Реакция белоусова жаботинского реферат

Обновлено: 06.07.2024

В науку химию влюбляются в детстве, как в роковую женщину. Влюбляются или из-за красоты разноцветных превращений вещества или из-за эффектности взрыва самодельно произведенной взрывчатки. Я хочу рассказать историю о великих химиках и об их замечательном открытии. В этой истории все тоже начинается со взрывчатки, а заканчивается удивляющей глаз и ум красотой.

Итак, в 1905 году 12-летний москвич Борис Белоусов вместе со своими старшими братьями попал в тюрьму за производство взрывчатки. Взрывчаткой этой начиняли гранаты, которые использовали боевики и дружинники на восставшей Пресне. По нынешним временам этот практикум по химии назвали бы подготовкой к террористическим актам. Ребята производили небезопасные (во всех смыслах) опыты на чердаке большого дома, в котором проживала семья Белоусовых. Семейство было не из бедных. Отец работал банковским служащим.

В советское время легенду о том, что Борис Белоусов, живя в русской эмигрантской колонии в Цюрихе, играл в шахматы с самим Лениным, произносили бы с придыханием. В наше непочтительное к вождям время всплывают другие детали. Б.Белоусов вспоминал, что Ленин играл азартно и, желая победить, не брезговал психологическим прессингом: ругал противника на чем свет стоит. Ну, как тут не вспомнить рассказ знаменитого гроссмейстера О.Бендера!

Вы знаете, Ласкер дошел до пошлых вещей, с ним стало невозможно играть. Он обкуривает своих противников сигарами. И нарочно курит дешевые, чтобы дым противней был. Шахматный мир в беспокойстве.

Впрочем, Борис Павлович Белоусов (1893 – 1970) на этом свою революционную деятельность закончил. В большевистскую партию он не вступил ни до 1917 года, ни после. А поступил он в знаменитый Цюрихский политехнический институт, который и закончил в 1914 году.

Занятия в Цюрихском политехе были бесплатными, но вот за диплом надо было платить. За отстутствием денег Борис Белоусов диплом выкупать не стал и в 1914 году возвратился в Россию со справкой о прослушанных курсах.

Именно здесь Борис Павлович столкнулся с чудесами советской бюрократии. Отдел кадров вдруг обнаружил, что у заведующего лабораторией нет диплома о высшем образовании. Уволить Белоусова не решились, но перевели на должность старшего лаборанта. Естественно, не освободив от обязанностей завлаба. Впрочем, директор института был на стороне Бориса Павловича. Он написал докладную на имя Сталина, и вождь наложил резолюцию: пока Белоусов занимает должность заведующего, платить ему, как заведующему лабораторией и доктору наук.

Главное открытие, принесшее ему мировую известность, Б.П.Белоусов совершил в 58 лет. Случай в науке редкий. До пенсии недалеко, какие уж тут открытия?

К этому времени в биохимии были открыты так называемые колебательные реакции. Схематически эти реакции выглядят так. В одном сосуде одновременно происходят как минимум две реакции. Причем продукты первой реакции являются исходными реагентами для второй. В свою очередь, продукты второй реакции являются исходными реагентами для первой. Что при этом должно происходить? В начале скорость первой реакции будет велика, но с течением времени ее ход замедлится, поскольку уменьшится концентрация исходных реагентов. В то же время начнет возрастать скорость второй реакции – ведь количество ее исходных реагентов, продуктов первой реакции, возросло. По мере хода второй реакции ее исходные реагенты исчерпаются, реакция замедлится, зато теперь снова ускорится первая реакция – ведь у нее снова появились исходные реагенты. И так далее до бесконечности. Концентрация реагентов все время будет колебаться – то возрастать, то убывать. Потому и реакции назвали колебательными.

Борис Павлович придумал такую же колебательную реакцию, но протекающую с неорганическими веществами. Подобную реакцию было проще осуществить и проще изучить. Выглядела же она просто волшебно, особенно, если проводить реакцию в тонком слое жидкости, например в чашке Петри. По поверхности при этом бегут волны изменения концентрации, образуя причудливые, все время изменяющиеся узоры. Завораживающе красивое зрелище!

Человек более молодой и менее потрепаный жизнью, вероятно, мог бы возразить рецензенту. Составить акт о том, что описываемое в статье явление имеет место. Наконец, приехать в редакцию с колбами и реактивами, чтобы продемонстрировать все неверам-рецензентам. Но генерал Белоусов почел ниже своего достоинства доказывать, что он не верблюд. Хотя работу над своим открытием продолжал.

В 1964 году вышла статья А.М.Жаботинского, в которой подводились итоги выполненных исследований. Важность этой статьи была еще в том, что она закрепляла приоритет советской науки в области колебательных химических реакций. Буквально через год эта тема стала очень модной и число статей на эту тему начало исчисляться сотнями. Реакция Белоусова – Жаботинского стала всемирно известной. По-английски ее называют BZ реакцией.

1 Лекция 17 РЕАКЦИЯ БЕЛОУСОВА-ЖАБОТИНСКОГО Колебательная реакция Белоусова. Эксперимент. Локальные модели. Поведение концентраций реагентов во времени. Модель Жаботинского. Пространственновременные режимы в системе Белоусова-Жаботинского. Модель Филда-Нойеса (орегонатор). Пространственно-временные режимы в системе Белоусова- Жаботинского. Управление траекторией кончика спиральной волны. Аналогия с волнами в сердце 1

4 период удлиняется до 2 мин через 1.5 часа. После этого амплитуда колебаний постепенно уменьшается, они становятся нерегулярными, и очень медленно исчезают. Рис Экспериментально наблюдаемые показания, снятые с платинового электрода [Ce 4+ ], (а) и электрода, регистрирующего ток ионов бромида [Br ] (б). Начальные концентрации реагентов: [BrO 3 ] = M; [малоновая кислота] = M; [Ce(IV)] = M. Максимальная амплитуда колебаний на электроде 100 мв, что соответствует изменению концентрации в 100 раз, период колебаний около 1 мин (Gray and Scott, 1994) Первая модель наблюдаемых процессов была предложена А.М.Жаботинским. Рассмотренный им цикл реакции состоит из двух стадий. Первая стадия (I) окисление трехвалентного церия броматом: Ce 3 BrO 3 4 Ce (I) Вторая стадия (II) восстановление четырехвалентного церия малоновой кислотой: Ce CHBr(COOH) Ce Br другие продукты (II) Продукты восстановления бромата, образующиеся на стадии I, бромируют МК. Получающиеся бромпроизводные МК разрушаются с выделением [Br ]. Бромид является сильным ингибитором реакции. Схема автоколебательной реакции может быть качественно описана следующим образом. Пусть в системе имеются ионы [Ce 4+ ]. Они катализируют образование [Br ] (стадия II), который взаимодействует с частицами Y реакции I и выводится из системы. Если концентрация [Br ] достаточно велика, реакция I полностью заблокирована. Когда концентрация ионов [Ce 4+ ] в результате реакции II уменьшится до порогового значения, концентрация [Br ] падает, тем самым снимается блокировка реакции I. Скорость реакции I возрастает, и возрастает концентрация [Ce 4+ ]. При достижении верхнего порогового значения [Ce 4+ ] концентрация [Br ] также достигает больших значений, и это приводит снова к блокировке реакции I. И так далее (рис. 17.2). 4

5 Рис Схема автокаталитической реакции окисления малоновой кислоты (МК) Локальные модели. Поведение концентраций реагентов во времени. Модель Жаботинского Предложенная В.М.Жаботинским для описания процесса модель (Жаботинский, 1974) включает три переменных: концентрацию ионов [Ce 4+ ] (x), концентрацию автокатализатора стадии I промежуточный продукт восстановления бромата до гипобромита (y) и концентрацию бромида ингибитора стадии I (z). Схема процессов представляется в виде: В модели учитывается, что общая концентрация ионов церия является постоянной величиной: [Ce 4+ ] + [Ce 3+ ] = с. Предполагается, что скорость автокаталитической реакции пропорциональна концентрации [Ce 3+ ]. Модель для безразмерных концентраций имеет вид: dx kyc 1 ( x) kx 3, dy kyc 1 ( x) kyz 2 k5, (17.1) dz 2 kx 3 k6ky 7 k8 xkz 4, где k 1 = k 1 k 3, а член k 6 (k 7 y k 8 ) 2 x подобран эмпирически таким образом, чтобы пороговые значения x в модели соответствовали экспериментальным значениям. Учет иерархии констант скоростей реакций позволяет заменить дифференциальное уравнение для переменной z алгебраическим и после введения безразмерных переменных прийти к системе двух уравнений: 5

6 dx y(1 x) x, (17.2) dy 2 y1x1 y c В уравнениях (17.2) ε малый параметр, поэтому форма колебаний релаксационная. Фазовый портрет системы представлен на рис. 17.3а. На рис. 17.3б показаны колебания переменной x, соответствующей безразмерной концентрации ионов Се 4+. Рис а фазовый портрет системы (17.2). Пунктиром обозначены нуль-изоклины, жирной линией предельный цикл. x безразмерная концентрация ионов Се 4+. y безразмерная концентрация автокатализатора быстрая переменная. б кинетика концентрации ионов Се 4+ релаксацонные колебания. N, M наименьшее и наибольшее значение переменной, Т 1, Т 2 время нарастания и убывания концентрации ионов Се 4+. Т период колебаний (Жаботинский, 1974) Пространственно-временные режимы в системе Белоусова-Жаботинского 6

10 а б в Рис Различные пространственные режимы в реакции Белоусова-Жаботинского г На каждой серии рисунков (а-г) показано последовательное развитие процессов во времени (Жаботинский, 1975) Встает вопрос, можно ли с помощью внешних воздействий влиять на развитие этих сложных структур во времени и пространстве. Воздействия заключаются в изменении скорости притока конечных и промежуточных веществ в сферу реакции, различных режимах постоянного и периодического освещения, радиоактивном облучении частицами высокой энергии. Такие исследования имеют большой практический смысл. Они позволяют находить способы управления автоволновой активностью и помогают искать режимы воздействия на спиральные волны в активной ткани сердца, распад которых 10

16 Рис Трехмерный вращающийся вихрь (реентри) в желудочках собаки (а, б), модель (Aliev and Panfilov, 1996) и в реакции Белоусова-Жаботинского, эксперимент (в,г) (Алиев, 2008). Сложная форма вихря в трехмерной модели возникает из-за сложной геометрии и анизотропии среды желудочков Более полувека продолжается экспериментальное и теоретическое исследование BZ-реакции. Экспериментально изучаются диссипативные структуры разного рода, колебательные стоячие кластеры, стоячие волны, локализованные структуры и много других. Современное состояние науки в этой области отражает монография Владимира Карловича Ванага (Ванаг, 2008), к которой приложен CD-диск с программным обеспечением и примерами реализации замечательных пространственно-временных структур, наблюдаемых в реакции Белоусова-Жаботинского и подобных системах. Литература 16

Реакция Белоусова-Жаботинского. Концепции современного естествознания ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

В 1951 г. Б. П. Белоусов , изучая простую реакцию между броматом калия и лимонной кислотой в присутствии катализатора, обнаружил, что она идет не монотонно, как обычные реакции. Окраска реакционной смеси изменялась от исходной бесцветной до конечной желтой — и обратно! Белоусов наблюдал несколько десятков периодов колебаний. В открытие не сразу поверили, поскольку это была первая открытая реакция, которая в однородной смеси сама по себе идет в колебательном режиме.

Аналогично явлению Бенара реакция Белоусова не стала фундаментальным химическим открытием, т. е. таким, которое заставляет создавать новую теорию. А. М. Жаботинский показал, что колебательный режим реакции допускается обычными уравнениями химической кинетики, если хотя бы одна из промежуточных стадий реакции является автокаталитической, т. е. если какой-то из ее продуктов ее же ускоряет.

Значение открытия Белоусова-Жаботинского заключается в том, что оно продемонстрировало самоорганизацию в простейшей химической системе. Периодичность — один из видов упорядоченности. Спонтанные химические колебания — это упорядоченная структура, неоднородность, только развернутая не в пространстве, а во времени.

В 1970 г. Жаботинский и Заикин обнаружили, что в системе Белоусова-Жаботинского возможна не только временная, но и пространственная самоорганизация. Они отказались от традиционного перемешивания раствора и просто налили его тонким слоем в чашку Петри. Оказалось, что реакция не идет синхронно по всей чашке. Изменение окраски сначала происходит в какой-то одной точке — так называемом ведущем центре, от которого затем распространяется во все стороны. Форма линии раздела между областями, окрашенными по-разному, представляет собой фрагмент спирали. Формируется спиральная волна, вращающаяся вокруг ведущего центра со скоростью порядка одного оборота за несколько минут.

Тем временем в объеме раствора могут возникнуть еще несколько ведущих центров, вокруг каждого из которых формируется своя спиральная волна. Периоды разных ведущих центров несколько отличаются друг от друга. Благодаря этому наблюдается еще одно замечательное явление — синхронизация. Дело в том, что при столкновении двух спиральных волн они не проходят друг сквозь друга, как обычные волны на поверхности жидкости, а взаимно аннигилируют (уничтожаются), причем аннигиляция в большей степени затрагивает более медленную из них. В результате фронт более быстрой спиральной волны постепенно продвигается в сторону ведущего центра, порождающего медленную волну, уничтожает его и устанавливает единую частоту колебаний во всем объеме.

Рис. 4.10. Бифуркаиионная диаграмма для ячеек Бенара.

Спиральные волны — распространенная форма самоорганизации в системах различной природы. Они наблюдаются, например, при образовании колоний коллективных микроорганизмов. Сложный характер сокращений сердечной мышцы обусловлен гем, что по ней безостановочно бежит спиральная волна возбуждения.

Автоколебательная реакция Белоусова-Жаботинского. Значение реакции Белоусова. Колебания свечения в "холодном пламени". Возможность колебательных режимов в гомогенных химических системах. BZ-реакция как один из ярких объектов новой науки синергетики.

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	23.12.2010
Размер файла	26,6 K

Подобные документы

Окислительно-восстановительные реакции. Колебательные химические реакции, история их открытия. Исследования концентрационных колебаний до открытия реакции Б.П. Белоусова. Математическая модель А.Лоткой. Изучение механизма колебательных реакций.

курсовая работа [35,4 K], добавлен 01.02.2008

Химия как наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях. Основные понятия химии. Химическая связь как взаимодействие двух атомов, осуществляемое путем обмена электронами. Сущность химических реакций, реакции окисления и восстановления.

реферат [95,3 K], добавлен 05.03.2012

Основные понятия и законы химической кинетики. Кинетическая классификация простых гомогенных химических реакций. Способы определения порядка реакции. Влияние температуры на скорость химических реакций. Сущность процесса катализа, сферы его использования.

реферат [48,6 K], добавлен 16.11.2009

Схема реакции Виттига, использование дифенилфосфиноксида в модификации. Механизм образования олефинов, стериохимия. Процесс резонансной стабилизации карбаниона. Получение фосфонатов по реакции Арбузова. Реакция Виттига-Хорнера в органическом синтезе.

реферат [719,3 K], добавлен 04.05.2013

Особенности химических реакций в полимерах. Деструкция полимеров под действием тепла и химических сред. Химические реакции при действии света и ионизирующих излучений. Формирование сетчатых структур в полимерах. Реакции полимеров с кислородом и озоном.

контрольная работа [4,5 M], добавлен 08.03.2015

Зависимость химической реакции от концентрации реагирующих веществ при постоянной температуре. Скорость химических реакций в гетерогенных системах. Влияние концентрации исходных веществ и продуктов реакции на химическое равновесие в гомогенной системе.

контрольная работа [43,3 K], добавлен 04.04.2009

Понятие и расчет скорости химических реакций, ее научное и практическое значение и применение. Формулировка закона действующих масс. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Примеры реакций, протекающих в гомогенных и гетерогенных системах.

Читайте также: