Войти
Перемешанная реакционная смесь BZ, показывающая изменения цвета во времени A химический осциллятор представляет собой сложную смесь реагирование химических соединений, в которых концентрация одного или нескольких компонентов демонстрирует периодические изменения. Они представляют собой класс реакций, которые служат примером неравновесной термодинамики с далеким от равновесия поведением. Реакции теоретически важны, поскольку они показывают, что в химических реакциях не обязательно должно доминировать равновесное термодинамическое поведение.
В случаях, когда один из реагентов имеет видимый цвет, могут наблюдаться периодические изменения цвета. Примерами колебательных реакций являются реакция Белоусова – Жаботинского (BZ), реакция Бриггса – Раушера и реакция Брея – Либхафского.
Самые ранние научные доказательства того, что такие реакции могут колебаться, были встречены с крайним скептицизмом. В 1828 г. Г. Фехнер опубликовал отчет о колебаниях в химической системе. Он описал электрохимическую ячейку, производящую колебательный ток. В 1899 г. У. Оствальд заметил, что скорость растворения хрома в кислоте периодически увеличивается и уменьшается. Обе эти системы были гетерогенными, и тогда и на протяжении большей части прошлого века считалось, что гомогенных колебательных систем не существовало. Хотя теоретические дискуссии начались примерно с 1910 года, систематическое изучение осциллирующих химических реакций и более широкой области нелинейной химической динамики получило широкое распространение только в середине 1970-х годов.
Химические системы не могут колебаться около положения окончательного равновесия, потому что такие колебания нарушили бы второй закон термодинамики. Для термодинамической системы, которая не находится в состоянии равновесия, этот закон требует, чтобы система приближалась к равновесию и не отступала от него. Для замкнутой системы при постоянной температуре и давлении термодинамическое требование состоит в том, чтобы свободная энергия Гиббса должна непрерывно уменьшаться, а не колебаться. Однако возможно, что концентрации некоторых промежуточных продуктов реакции колеблются, а также что скорость образования продуктов колеблется.
Теоретические модели колебательных реакций изучались химиками, физиками и математики. В колеблющейся системе реакция высвобождения энергии может проходить по крайней мере двумя разными путями, и реакция периодически переключается с одного пути на другой. Один из этих путей производит определенное промежуточное соединение, а другой - потребляет его. Концентрация этого промежуточного звена вызывает переключение путей. Когда концентрация промежуточного соединения низкая, реакция идет по пути продуцирования, приводя затем к относительно высокой концентрации промежуточного соединения. Когда концентрация промежуточного соединения высока, реакция переключается на путь потребления.
Были созданы различные теоретические модели для этого типа реакции, включая модель Лотки-Вольтерра, Брюсселатор и Орегонатор. Последний был разработан для моделирования реакции Белоусова-Жаботинского.
A реакция Белоусова-Жаботинского - одна из нескольких колеблющихся химических систем, общим элементом которого является включение брома и кислоты. Существенным аспектом реакции BZ является ее так называемая «возбудимость» - под влиянием стимулов паттерны развиваются в том, что в противном случае было бы идеально спокойной средой. Некоторые часовые реакции, такие как реакции Бриггса – Раушера и BZ с использованием химического бипиридила рутения в качестве катализатора, могут быть возбуждены до самоорганизующейся активности под влиянием свет.
Борис Белоусов впервые заметил где-то в 1950-х, что в смеси бромата калия, сульфата церия (IV), пропандиовой кислоты (другое название малоновой кислоты) и лимонной кислоты в разбавленной серной кислоте, соотношение концентраций ионов церия (IV) и церия (III) колебалось, в результате чего цвет раствор колеблется между желтым раствором и бесцветным раствором. Это происходит из-за того, что ионы церия (IV) восстанавливаются пропандиовой кислотой до ионов церия (III), которые затем окисляются обратно до ионов церия (IV) ионами бромата (V).
Колебательная реакция Бриггса – Раушера - одна из небольшого числа известных осциллирующих химических реакций. Он особенно хорошо подходит для демонстрационных целей из-за его ярких визуальных изменений цвета: свежеприготовленный бесцветный раствор медленно приобретает янтарный цвет, внезапно превращаясь в очень темно-синий. Он медленно превращается в бесцветный, и процесс повторяется примерно десять раз в наиболее популярной рецептуре.
Реакция Брея – Либхафски - это химические часы, впервые описанные У. К. Брэем в 1921 году с окислением от йода до йодата :
и восстановление йодата обратно в йод:
