Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիա

Ֆերրոինի հետ Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիայի գույնի փոփոխությունը ժամանակի ընթացքում

Ֆերրոին

ԲԺ ռեակցիայի էլեկտրոդային պոտենցիալի կոր (օգտագործվել է Ag|Ag/AgNO₃ էլեկտրոդ)

Պետրիի թասում ընթացող ԲԺ ռեակցիայի համակարգչային սիմուլյացիա

Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիա (կրճատ ԲԺ ռեակցիա), քիմիական ռեակցիաների դաս, որոնք ընթանում են տատանողական մոդելով, որի դեպքում ռեակցիայի որոշ պարամետրեր (գույն, բաղադրիչների կոնցենտրացիա, ջերմաստիճան և այլն) փոփոխվում են պարբերաբար՝ առաջացնելով ռեակցիոն միջավայրի բարդ տարածաժամանակային համակարգ։

Ներկայումս այս անվանման տակ հասկանում են իրար նման ռեակցիաների մի դաս, որոնք միմյանց նման են մեխանիզմով, սակայն տարբերվում են օգտագործված կատալիզատորներով (Ce³⁺, Mn²⁺ և Fe²⁺, Ru²⁺ կոմպլեքսներ), օրգանական վերականգնիչներով (մալոնաթթու, բրոմմալոնաթթու, կիտրոնաթթու, խնձորաթթու և այլն) և օքսիդիչներով (բրոմատներ, յոդատներ և այլն)։

Անփոփոխ պայմաններում այս համակարգերը կարող են դրսևորել ընթացքի շատ բարդ ձևեր՝ պարզ պարբերականից մինչև քաոսային տատանումներ, և հանդիսանում են ոչ գծային համակարգերի համար ուսումնասիրման լավ և հարմար օբյեկտներ։ Հենց Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիայի մեջ է հանդիպում քիմիական համակարգերի արտասովոր ատրակտորը։

Պատմություն

Որոշ փոխդասավորություններ, որոնք առաջանում են Պետրիի թասի բարակ շերտում ընթացող ԲԺ ռեակցիայի ժամանակ

Բորիս Պավլովիչ Բելոուսովը կատարում էր հետազոտություններ Կրեբսի ցիկլի վրա՝ փորձելով գտնել նրա անօրգանական անալոգը։ 1951 թվականին՝ իր փորձերից մեկի ժամանակ, խառնելով կիտրոնաթթուն կալիումի բրոմատի հետ (կատալիզատոր՝ ցերիումի իոն՝Ce⁺³), նա նկատեց ինքնատատանումներ։ Ռեակցիայի ընթացքը փոփոխվում էր ժամանակից կախված, որը բնութագրվում էր պարբերաբար լուծույթի անգույնից (Ce⁺³) դեղին (Ce⁺⁴) (և հակառակը) գույնի փոփոխությանբ։ Երևույթը դարձավ էլ ավելի նկատելի, երբ որպես կատալիզատոր օգտագործվեց ֆերրոին։

Բելուսովի բացահայտումը սկզբից արժանացավ գիտնականների քննադատությանը, քանի որ նրանք կարծում էին, որ քիմիական համակարգերում անհնար են ինքնատատանումները։ Սովետական հանդեսներում Բելոուսովի հոդվածի տպագրությունը մերժվել է երկու անգամ, այդ իսկ պատճառով՝ նա իր հետազոտությունների արդյունքը կարողացավ տպագրել միայն հայտնագործումից 8 տարի անց, այն էլ կրճատ տարբերակով և ոչ այնքան հայտնի պարբերականում։ Հետագայում այս հոդվածը դարձավ աշխարհի ամենաշատ ցիտված հոդվածներից մեկը, իսկ ռեակցիան կոչվեց Բելոուսովի ռեակցիա։

Այս ռեակցիայի հետագա զարգացումը տեղի ունեցավ այն ժամանակ, երբ պրոֆեսոր Սիմոն Շնոլը իր ասպիրանտ Անատոլի Մարկովիչ Ժաբոտինսկուն առաջարկեց զբաղվել այս ռեակցիայի մեխանիզմի ուսումնասիրմամբ։ Բելոուսովը հրաժարվեց համատեղ հետազոտություններ անելուց, սակայն գոհ էր, որ իր աշխատանքը շարունակվում էր։ Ժաբոտինսկու խումբը կատարել է ռեակցիայի մանրամասն հետազոտություն, նաև կազմել է ռեակցիայի առաջին մաթեմատիկական մոդելը։ Հիմնական արդյունքները հավաքվել և տպագրվել են Ժաբոտինսկու «Կոնցենտրացիոն տատանումներ» գրքում։

1969 թվականին Ժաբոտինսկին իր խմբի հետ հայտնաբերեց, որ եթե ռեակցիոն խառնուրդը տեղադրվի բարակ հարթ մակերևույթով, ապա հնարավոր է տեսնել կոնցենտրացիայի փոփոխման ալիքներ նույնիսկ չզինված աչքով՝ ինդիկատորների օգնությամբ։

Ներկայումս հայտնի են Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիայի տիպի բազմաթիվ այլ ռեակցիաներ (Բրիգս-Ռաուշերի ռեակցիա)։

Ռեակցիայի մեխանիզմ

Ժաբոտինսկին առաջարկել է ռեակցիայի մեխանիզմի առաջին բացատրությունը և կազմել է պարզ մաթեմատիկական մոդել, որը հնարավորություն էր տալիս նկարագրել պարբերական տատանումները։ Հետագայում ռեակցիայի մեխանիզմի բացատրությունը ընդլայնվել է և իր մեջ է ներառել նաև փորձնականապես դիտվող դինամիկական վիճակներ (քաոտիկ)։ Այդ եզրահանգումները ապացուցվել են տեսական հաշվարկներով։ Ռեակցիայի տարրական փուլերի ցուցակը բավական մեծ է և իր մեջ է ներառում բազմաթիվ ռեագենտներ և ինտերմեդիատներ։ Ներկայումս ռեակցիայի վերջնական մեխանիզմը պարզված չէ (հատկապես ռեակցիայի արագության հաստատունները)։

Ժաբոտինսկի-Կորզուխինի մոդել

Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիայի առաջին մոդելը մշակվել է 1967 թվականին Ժաբոտինսկու և Կորզուխինի կողմից՝ էմպիրիկ հարաբերություններ փորձարկելով, որոնք համապատասխանում էին համակարգի տատանումներին։ Մոդելի հիմքում ընկած է հանրաճանաճ Լոտկա-Վոլտերայի կոնսերվատիվ մոդելը։

${\frac {dX_{1}}{dt}}=k_{1}X_{1}(C-X_{2})-k_{0}X_{1}X_{3}$

${\frac {dX_{2}}{dt}}=k_{1}X_{1}(C-X_{2})-k_{2}X_{2}$

${\frac {dX_{3}}{dt}}=k_{2}X_{2}-k_{3}X_{4}$

որտեղ $X_{2}$ = [Ce⁴⁺], C=[Ce⁴⁺]₀ + [Ce³⁺]₀, $X_{1}$` ինքնակատալիզատորի կոնցենտրացիան է, $X_{3}$ = [Br⁻]:

Բրուսելատոր

«Բրուսելատոր» մոդելի տատանողական դինամիկան և նրա միջոցով ալիքների մոդելավորումը

Պարզագույն մաթեմատիկական մոդելը առաջարկել է Պրիգոժինը։ Այս մոդելը կրում է տատանողական դինամիկա։

I	A	→	X
II	B + X	→	Y + D
III	2X + Y	→	3X	(ինքնակատալիզ)
IV	X	→	E
V	A + B	→	E + D

Օրեգոնատոր

Ֆիլդի և Նոյեսի առաջարկած մեխանիզմը համարվում է ամենապարզագույն և միևնույն ժամանակ ամենագործածական մոդելը Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիայի վարքը ուսումնասիրելու համար։

I		A + Y	$\longrightarrow$	X
II		X + Y	$\longrightarrow$	P
III		B + X	$\longrightarrow$	2 X + Z
IV		2 X	$\longrightarrow$	Q
V		Z	$\longrightarrow$	f Y

Այս մեխանիզմին համապատասխանում է հետևյալ դիֆերենցիալ հավասարումների համակարգը

${\frac {d[X]}{dt}}=k_{I}[A][Y]-k_{II}[X][Y]+k_{III}[B][X]-k_{IV}[X]^{2}$

${\frac {d[Y]}{dt}}=-k_{I}[A][Y]-k_{II}[X][Y]+fk_{V}[Z]$

${\frac {d[Z]}{dt}}=k_{III}[B][X]-k_{V}[Z]$

Այս մոդելը ցուցադրում է պարզագույն տատանումները, որոնք նկատելի են փորձարարական տեսանկյունից, սակայն այն ունակ չէ նկարագրել ավելի բարդ տիպի տատանումներ (բարդ պարբերական կամ քաոտիկ)։

