárt edényben intenzív keverés mellett rövid induktív periódus után a koncentráció ingadozása és ingadozása következik be. A tipikus kísérleti görbék az 1. ábrán láthatók. Az oszcillációk kezdete „kemény gerjesztés” jellegű. A rendszerben egy szubkritikus Andrionov-Hopf bifurkáción megy keresztül. A platinaelektródán regisztrált ionok koncentrációjának ingadozása állandó amplitúdójú. A bromidelektróda amplitúdónövekedést regisztrál, maximális értéke két nagyságrenddel az ionkoncentráció különbségének felel meg, az oszcillációk alakja idővel némileg változik, a periódus 1,5 óra elteltével 2 percre nő. Ezt követően az oszcillációk amplitúdója fokozatosan csökken, szabálytalanná válnak, és nagyon lassan tűnnek el.
1. ábra. Kísérletileg megfigyelt leolvasások egy platinaelektródáról (a) és egy elektródáról, amely rögzíti a fordidionok áramát (b)
A megfigyelt folyamatok első modelljét A. M. Zhabotinsky javasolta. Az általa vizsgált reakcióciklus két szakaszból áll (I) - a háromértékű cérium oxidációja bromáttal: Ce 3+ BrO 3 Ce 4+ (I)
A második szakasz (II) a négyértékű cérium redukciója malonsavval:
Ce 4+ + CHBr(COOH) 2 Ce 3+ + Br - + egyéb termékek (II)
Az I. lépésben keletkezett bromát redukciós termékeket brómozzuk. A keletkező brómszármazékokat izolálással megsemmisítjük. A bromid erősen gátolja a reakciót. Az önoszcilláló reakció sémája minőségileg a következőképpen írható le. Legyenek ionok a rendszerben. Ezek katalizálják a (II) szakasz kialakulását, amely kölcsönhatásba lép az I. reakció Y-részecskéivel, és kikerül a rendszerből. Ha a koncentráció elég magas, az I. reakció teljesen leáll. Ha a II. reakció eredményeként az ionok koncentrációja egy küszöbértékre csökken, a koncentráció csökken, ezáltal megszűnik az I. reakció blokkolása. Az I. reakció sebessége nő, a koncentráció pedig nő. A felső küszöbérték elérésekor a koncentrációja is magas értékeket ér el, és ez a reakció blokkolásához vezet. Stb.
Benard sejtek
Vegyünk egy példát a „Benard-sejtek” nevű térszerkezet kialakulására (2. ábra).
A Benard-sejtek egy kritikus hőmérséklet-különbségnél keletkeznek, amely a folyadék felső és alsó rétege között jelentkezik, amikor felmelegítik (a folyadék a küvettában van).
Amíg a hőmérséklet-különbség nem érte el a kritikus értéket, a hő vezetés útján terjed, a folyadék felülete álló.
Rizs. 2. Szabályos hatszögletű kép. 3. Teljes függőségek
Az egységenkénti J hőáram sejtek a folyadék felületén
(Benard-cellák) az idő a hőmérséklet-különbségre
A hőmérsékletkülönbség kritikus értékéhez közeledve konvekció (cirkuláció) lép fel, és hatszögletű sejtek jelennek meg a folyadék felszínén. A cellán belül a folyadék felfelé mozog, a szélek mentén pedig lefelé (3. ábra). A sejtek megjelenése önszerveződő folyamat.
Az időszerkezetre példa a Belousov-Zhabotinsky reakció. A reakciót bromátból (KBr), bróm-malonsavból és cézium-szulfátból (Ce) álló reakcióelegyben figyeljük meg.
A keveréket citromsavban vagy kénsavban kell feloldani. 4 perc elteltével az oldat színe kékről pirosra változik (és fordítva). Ez a cériumionok redukciójával összefüggésben fordul elő.
Az oldat színének váltakozása idővel kialakuló önszerveződő folyamat.
A tér-idő szerkezetre példa a glikolitikus ciklus, a cukor felszívódása egy élő szervezetben.
spirális hullámok
A laboratóriumban kifejlesztettek egy olyan technikát, amely lehetővé teszi, hogy az egyik hullám csúcsát a Petri-csésze határán túlra vigyük, és ezt követően egyetlen spirálhullám alakulását figyeljük meg, amelynek a „csúcsa” (csúcs) összetett térbeli mozgások esetén a pálya a megvilágítási módtól függ (Grill et al., 1995).
Állandó megvilágítás mellett a hegy egy cikloidot ír le négy "szirmával" (4. ábra). Vizsgálták a fényimpulzusok hatását a spirálhullám csúcsának pályájára. Az impulzusokat abban a pillanatban alkalmaztuk, amikor a hullámfront elért egy bizonyos pontot (az ábrán kereszttel jelölt), vagy egy meghatározott késleltetéssel.
Rizs. 4 A kísérletben a fényérzékeny BZ-reakcióhoz kapott kétféle spirálhullámcsúcs trajektória.
Kétféle módot figyeltek meg. Abban az esetben, ha a „mérési pont” közel volt a zavartalan pálya középpontjához, egy idő után a csúcs mozgása aszimptotikus pályára állt, a középpont a „mérési pont”-ban van, míg a mérőpont helyzete közötti távolság. csúcsa és a mérési pont nem haladta meg a cikloid hurok méreteit (4. a. ábra) A visszacsatolás jelenléte szinkronizáláshoz vezetett - a pulzáló fény expozíciós időtartamát egyenlőnek állítottuk be azzal az idővel, amely alatt a spirálhullám csúcsa leírt egyet. a cikloid hurka.
Abban az esetben, ha a mérési pont viszonylag távol volt a zavartalan pálya középpontjától, a spirál csúcsa egy 4 levelű cikloid sodrására emlékeztető pályát írt le egy nagy sugarú kör mentén, amelynek középpontja ismét a „mérési pont”. Mindkét mód stabilnak bizonyult a mérési pont kis elmozdulásait tekintve, vagyis vonzerőt jelent. Hasonló eredményt kapunk, ha a fényimpulzust némi késéssel alkalmazzuk a hullámnak a mérési ponton való áthaladásának pillanatához képest. A "nagy kör" sugara, amely mentén a cikloid mozog, a késleltetési idő növekedésével növekszik.
Példák önszerveződésre a legegyszerűbb rendszerekben: Benard-sejtek, Belousov-Zhabotinsky reakció. spirális hullámok.
A modern elképzelések szerint az evolúció elemi folyamata az önszerveződés. Azt mondhatjuk, hogy az evolúció lényegében az önszerveződési folyamatok végtelen sorozatából áll. A szó tágabb értelmében az önszerveződést a természetnek a kevésbé bonyolulttól a bonyolultabb és rendezettebb anyagszerveződési formák felé történő fejlődési tendenciájaként értjük. A közelmúltban a nyílt rendszerekben való önszerveződés lényegét a természettudomány egy új területén - a szinergetikában - tanulmányozták, amely lefedi az összes olyan problémát, amely az alrendszerek korrelált viselkedésének eredményeként összetett rendszerekben rendezett struktúrák kialakulásával kapcsolatos. .
Ahhoz, hogy megértsük a szinergetika által figyelembe vett önszerveződő rendszerek lényegét, nézzünk meg néhány egyszerű példát a nyílt rendszerekben való rendeződésre (önszerveződésre).