Ընդլայնված օրեգոնատոր

Շոուալտերի, Նոյեսի և Բար-Էլիի առաջարկած մեխանիզմը հնարավորություն է տալիս բնութագրել բարդ պարբերական և քաոտիկ տատանումները։

1		A + Y	$\leftrightarrow$	X + P
2		X + Y	$\leftrightarrow$	2 P
3		A + X	$\leftrightarrow$	2 W
4		C + W	$\leftrightarrow$	X + Z'
5		2 X	$\leftrightarrow$	A + P
6		Z'	$\rightarrow$	g Y + C

որտեղ $A$` BrO<sub>3</sub><sup>−</sup>, $X$` HBrO₂, $Y$` Br<sup>−</sup>, $C$` Ce³⁺, $Z$` Ce<sup>4+</sup>, $W$` BrO₂^•, $P$` HOB:.

Ռեակցիայի ընդհանուր մեխանիզմ

Պատկեր 2

Պատկեր 1

Պատկեր 1

Ռեակցիայի ընդհանուր մեխանիզմն իր մեջ է ներառում 80 պարզ ռեակցիաներ։

1. Անօրգանական մաս

2. Օրգանական նյութերի մասնակցությամբ ընթացող ռեակցիաներ

ա) Առանց ռադիկալների մասնակցությամբ և առաջացմամբ ընթացող ռեակցիաներ

բ) Ռադիկալների առաջացմամբ ընթացող ռեակցիաներ

գ) Ռադիկալների վերացմամբ ընթացող ռեակցիաներ

դ) Շղթայի աճի ռեակցիաներ

Պատկեր 2

Ռեակցիայի մեխանիզմի գրաֆիկական պատկեր

Ռեակցիայի հայտնաբերման նշանակություն

Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիան դարձել է գիտության մեջ ամենահայտնի ռեակցիաներից մեկը։ Այս ռեակցիայի ուսումնասիրմամբ ամբողջ աշխարհում զբաղվում են բազմաթիվ գիտնականներ և խմբեր գիտության տարբեր բնագավառներից` մաթեմատիկա, քիմիա, ֆիզիկա, կենսաբանություն։ Հայտնաբերված են նրա բազմաթիվ անալոգներ տարբեր քիմիական համակարգերում, օրինակ՝ պինդֆազային անալոգը՝ օրգանական բարձրջերմաստիճանային ինքնատարածվող սինթեզը (ՕԲԻՍ)։ Այս թեմայի հիման վրա հրատարակվել են ավելի քան հազար գրքեր և հոդվածներ, պաշտպանվել են բազմաթիվ ատենախոսություններ։ Այս ռեակցիայի հայտնաբերումը զարկ հանդիսացավ գիտության այնպիսի ճյուղերի ձևավորմանը, ինչպիսիք են սիներգետիկան, դինամիկ համակարգի տեսությունը և դետերմինացված քաոսը։

Հաշվի առնելով այն, թե ինչպիսի ավանդ ունեցավ այս ռեակցիան գիտության համար, այս աշխատանքը համարվել է գիտական հայտնագործություն և ընդգրկվել է ԽՍՀՄ պետական հայտնագործությունների ցուցակի մեջ (№ 174)։

Տես նաև

• Ինքնատատանումներ
• Կանգուն ալիքներ
• Ալան Թյուրինգ, ով դեռևս 1950-ական թվականներին կանխագուշակել է պարբերաբար տատանվող քիմիական ռեակցիաների առկայությունը

Արտաքին հղումներ

Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիա էջը Վիքիպահեստում

1. Ռեակցիայի ընթացքի տեսահոլովակ
2. Ռեակցիայի հայտնագործման պատմություն
3. Բ. Պ. Բելաուսովը և նրա տատանողական ռեակցիան, «Знание — сила» ամսագիր
4. Դիֆերենցիալ հավասարումներ Արխիվացված 2008-04-04 Wayback Machine
5. Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիայի ֆենոմենը
6. Վ. Ա. Վավիլին, Ինքնատատանումներ հեղուկֆազային քիմիական համակարգերում
7. Ա. Ա. Պեչենկին, Ինքնատատանվող ռեակցիաներ(չաշխատող հղում)
8. Բելոուսով-Ժաբոտինսկու ռեակցիա
9. Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc.