ปฏิกิริยาการสั่นสะเทือน ปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนซึ่งมีลักษณะของความผันผวน (ส่วนใหญ่เป็นช่วงๆ) ในความเข้มข้นของสารประกอบกลางบางชนิด และในอัตราการเปลี่ยนแปลงของสารประกอบเหล่านี้ตามลำดับ ปฏิกิริยาการสั่นจะสังเกตได้ในเฟสก๊าซหรือของเหลว และ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งบ่อยครั้ง) ที่รอยต่อระหว่างเฟสเหล่านี้กับเฟสของแข็ง สาเหตุของการเกิดความผันผวนของความเข้มข้นคือการมีผลป้อนกลับระหว่างแต่ละขั้นตอนของปฏิกิริยาที่ซับซ้อน ปฏิกิริยาออสซิลเลเตอร์จัดเป็นกระบวนการที่มีการป้อนกลับเชิงบวก (การเร่งปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาขั้นกลางหรือขั้นสุดท้าย) หรือเชิงลบ (ผลการยับยั้งของผลิตภัณฑ์ขั้นกลางหรือขั้นสุดท้าย)

เป็นครั้งแรกที่ปฏิกิริยาการสั่นซึ่งแสดงออกมาในรูปแบบของแสงวาบเป็นระยะ ๆ ระหว่างการเกิดออกซิเดชันของไอฟอสฟอรัสถูกพบเมื่อปลายศตวรรษที่ 17 โดย R. Boyle ในปี 1921 นักเคมีชาวอเมริกัน ดับเบิลยู. เบรย์ บรรยายถึงปฏิกิริยาการสั่นของเฟสของเหลวของการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เร่งปฏิกิริยาด้วยไอโอเดตเป็นครั้งแรก ในปี 1951 นักเคมีชาวรัสเซีย B.P. Belousov สังเกตความผันผวนของความเข้มข้นของตัวเร่งปฏิกิริยา - ซีเรียมในรูปแบบออกซิไดซ์และรีดิวซ์ในปฏิกิริยาของกรดซิตริกกับโบรเมต การสั่นสามารถสังเกตได้ด้วยสายตาโดยการเปลี่ยนสีของสารละลายจากไม่มีสีเป็นสีเหลือง (เนื่องจากการเปลี่ยน Ce 3+ → Ce 4+) ระยะเวลาการสั่น 10-100 วินาที ในปี 1961 นักชีวฟิสิกส์ชาวรัสเซีย A. M. Zhabotinsky สังเกตความผันผวนของความเข้มข้นเมื่อใช้กรดมาโลนิกหรือกรดมาลิกเป็นตัวรีดิวซ์ในปฏิกิริยาเบลูซอฟ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในโหมดการสั่นในตัวเองของตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารรีดิวซ์ต่างๆ ที่มีโบรเมตเรียกว่าปฏิกิริยาเบลูซอฟ-จาโบตินสกี (ที่เรียกว่า ออสซิลเลเตอร์โบรเมตแบบเร่งปฏิกิริยา) เป็นที่ทราบกันดีว่ามีปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ จำนวนมาก โดยสังเกตการเปลี่ยนแปลงของการสั่นในความเข้มข้นของรีเอเจนต์: ออสซิลเลเตอร์โบรเมตที่ไม่เร่งปฏิกิริยา คลอไรต์ ไอโอเดต เปอร์ออกไซด์ และออสซิลเลเตอร์อื่นๆ การวิจัยพื้นฐานสมัยใหม่เกี่ยวกับปฏิกิริยาออสซิลเลเตอร์เริ่มต้นจากงานของ I.R. Prigogine และเพื่อนร่วมงานของเขา ซึ่งแสดงให้เห็นว่าในระบบเปิด กระบวนการทางเคมีแบบออสซิลเลเตอร์เป็นไปได้ใกล้กับสภาวะนิ่ง ซึ่งอยู่ห่างจากตำแหน่งของสมดุลเคมีอย่างเพียงพอ

จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสั่นเป็นสาขาความรู้ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งเกิดขึ้นที่จุดตัดของเคมี ชีววิทยา การแพทย์ ฟิสิกส์ และคณิตศาสตร์ มันถูกใช้ในชีวเคมี, ชีวฟิสิกส์, การศึกษา biorhythms, ในการศึกษาพลวัตของประชากร, การย้ายถิ่นของสิ่งมีชีวิต, นิเวศวิทยา, สังคมวิทยา (การเปลี่ยนแปลงของประชากร, การพัฒนาเศรษฐกิจ) คุณลักษณะที่โดดเด่นของปฏิกิริยาการสั่นคือความไวสูงต่ออิทธิพลภายนอก ซึ่งเปิดโอกาสให้สร้างวิธีการใหม่ที่เป็นพื้นฐานในการวิเคราะห์ปริมาณขนาดเล็กของสารต่างๆ

แปลจากภาษาอังกฤษ: Zhabotinsky A.M. ความเข้มข้นของการแกว่งตัวในตัวเอง ม. 2517; Garel D. , Garel O. ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น ม. , 1986; การแกว่งและการเคลื่อนที่ของคลื่นในระบบเคมี / เรียบเรียงโดย R. Field, M. Burger ม., 1988; Babloyants A. โมเลกุล พลวัตและชีวิต ม., 1990.

กระทรวงศึกษาธิการ วิทยาศาสตร์ เยาวชน และกีฬา

สถานศึกษาทางทฤษฎี Petru Movila

แผนก

“ความสามารถ การงาน พรสวรรค์”

หลักสูตรวิชาเคมีในหัวข้อ:

“ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น”

เสร็จสิ้นโดย: นักเรียนชั้น 12A

โบลูบาช ไอริน่า

ครู: Snidchenko M.A.

* คีชีเนา 2550 *

1. บทนำ:

ก) ปฏิกิริยารีดอกซ์

b) ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น

2. ประวัติความเป็นมาของการค้นพบปฏิกิริยาการสั่น:

ก) การศึกษาความผันผวนของความเข้มข้นก่อนการค้นพบ

ปฏิกิริยาของ B. P. Belousov

3. ส่วนทางทฤษฎี:

ก) แบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดย A. Lotkoy

b) ศึกษากลไกของปฏิกิริยาการสั่น

4. ส่วนทดลอง

5. สรุป

6. การสมัคร:

ก) สูตรสำหรับปฏิกิริยาการสั่นบางอย่าง

b) ภาพประกอบสำหรับการทดลองที่ทำ

7. วรรณกรรม

การแนะนำ.

เคมีเป็นวิทยาศาสตร์เชิงทดลอง ดังนั้นการทดลองเป็นวิธีการวิจัยทางวิทยาศาสตร์จึงครองตำแหน่งผู้นำในวิธีวิทยาศาสตร์ธรรมชาติมายาวนานและมั่นคง การทดลองเป็นวิธีที่สำคัญที่สุดในการเชื่อมโยงทฤษฎีกับการฝึกปฏิบัติในการสอนวิชาเคมีและเปลี่ยนความรู้ให้เป็นความเชื่อ ดังนั้นการเปิดเผยความสำคัญทางปัญญาของแต่ละประสบการณ์จึงเป็นข้อกำหนดหลักสำหรับการทดลองทางเคมี

อยู่ระหว่างการทดลอง (ตั้งแต่ lat. "การทดลอง" - "การทดลอง")เข้าใจการสังเกตปรากฏการณ์ที่กำลังศึกษาภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ทำให้สามารถติดตามความคืบหน้าของปรากฏการณ์นี้และทำซ้ำได้หากตรงตามเงื่อนไขเหล่านี้ การทดลองทางเคมีมีบทบาทสำคัญในการสอนวิชาเคมี เนื่องจากผ่านการสังเกตและการทดลอง การเรียนรู้ความหลากหลายของธรรมชาติของสาร ข้อเท็จจริงจะถูกสะสมเพื่อการเปรียบเทียบ การสรุปทั่วไป และข้อสรุป

ด้วยการดำเนินการทดลองและการสังเกตการเปลี่ยนแปลงทางเคมีภายใต้สภาวะต่างๆ เรามั่นใจว่าสามารถควบคุมกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อนได้ ว่าไม่มีอะไรลึกลับในปรากฏการณ์ พวกเขาปฏิบัติตามกฎธรรมชาติ ความรู้ที่ทำให้สามารถใช้การเปลี่ยนแปลงทางเคมีในทางปฏิบัติอย่างกว้างขวาง กิจกรรมของมนุษย์

อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์ของการทดลองทางเคมีบางอย่างเป็นสิ่งที่ไม่คาดคิด และไม่สอดคล้องกับแนวคิดดั้งเดิมเกี่ยวกับคุณสมบัติของสารหรือรูปแบบของปฏิกิริยาเคมี การเปลี่ยนแปลงทางเคมีดังกล่าวเรียกว่าการทดลองปัญหา

แม้กระทั่งในสมัยโบราณ นักปรัชญาเชื่อว่าความรู้ทั้งหมดเริ่มต้นด้วยความประหลาดใจ ความประหลาดใจที่เกิดจากสิ่งใหม่นำไปสู่การพัฒนาความอยากรู้อยากเห็น (ความไวต่อปัญหาในโลกรอบตัวเรา) พร้อมกับการก่อตัวของความสนใจอย่างยั่งยืนในบางสิ่งบางอย่างในภายหลัง ประหลาดใจและตามมาด้วยความกระหายความรู้ - นี่เป็นพื้นที่อุดมสมบูรณ์สำหรับการศึกษาการทดลองปัญหาการก่อตัวของการคิดวิภาษวิธีและระบบและการเปิดเผยศักยภาพเชิงสร้างสรรค์

สภาวะเดียวกันนี้อาจเกิดจากการทดลองทางเคมีที่สดใสและน่าประทับใจ (การทดลองปัญหา) ในวิชาเคมี สาเหตุของการทดลองที่มีปัญหามักเกิดจากปฏิกิริยารีดอกซ์

ปฏิกิริยารีดอกซ์

มีเกณฑ์มากมายในการจำแนกประเภทปฏิกิริยาเคมี สิ่งที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือสัญญาณของการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบ ขึ้นอยู่กับว่าสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบเปลี่ยนแปลงหรือไม่เปลี่ยนแปลง ปฏิกิริยาเคมีสามารถแบ่งออกเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นโดยไม่เปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน

ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันของธาตุ (รีดอกซ์) เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย พวกมันมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีและธรรมชาติ รองรับการเผาผลาญในสิ่งมีชีวิต และกระบวนการออกซิเดชั่น การสลายตัว การหมัก และการสังเคราะห์ด้วยแสงมีความเกี่ยวข้องด้วย กระบวนการออกซิเดชัน (และการลด) เกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง การกัดกร่อนของโลหะ การแยกสลายด้วยไฟฟ้า และด้วยความช่วยเหลือของกระบวนการนี้ ทำให้ได้โลหะ แอมโมเนีย อัลคาไล และผลิตภัณฑ์อันมีค่าอื่น ๆ อีกมากมาย ดังนั้นการศึกษาปฏิกิริยารีดอกซ์จึงรวมอยู่ในหลักสูตรเคมีอนินทรีย์และอินทรีย์ของโรงเรียน

ให้เราระลึกถึงหลักการพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดของปฏิกิริยารีดอกซ์

สถานะออกซิเดชันสอดคล้องกับประจุที่จะปรากฏบนอะตอมขององค์ประกอบที่กำหนดในสารประกอบเคมี ถ้าเราถือว่าคู่อิเล็กตรอนทั้งหมดที่อะตอมที่กำหนดเชื่อมโยงกับคู่อื่น ๆ มีอคติต่ออะตอมขององค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้สูงกว่าโดยสิ้นเชิง

ออกซิไดเซอร์– สารที่มีอะตอมหรือไอออนที่รับอิเล็กตรอน: X m (ตัวออกซิไดซ์) + ne - = X (m - n) โดยที่ m คือสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบในสารตั้งต้น n คือจำนวนอิเล็กตรอน

ตัวรีดิวซ์– สารที่มีอะตอมหรือไอออนที่บริจาคอิเล็กตรอน: Y m (ตัวรีดิวซ์) - ne - = Y (m + n) .

ออกซิเดชัน– กระบวนการให้อิเล็กตรอนโดยอะตอม โมเลกุล หรือไอออน และสถานะออกซิเดชันของธาตุจะเพิ่มขึ้น

การกู้คืน- กระบวนการรับอิเล็กตรอนโดยอะตอม โมเลกุล หรือไอออน ในขณะที่สถานะออกซิเดชันของธาตุลดลง

ออกซิเดชันและรีดักชันเป็นกระบวนการคู่กัน จำนวนอิเล็กตรอนที่บริจาคโดยตัวรีดิวซ์ให้กับกระบวนการออกซิเดชันจะเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ตัวออกซิไดซ์ยอมรับในระหว่างการรีดักชันเสมอ

ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น

ในรายวิชานี้ ฉันจะพิจารณากรณีพิเศษของการทดลองที่มีปัญหา ซึ่งก็คือปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น ปฏิกิริยาการสั่นเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันทั้งระดับของสารอินทรีย์โดยมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคุณสมบัติรีดอกซ์ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเป็นวงกลม กล่าวคือ ประกอบด้วยการทำซ้ำหลายครั้ง

ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่นถูกค้นพบและพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ในปี 1951 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียต บอริส เปโตรวิช เบลูซอฟ บี.พี. Belousov ศึกษาการเกิดออกซิเดชันของกรดซิตริกในระหว่างการทำปฏิกิริยากับโซเดียมโบรเมตในสารละลายของกรดซัลฟิวริก เพื่อเพิ่มปฏิกิริยา เขาจึงเติมเกลือซีเรียมลงในสารละลาย ซีเรียมเป็นโลหะที่มีเวเลนซ์แปรผัน (3+ หรือ 4+) จึงสามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการแปลงรีดอกซ์ ปฏิกิริยาจะมาพร้อมกับการปล่อยฟอง CO 2 ดังนั้นดูเหมือนว่าส่วนผสมของปฏิกิริยาทั้งหมดจะ "เดือด" และเมื่อเทียบกับพื้นหลังของการเดือดนี้ B.P. Belousov สังเกตเห็นสิ่งที่น่าทึ่ง: สีของสารละลายเปลี่ยนไปเป็นระยะ ๆ - มันกลายเป็นสีเหลืองหรือไม่มีสี Belousov เพิ่มสารประกอบฟีแนนโทรลีนที่ซับซ้อนกับเหล็กเหล็ก (เฟอร์โรน) ลงในสารละลายและสีของสารละลายเริ่มเปลี่ยนจากสีม่วงแดงเป็นสีน้ำเงินและด้านหลังเป็นระยะ

นี่คือวิธีการค้นพบปฏิกิริยาที่โด่งดัง ตอนนี้เป็นที่รู้จักไปทั่วโลกเรียกว่า "ปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky" A. M. Zhabotinsky ทำหลายอย่างเพื่อทำความเข้าใจปรากฏการณ์ที่น่าทึ่งนี้ ตั้งแต่นั้นมา มีการค้นพบปฏิกิริยาที่คล้ายกันจำนวนมาก

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบปฏิกิริยาการสั่น

IP Belousov ค้นพบปฏิกิริยาเคมีแบบสั่นขณะพยายามสร้างแบบจำลองทางเคมีอย่างง่ายในบางขั้นตอนของระบบการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีที่สำคัญของกรดคาร์บอกซิลิกในเซลล์ อย่างไรก็ตาม ข้อความแรกเกี่ยวกับการค้นพบนี้ไม่ได้รับการเผยแพร่ ผู้ตรวจสอบวารสารเคมีสงสัยความเป็นไปได้พื้นฐานของปฏิกิริยาที่อธิบายไว้ในบทความ นักเคมีส่วนใหญ่ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาเชื่อว่าไม่มีการสั่นไหวทางเคมีเพียงอย่างเดียวแม้ว่า A. Lotkoy จะทำนายการมีอยู่ของปฏิกิริยาการสั่นในปี 1910 บนพื้นฐานของทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการเป็นระยะ

ความพยายามครั้งที่สองในการเผยแพร่ผลการวิจัยจัดทำโดยนักวิทยาศาสตร์ในปี 2500 และเขาถูกปฏิเสธอีกครั้งแม้จะมีผลงานของนักฟิสิกส์ชาวเบลเยียมและนักเคมีกายภาพ I.R. ผลงานเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้และความน่าจะเป็นของปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น

มีเพียงในปี 1959 เท่านั้นที่เป็นบทคัดย่อสั้น ๆ เกี่ยวกับการค้นพบปฏิกิริยาเคมีที่ออกฤทธิ์เป็นระยะโดย B.P. Belousov ซึ่งตีพิมพ์ในสิ่งพิมพ์ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จัก "Collection of Abstracts on Radiation Medicine"

และประเด็นทั้งหมดก็คือเมื่อ B.P. Belousov ทำการค้นพบ การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของรีเอเจนต์เป็นระยะ ๆ ดูเหมือนจะเป็นการละเมิดกฎของอุณหพลศาสตร์ ที่จริงแล้ว ปฏิกิริยาจะไปในทิศทางตรงหรือทิศทางตรงกันข้ามได้อย่างไร? เป็นไปไม่ได้เลยที่จะจินตนาการว่าโมเลกุลจำนวนมหาศาลทั้งหมดในหลอดเลือดจะอยู่ในสภาพใดสถานะหนึ่ง (บางครั้ง "สีน้ำเงิน" ทั้งหมด บางครั้ง "สีแดง" ทั้งหมด...)

ทิศทางของปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยศักย์ทางเคมี (อุณหพลศาสตร์) - ปฏิกิริยาจะดำเนินการในทิศทางของสถานะที่เป็นไปได้มากกว่าในทิศทางของการลดพลังงานอิสระของระบบ เมื่อปฏิกิริยาในทิศทางที่กำหนดเสร็จสมบูรณ์ หมายความว่าศักยภาพของปฏิกิริยาหมดลง บรรลุความสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ และหากไม่มีการสิ้นเปลืองพลังงาน กระบวนการก็ไม่สามารถดำเนินไปในทิศทางตรงกันข้ามได้เอง และตรงนี้... ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นในทิศทางหนึ่งก่อน แล้วจึงไปอีกทิศทางหนึ่ง

อย่างไรก็ตาม ไม่มีการละเมิดกฎหมายในปฏิกิริยานี้ มีความผันผวน—การเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ—ในความเข้มข้นของตัวกลาง แทนที่จะเป็นสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย CO 2 จะไม่กลายเป็นกรดซิตริกในปฏิกิริยานี้ จริงๆ แล้วเป็นไปไม่ได้เลย ผู้ตรวจสอบไม่ได้คำนึงว่าแม้ว่าระบบจะยังห่างไกลจากความสมดุล แต่มีสิ่งมหัศจรรย์มากมายที่สามารถเกิดขึ้นได้ รายละเอียดวิถีของระบบตั้งแต่สถานะเริ่มต้นไปจนถึงสถานะสุดท้ายอาจมีความซับซ้อนมาก ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาเท่านั้นที่ปัญหาเหล่านี้ได้รับการแก้ไขโดยอุณหพลศาสตร์ของระบบที่อยู่ห่างไกลจากความสมดุล วิทยาศาสตร์ใหม่นี้กลายเป็นพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ใหม่ - การทำงานร่วมกัน (ทฤษฎีการจัดองค์กรตนเอง)

ปฏิกิริยาของ Belousov ตามที่ระบุไว้ข้างต้นได้รับการศึกษาโดยละเอียดโดย A. M. Zhabotinsky และเพื่อนร่วมงานของเขา พวกเขาแทนที่กรดซิตริกด้วยกรดมาโลนิก การออกซิเดชันของกรดมาโลนิกไม่ได้มาพร้อมกับการก่อตัวของฟอง CO 2 ดังนั้นจึงสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงสีของสารละลายได้โดยไม่มีการรบกวนจากอุปกรณ์โฟโตอิเล็กทริก ต่อมาปรากฎว่าเฟอร์โรอินแม้จะไม่มีซีเรียม แต่ก็ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยานี้ ในการทดลองครั้งแรก B.P. Belousov สังเกตเห็นคุณสมบัติที่น่าทึ่งอีกประการหนึ่งของปฏิกิริยาของเขา: เมื่อการกวนหยุด การเปลี่ยนแปลงสีของสารละลายจะกระจายเป็นคลื่น การแพร่กระจายของการสั่นสะเทือนทางเคมีในอวกาศเริ่มชัดเจนเป็นพิเศษเมื่อในปี 1970 A. M. Zhabotinsky และ A. N. Zaikin เทส่วนผสมปฏิกิริยาบาง ๆ ลงในจานเพาะเชื้อ รูปร่างแปลกประหลาดก่อตัวขึ้นในถ้วย - วงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน, เกลียว, "กระแสน้ำวน" ซึ่งแผ่ออกไปด้วยความเร็วประมาณ 1 มม./นาที คลื่นเคมีมีคุณสมบัติที่ผิดปกติหลายประการ ดังนั้นเมื่อชนกันก็จะดับลงและไม่สามารถทะลุผ่านกันได้

การศึกษาความเข้มข้น
การสั่นสะเทือนก่อนการค้นพบปฏิกิริยาโดย B.P. Belousov

แต่เมื่อประวัติศาสตร์ดำเนินไป การค้นพบของ B.P. Belousov ไม่ใช่การค้นพบครั้งแรกในวิทยาศาสตร์โลก ปรากฎว่าหนึ่งในสิ่งพิมพ์แรก ๆ เกี่ยวกับการสั่นสะเทือนทางเคมีมีอายุย้อนไปถึงปี 1828 ในนั้น T. Fechner นำเสนอผลการศึกษาการสั่นสะเทือนของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือผลงานของ M. Rosenskiöld ซึ่งมีอายุย้อนไปถึงปี 1834 ผู้เขียนค่อนข้างสังเกตเห็นโดยบังเอิญว่าขวดเล็กที่มีฟอสฟอรัสเล็กน้อยปล่อยแสงที่ค่อนข้างเข้มข้นในความมืด ไม่มีอะไรน่าแปลกใจที่ฟอสฟอรัสเรืองแสง แต่การที่เรืองแสงนี้เกิดขึ้นซ้ำๆ ทุกๆ เจ็ดวินาทีก็น่าสนใจ สี่สิบปีต่อมา การทดลองกับ "ขวดกะพริบ" เหล่านี้ยังคงดำเนินต่อไปโดยชาวฝรั่งเศส M. Joubert (1874) เขาสามารถสังเกตการก่อตัวของ “เมฆเรืองแสง” เป็นระยะๆ ในหลอดทดลองได้ อีกยี่สิบปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน A. Zentnerschwer ยังได้ศึกษาผลกระทบของความกดอากาศต่อการระบาดของฟอสฟอรัสเป็นระยะ ในการทดลองของเขา ระยะเวลาของแสงวาบเริ่มต้นที่ 20 วินาทีและลดลงตามความดันที่ลดลง

หน้าที่สดใสเป็นพิเศษในประวัติศาสตร์ของการสั่นสะเทือนทางเคมีมีความเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าวงแหวนลีเซกัง ในปี 1896 นักเคมีชาวเยอรมัน R. Liesegang ซึ่งทดลองกับโฟโตเคมีคอล ค้นพบว่าถ้าลาพิสถูกทิ้งลงบนจานแก้วที่เคลือบด้วยเจลาตินที่มีโครเมียม ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ตกตะกอนจะวางอยู่บนจานในวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน ลีเซกังรู้สึกทึ่งกับปรากฏการณ์นี้และใช้เวลาเกือบครึ่งศตวรรษในการค้นคว้าเรื่องนี้ ยังพบการนำไปใช้จริงอีกด้วย ในงานศิลปะประยุกต์ แหวน Liesegang ถูกนำมาใช้ในการตกแต่งผลิตภัณฑ์ต่างๆ ด้วยแจสเปอร์เทียม มาลาไคต์ อาเกต ฯลฯ Liesegang เองก็เสนอเทคโนโลยีในการทำไข่มุกเทียม

รายการตัวอย่างที่คล้ายกันสามารถดำเนินการต่อได้ หลังจากนั้น ปฏิกิริยาการแกว่งที่ส่วนต่อประสานระหว่างสองเฟสก็ถูกค้นพบ สิ่งเหล่านี้ที่รู้จักกันดีที่สุดคือปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสานของสารละลายโลหะซึ่งได้รับชื่อเฉพาะ - "เส้นประสาทเหล็ก" และ "หัวใจปรอท" ประการแรก - ปฏิกิริยาของการละลายเหล็ก (ลวด) ในกรดไนตริก - ได้รับชื่อเนื่องจากความคล้ายคลึงภายนอกกับพลวัตของเส้นประสาทที่ตื่นเต้นซึ่งสังเกตเห็นโดย V.F. ประการที่สองหรือมากกว่าหนึ่งตัวแปรคือปฏิกิริยาการสลายตัวของ H 2 O 2 บนพื้นผิวของปรอทโลหะ ปฏิกิริยานี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวและการละลายของฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวปรอทเป็นระยะ ความผันผวนของแรงตึงผิวของปรอททำให้เกิดการหยดเป็นจังหวะชวนให้นึกถึงการเต้นของหัวใจ แต่ปฏิกิริยาทั้งหมดนี้ไม่ได้ดึงดูดความสนใจจากนักเคมีมากนัก เนื่องจากแนวคิดเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมียังค่อนข้างคลุมเครือ

เฉพาะในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 เท่านั้น อุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์เคมีเกิดขึ้น ทำให้เกิดความสนใจเฉพาะในปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนและวิธีการวิเคราะห์

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์โดย A. Lotkoy

ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ของการแกว่งในระบบที่คล้ายกับปฏิกิริยาเคมีได้รับการตีพิมพ์ในปี 1910 โดย A. Lotka - เขาเขียนระบบสมการเชิงอนุพันธ์ซึ่งมีความเป็นไปได้ของระบอบการปกครองเป็นระยะตามมา Lotka พิจารณาปฏิสัมพันธ์ของ "เหยื่อ" เช่น สัตว์กินพืช และ "นักล่า" (X และ Y) ที่กินพวกมัน ผู้ล่ากินเหยื่อและแพร่พันธุ์ - ความเข้มข้นของ Y จะเพิ่มขึ้น แต่เมื่อจำนวนเหยื่อลดลงอย่างรวดเร็วและผู้ล่าตายด้วยความหิว - ความเข้มข้นของ Y จะลดลง จากนั้นเหยื่อผู้รอดชีวิตก็เริ่มทวีคูณ - ความเข้มข้นของ X เพิ่มขึ้น สัตว์นักล่าที่รอดชีวิตก็แพร่พันธุ์เช่นกัน ความเข้มข้นของ Y จะเพิ่มขึ้นอีกครั้ง และเป็นเช่นนี้หลายครั้ง สังเกตความผันผวนของความเข้มข้นของรีเอเจนต์เป็นระยะ เป็นที่แน่ชัดว่าสภาวะของการแกว่งที่ไม่ทำให้หมาด ๆ (ระยะยาว) ดังกล่าวคือความอุดมสมบูรณ์ของหญ้าซึ่งเป็นอาหารของเหยื่อ สมการของ Lotka ได้รับการปรับปรุงโดย V. Volterra และทฤษฎีการแกว่งสมัยใหม่ได้รับการพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย L. I. Mandelstam, A. A. Andronov, A. A. Witt, S. E. Khaikin, D. A. Frank-Kamenetsky ดังนั้นสำหรับนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ การค้นพบของ Belousov จึงไม่น่าแปลกใจนัก

ศึกษากลไกของปฏิกิริยาการสั่น

กลไกโดยละเอียดของปฏิกิริยาเบลูซอฟยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด ในงานแรกๆ ดูเหมือนว่าสินค้าขั้นกลางมีจำนวนน้อย เพื่ออธิบายธรรมชาติของการสั่นสะเทือน ก็เพียงพอแล้วที่จะจินตนาการว่ากรดโบรโมมาโลนิกก่อตัวขึ้นครั้งแรกจากกรดมาโลนิกได้อย่างไร และเมื่อทำปฏิกิริยาต่อไป KBrO 3 จะถูกแปลงเป็น KBr ไอออน Br จะยับยั้งการเกิดออกซิเดชันของกรดโบรโมมาโลนิกเพิ่มเติม และรูปแบบออกซิไดซ์ของตัวเร่งปฏิกิริยา (ซีเรียมเตตระวาเลนต์หรือเหล็กเฟอร์ริกในเชิงซ้อนที่มีฟีแนนโทรลีน) จะสะสมอยู่ เป็นผลให้การสะสมของ Br - หยุดและการเกิดออกซิเดชันของกรดโบรโมมาโลนิกกลับมา... ตอนนี้เป็นที่ชัดเจนว่ากลไกดังกล่าวยังไม่สมบูรณ์ จำนวนผลิตภัณฑ์ขั้นกลางมีถึงสี่โหลแล้ว และการศึกษายังดำเนินต่อไป

ในปี 1972 R. Noyes และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky เป็นผลมาจากปฏิกิริยาอย่างน้อยสิบปฏิกิริยาที่สามารถรวมกันเป็นสามกลุ่ม - A, B และ C

ขั้นแรก (กลุ่มปฏิกิริยา A) โบรเมตไอออนจะทำปฏิกิริยากับโบรไมด์ไอออนเมื่อมี H + เพื่อสร้างกรดโบรไมด์และไฮโปโบรเมต:

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

กรดไฮโปโบรมิก:

HBRO 2 + Br -- + H + = 2HOBr ( ก 2)

ในทางกลับกันกรดไฮโปโบรมิกจะทำปฏิกิริยากับโบรไมด์ไอออนทำให้เกิดโบรมีนอิสระ:

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

กรดมาโลนิกถูกทำให้เป็นโบรมีนโดยมีโบรมีนอิสระ:

Br 2 + CH 2 (COOH) 2 = BrCH(COOH) 2 + Br -- + H + ( ก 4)

จากปฏิกิริยาทั้งหมดนี้ กรดมาโลนิกจึงถูกโบรมีนกับโบรมีนอิสระ:

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

ความหมายทางเคมีของปฏิกิริยากลุ่มนี้มีสองเท่า: การทำลายโบรไมด์ไอออนและการสังเคราะห์กรดโบรโมมาโลนิก

ปฏิกิริยากลุ่ม B เกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อไม่มีโบรไมด์ไอออน (ความเข้มข้นต่ำ) เมื่อไอออนโบรเมตทำปฏิกิริยากับกรดโบรมัส จะเกิดอนุมูล BrO 2 ขึ้น

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

BrO 2 ทำปฏิกิริยากับซีเรียม (III) ออกซิไดซ์เป็นซีเรียม (IV) และตัวมันเองถูกรีดิวซ์เป็นกรดโบรมัส:

BrO 2 + Ce 3+ + H + > HBrO 2 + Ce 4+ ( บี 2)

กรดโบรมิกแตกตัวเป็นโบรเมตไอออนและกรดไฮโปโบรมิก:

2HBrO 2 > BrO -3 +HOBr + H + ( บี 3)

กรดไฮโปโบรมิกโบรเมตกรดมาโลนิก:

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

อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาของกลุ่ม B จะเกิดกรดโบรโมมาโลนิกและซีเรียมเตตระวาเลนต์

ความผันผวนของความเข้มข้นของส่วนประกอบหลักของปฏิกิริยา: กรดโบรมิกและเฟอร์ริน - ในพื้นที่เฟสจะแสดงเป็นเส้นปิด (วงจรจำกัด)

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

ซีเรียม (IV) เกิดขึ้นในปฏิกิริยาเหล่านี้ (ปฏิกิริยากลุ่ม B):

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

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

ความหมายทางเคมีของปฏิกิริยากลุ่มนี้คือการก่อตัวของโบรไมด์ไอออนซึ่งมีความเข้มข้นมากขึ้นตามความเข้มข้นของกรดโบรโมมาโลนิกที่สูงขึ้น ความเข้มข้นของโบรไมด์ไอออนที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดการหยุด (การชะลอตัวลงอย่างรวดเร็ว) ของการเกิดออกซิเดชันของซีเรียม (III) ถึงซีเรียม (IV) ในการศึกษาล่าสุด ซีเรียมมักจะถูกแทนที่ด้วยเฟอร์โรอิน

จากลำดับขั้นตอนของปฏิกิริยาเบลูซอฟ-จาโบตินสกี (ไม่สมบูรณ์) นี้ เป็นที่ชัดเจนว่าระบบนี้ซับซ้อนเพียงใด ดังนั้นจึงเพียงพอที่จะคำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นขององค์ประกอบกลางหลักสามประการของปฏิกิริยา: HbrO 2 (กรดโบรมิก), Br - และเฟอร์โรอิน (หรือซีเรียม)

ขั้นแรกในปฏิกิริยา - อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาอัตโนมัติทำให้เกิดกรดโบรมัส (กระบวนการคล้ายการระเบิดที่รวดเร็ว) เฟอร์โรอินจะถูกเปลี่ยนเป็นเฟอร์ริอิน (เฟอร์โรอินในรูปแบบออกซิไดซ์)

ขั้นตอนที่สอง– อันเป็นผลมาจากอันตรกิริยากับส่วนประกอบอินทรีย์ เฟอร์รินเริ่มที่จะค่อยๆ เปลี่ยนกลับเป็นเฟอร์โรอิน และในเวลาเดียวกัน ไอออนโบรไมด์ก็เริ่มก่อตัว

ขั้นตอนที่สาม– โบรไมด์ไอออนเป็นตัวยับยั้งปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติที่มีประสิทธิผล (ขั้นตอนที่ 1) เป็นผลให้การก่อตัวของกรดโบรมัสหยุดและสลายตัวอย่างรวดเร็ว

ขั้นตอนที่สี่– กระบวนการสลายตัวของเฟอร์ไรน์เริ่มที่ขั้นตอนที่ 2 เสร็จสิ้น ไอออนโบรไมด์จะถูกกำจัดออกจากระบบ เป็นผลให้ระบบกลับสู่สถานะเดิมก่อนขั้นตอนที่ 1 และกระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำเป็นระยะๆ มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์หลายแบบ (ระบบสมการเชิงอนุพันธ์) ที่อธิบายปฏิกิริยานี้ ความผันผวนของความเข้มข้นของรีเอเจนต์ และรูปแบบการแพร่กระจายของคลื่นความเข้มข้น

ส่วนทดลอง:

ปฏิกิริยาของกรดซิตริกกับโพแทสเซียมโบรเมต:

รีเอเจนต์:

1. เค ม หมายเลข 4(ด่างทับทิม).

2. เคบีโอ 3(โพแทสเซียมโบรเมตหรือโพแทสเซียมโบรเมต)

3. H2SO4(เข้มข้น).

4. กรดซิตริก.

5. น้ำกลั่น.

ความคืบหน้า: ตัวอย่างกรดซิตริก - 2 กรัมถูกละลายใน H 2 O 6 มล. ตัวอย่างของโพแทสเซียมไฮโปโบรเมต - 0.2 กรัมถูกเติมลงในสารละลายที่ได้และเติมกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 0.7 มล. จากนั้นเติมโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต 0.04 กรัม และปริมาตรของสารละลายที่ได้จะถูกปรับเป็น 10 มิลลิลิตรด้วยน้ำกลั่น ผสมให้เข้ากันจนรีเอเจนต์ละลายหมด

ข้อสังเกต: ทันทีหลังจากเติม KMnO 4 สารละลายได้สีม่วงและเริ่ม "เดือด" หลังจากผ่านไป 25 วินาที ด้วยความเดือดจัด สีของสารละลายเริ่มเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไป สารละลายจะค่อยๆ สว่างขึ้นเป็นสีเหลืองอ่อน หลังจากผ่านไป 3 นาที 45 วินาที สารละลายเริ่มเข้มขึ้นอย่างรวดเร็ว (คล้ายกับการแพร่กระจายของของเหลวที่มีความหนาแน่นสูง) และหลังจากผ่านไป 40 วินาที สารละลายจะกลายเป็นสีน้ำตาลทั้งหมดอีกครั้ง จากนั้นทุกอย่างจะทำซ้ำในช่วงเวลา 4.5 นาที - 5 นาที หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง ปฏิกิริยาจะเริ่มช้าลงแล้วหยุดไปเลย (สารละลายสีเหลือง)

ปฏิกิริยารีดอกซ์แบบสั่น:

รีเอเจนต์:

1. FeSO4 7H2Oผลึกเหล็ก (II) ซัลเฟตเฮปตาไฮเดรตหรือ

เฟ(NH 4) 2 (SO 4) 2. 6H 2 O (เกลือของมอร์)ไดแอมโมเนียมซัลเฟตเฮกซาไฮเดรต-

เหล็ก(II)

2. ซี(NO3)3. 6H2Oซีเรียม (III) ไนเตรตเฮกซาไฮเดรต

3. เคบีอาร์สารละลายโพแทสเซียมโบรไมด์ที่เป็นน้ำ (2 โมล/ลิตร หรือ 12 กรัมต่อน้ำ 50 มิลลิลิตร)

4. เคบีอาร์โอ3สารละลายโพแทสเซียมโบรเมตอิ่มตัว (ประมาณ 10 กรัมต่อน้ำ 100 มิลลิลิตร)

5. H2SO4กรดซัลฟิวริกเข้มข้น

6. CH2(COOH)2สารละลายที่เป็นน้ำของกรดมาโลนิก (5 โมล/ลิตร หรือ 52 กรัม นิ้ว)

น้ำ 100 มล.)

7. C12H8N2(เฟน)โอ-ฟีแนนโทรลีน

8.น้ำกลั่น

ถ้วยชามและช้อนส้อม: Polylux พร้อมตะแกรง แผ่นกระจกขนาด 25 x 25 ซม. จานเพาะเชื้อ ขวดปริมาตร 100 มล. ขวดรูปชมพู่ขนาด 250 มล. พร้อมตัวกั้นกราวด์ ปิเปตหกอัน บิวเรต ก้านแก้ว ล้าง กระดาษกรอง

คำอธิบายของประสบการณ์: เพื่อสาธิตการทดลอง สารละลาย A และ B ได้รับการจัดเตรียมไว้ล่วงหน้า

สารละลาย ก – สารละลายเฟอร์โรอิน – ธาตุเหล็ก (II) เชิงซ้อนกับโอ-ฟีแนนโทรลีน (เฟน) เติมธาตุเหล็ก (II) ซัลเฟตเฮปตาไฮเดรต 0.70 กรัม (หรือเกลือของมอร์ 0.99 กรัม) และโอ-ฟีแนนโทรลีน 1.49 กรัม ลงในขวดวัดปริมาตรขนาด 100 มล. ปรับปริมาตรของสารละลายให้ตรงกับเครื่องหมายด้วยน้ำแล้วผสม สารละลายเปลี่ยนเป็นสีแดงเนื่องจากการก่อตัวของสารฟีแนนโทรลีนไอรอน (II):

เฟ 2+ + 3 เพ็ญ = 2+

สารละลาย บี – สารละลายกรดโบรโมมาโลนิก (เตรียมทันทีก่อนการสาธิต) ใส่สารละลายโพแทสเซียมโบรไมด์ 3.3 มล. สารละลายกรดมาโลนิก 5 มล. และกรดซัลฟิวริกเข้มข้น 5 มล. ลงในขวดทรงกรวยพร้อมจุกกราวด์ สารละลายที่ได้จะถูกไตเตรทจากบิวเรตด้วยสารละลายโพแทสเซียมโบรเมตอิ่มตัว โดยคนหลังจากเติมไทแทรนต์แต่ละส่วน เพื่อให้แน่ใจว่าสีน้ำตาลจะหายไปเนื่องจากการปล่อยโบรมีนในปฏิกิริยาการสับเปลี่ยนแบบขนาน:

BrO 3 – + 5Br – + 6H + = 3Br 2 + 3H 2 O

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

ปริมาตรรวมของสารละลายโพแทสเซียมโบรเมตที่ใช้สำหรับการไตเตรทควรอยู่ที่ประมาณ 7.5 มิลลิลิตร กรดโบรโมมาโลนิกที่ได้นั้นไม่เสถียร แต่สามารถเก็บไว้ได้ระยะหนึ่งที่อุณหภูมิ 510 0 C

เพื่อสาธิตการทดลองโดยตรง ให้วางจานเพาะเชื้อไว้บนแผ่นกระจกซึ่งปิดหน้าต่างแสงของโพลีลักซ์ โดยมีสารละลายโพแทสเซียมโบรเมตอิ่มตัว 10 มล. สารละลายกรดโบรโมมาโลนิก 4 มล. และสารละลายเฟอร์โรอิน 1.5 มล. จะถูกเติมเข้าไปอย่างต่อเนื่องโดยใช้ปิเปต ภายในไม่กี่นาที จุดสีน้ำเงินจะปรากฏบนพื้นหลังสีแดง เนื่องมาจากการก่อตัวของสารเชิงซ้อนฟีแนนโทรลีนไอรอน (III) 3+ อันเป็นผลมาจากการเกิดออกซิเดชันของสารเชิงซ้อนของเหล็ก (II) ที่เกี่ยวข้อง:

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

กระบวนการนี้เป็นการเร่งตัวเอง ส่งผลให้เกิดความซับซ้อน 3+ ออกซิไดซ์กรดโบรโมมาโลนิกเพื่อสร้างไอออนโบรไมด์:

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

= 2CO 2 + 5H 3 O + + Br – + HCOOH + 4 2+

ไอออนโบรไมด์ที่ปล่อยออกมาเป็นตัวยับยั้งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารเชิงซ้อนของเหล็ก (II) กับไอออนโบรเมต เฉพาะเมื่อมีความเข้มข้นของไอออนเชิงซ้อน 2+ มีปริมาณสูงเพียงพอ จะสามารถเอาชนะฤทธิ์ยับยั้งของโบรไมด์ไอออนได้ และสารละลายจะกลายเป็นสีน้ำเงินเนื่องจากการก่อตัวของสารเชิงซ้อนของธาตุเหล็ก (III) กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสีของสารละลายจึงเปลี่ยนจากสีน้ำเงินเป็นสีชมพูเป็นระยะหรือในทางกลับกัน การเปลี่ยนสีเริ่มต้นด้วยการปรากฏตัวของจุดสีน้ำเงินบนพื้นหลังสีชมพู ซึ่งคลื่นสีที่มีศูนย์กลางศูนย์กลางจะกระจายไปในทุกทิศทาง เมื่อเวลาผ่านไป อัตราการเปลี่ยนสีจะลดลง และในที่สุดกระบวนการก็จางหายไป ในเวลาเดียวกันคุณสามารถสังเกตเห็นลักษณะของ "จุดสีดำ" บนหน้าจอ - การฉายฟองของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมา

คุณสามารถขยายช่วงของสีได้โดยการเพิ่มผลึกซีเรียม (III) ไนเตรตเฮกซาไฮเดรตหลายผลึกลงในจานเพาะเชื้อ ซี(NO3)3. 6H2Oจากนั้น นอกจากสีน้ำเงินและสีชมพูแล้ว เรายังสามารถสังเกตเห็นสีเหลือง (เนื่องจากการก่อตัวของสารประกอบซีเรียม (IV)) หรือสีเขียว (เนื่องจากการซ้อนทับของสีเหลืองและสีน้ำเงิน):

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

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

= 2CO 2 + Br – + HCOOH + 4Ce 3+ + 9H 2 O

เมื่อถูกความร้อน อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนสีจะเร็วขึ้น

บันทึก. ฟีแนนโทรลีนเป็นสารประกอบเฮเทอโรไซคลิกที่มีอะตอมไนโตรเจน 2 อะตอมซึ่งมีอิเล็กตรอนคู่เดียวและสามารถประสานงานได้ ในสารประกอบเชิงซ้อนกับธาตุเหล็ก โอ-ฟีแนนโทรลีน มีบทบาทเป็นลิแกนด์ไบเดนเตต และสร้างสารเชิงซ้อนประเภทคีเลตที่เสถียร

บทสรุป.

ถึงตอนนี้ ปฏิกิริยาเบลูซอฟ-จาโบตินสกีได้เกิดขึ้นอย่างถูกต้องในวิทยาศาสตร์โลก ทุกปีทั่วโลกจะมีการประชุมนานาชาติหลายครั้งเกี่ยวกับพลวัตของระบบเคมีแบบไม่เชิงเส้นและจะมีการได้ยินคำว่า "ปฏิกิริยา BZ" (ตัวย่อ: ปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky) ในการประชุมอื่น ๆ อีกหลายสิบครั้งที่เกี่ยวข้องกับปัญหาทางฟิสิกส์ เคมี และชีววิทยา

ตามที่ฉันเชื่อว่าการศึกษาปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากได้พบการประยุกต์ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ ปฏิกิริยานี้ใช้เป็นแบบจำลองในการศึกษาความผิดปกติร้ายแรงของหัวใจ - ภาวะหัวใจเต้นผิดจังหวะและภาวะ และเมื่อเร็วๆ นี้ การทดลองได้เริ่มต้นขึ้นด้วยการปรับเปลี่ยนปฏิกิริยานี้โดยไวต่อแสง เมื่อไดนามิกในระบบนี้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง ปรากฎว่าปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถใช้เป็นเครื่องคอมพิวเตอร์สำหรับจัดเก็บและประมวลผลภาพได้ การดัดแปลงปฏิกิริยาเบลูซอฟ-ซาโบตินสกีที่ไวต่อแสงสามารถใช้เป็นต้นแบบของคอมเพล็กซ์คอมพิวเตอร์ที่อาจมาแทนที่คอมพิวเตอร์

ในทางกลับกัน ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่นเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการจัดระเบียบตนเองในธรรมชาติที่ไม่มีชีวิต และในแง่นี้ไม่เพียงแต่มีความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ตามธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญทางปรัชญาด้วย การเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีการจัดองค์กรด้วยตนเอง ส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากแรงผลักดันเบื้องต้นที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้รับในช่วงเปลี่ยนทศวรรษปี 1950-1960 เมื่อเบลูซอฟค้นพบปฏิกิริยาเคมีรีดอกซ์ ในเวลาเดียวกัน มีการค้นพบการเปรียบเทียบที่น่าทึ่ง ปรากฎว่าปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมากมาย ตั้งแต่การก่อตัวของกาแลคซีไปจนถึงพายุทอร์นาโด พายุไซโคลน และการเล่นแสงบนพื้นผิวสะท้อนแสง ที่จริงแล้วเป็นกระบวนการของการจัดระเบียบตนเอง สิ่งเหล่านี้อาจมีลักษณะที่แตกต่างกันมาก: เคมี เครื่องกล แสง ไฟฟ้า ฯลฯ

ดังนั้นการวิจัยประยุกต์จึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เช่น ในด้านการสร้างแบบจำลองวิธีทางเลือกในการประมวลผลข้อมูล (โดยเฉพาะการวิเคราะห์โมเสกที่ซับซ้อนพร้อมการไล่ระดับความสว่างของวัตถุ) ทิศทางใหม่ของการวิจัยประยุกต์อีกประการหนึ่งคือการศึกษาคุณสมบัติการเกิดพอลิเมอไรเซชันในระบบ BZ หรือที่คล้ายกัน

องค์กรเชิงพื้นที่ - ชั่วคราวที่ซับซ้อนซึ่งแสดงโดยระบบ BZ ในกรณีที่ไม่มีการผสมเมื่อเวลาผ่านไปพบการเปรียบเทียบในธรรมชาติในระบบทางชีววิทยา (ตัวอย่างเช่น: กระบวนการเมแทบอลิซึมของเซลล์เป็นระยะ ๆ คลื่นของกิจกรรมในเนื้อเยื่อหัวใจและในเนื้อเยื่อสมอง กระบวนการที่เกิดขึ้นในระดับของระบบที่ไม่ใช่ระบบนิเวศ) ในสาขาใหม่ - การทำงานร่วมกัน (ทฤษฎีการจัดองค์กรตนเอง) รวมถึงงานทดลองที่ริเริ่มการพัฒนาทฤษฎีสมัยใหม่ของระบบไดนามิก แม้ว่าในปัจจุบันปฏิกิริยาดังกล่าวส่วนใหญ่จะเป็นที่เข้าใจกันดีอยู่แล้ว แต่สาเหตุที่ทำให้เกิดกระบวนการทางเคมีแบบสั่นยังไม่ชัดเจน

ปัจจุบัน จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนเป็นสาขาความรู้ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งเกิดขึ้นที่จุดตัดของเคมี ชีววิทยา การแพทย์ ฟิสิกส์ และคณิตศาสตร์ เป็นเรื่องที่น่าสนใจมากสำหรับฉันที่จะทำความคุ้นเคยกับคุณสมบัติของสิ่งมีชีวิตที่ผิดปกติและเป็นไปไม่ได้เมื่อมองแวบแรก แต่สิ่งที่ทำให้ฉันทึ่งยิ่งกว่านั้นคือการค้นพบที่น่าประทับใจและสำคัญอย่างเหลือเชื่อนั้นไม่มีใครรับรู้มาหลายปีแล้ว และจิตใจผู้ยิ่งใหญ่ในยุคนั้นก็ไม่เข้าใจเลย การค้นพบครั้งนี้ต้องผ่านเส้นทางที่ยากลำบาก และในที่สุดก็มาถึงจุดที่ถูกต้องในวิทยาศาสตร์โลก และความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาดังกล่าวพิสูจน์ให้เห็นอีกครั้งว่าในโลกของเรายังมีสิ่งที่ไม่รู้จักและยังไม่ได้ศึกษาอีกมาก

แอปพลิเคชัน.

สูตรสำหรับปฏิกิริยาการสั่นบางอย่าง

สูตรที่ 1:มีความจำเป็นต้องเตรียมสารละลายของสารต่อไปนี้ตามความเข้มข้นสุดท้าย: กรดมาโลนิก 0.2 M; โซเดียมโบรเมต 0.3 M; กรดซัลฟิวริก 0.3 M; เฟอร์โรอิน 0.005 M. เฟอร์โรอินสามารถแทนที่ด้วยแมงกานีสไดวาเลนต์หรือซีเรียมซัลเฟตไดวาเลนต์ได้ แต่ความเข้มของสีจะอ่อนลงอย่างมาก ควรเทสารละลายของส่วนประกอบทั้งหมดประมาณ 5 มล. ลงในจานเพาะเชื้อเพื่อให้ความหนาของชั้นของเหลวอยู่ที่ 0.5-1 มม. หลังจากผ่านไป 3-8 นาที (ช่วงเปลี่ยนผ่าน) จะสามารถสังเกตการสั่นสะเทือนและคลื่นเคมีได้

สูตรที่ 2:เทสารละลายต่อไปนี้ลงในคิวเวทท์ใสแบนเป็นชั้นๆ (1 มล.):

- เคบีอาร์โอ 3(0.2 โมล/ลิตร)

- กรดมาโลนิก (0.3 โมล/ลิตร)

- เฟอร์โรอิน (0.003 โมล/ลิตร)

- H2SO4(0.3 โมล/ลิตร)

วางคิวเวตต์ไว้บนแผ่นกระดาษสีขาว อัตราการเกิดปฏิกิริยาสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการเติมอัลคาไลหรือกรด

สูตรที่ 3:โซลูชั่นที่จำเป็น:

- กรดซิตริก (40 กรัมใน 160 มล. H 2 O)

- H2SO4 (1:3).

และยังมีไฟล์แนบ:

- KBrO3(16 กรัม)

- ซีอี 2 (เอสโอ 4) 3(3-3.5 ก.)

ตั้งอุณหภูมิสารละลายกรดซิตริกให้ร้อนถึง 40°-50° C จากนั้นเทตัวอย่าง KBrO 3 ลงไป วางแก้วบนแผ่นกระดาษสีขาวแล้วเติมตัวอย่าง Ce 2 (SO 4) 3 และ H 2 SO 4 เล็กน้อย การสลับสีจะเริ่มเกิดขึ้นทันที: สีเหลือง > ไม่มีสี > สีเหลือง โดยมีระยะเวลา 1-2 นาที

สูตรที่ 4:โซลูชั่นที่จำเป็น:

- เอช 2 โอ 2(50 มล. 30%)

- คีโอ 3(7.17 กรัม ใน 50 มล. H 2 O)

- เอชซีแอลโอ 4(สารละลายเจือจาง 30 มล.)

- กรดมาโลนิก (3 กรัมใน 50 มล. H 2 O) และน้ำหนัก:

- เอ็มเอ็นเอสโอ4(1g) และแป้งเล็กน้อย

เททุกอย่างลงในแก้วเดียว (200-250 มล.) เติมส่วนหนึ่งลงไป คนด้วยแท่งแก้ว มีการสลับสี: ไม่มีสี > เหลือง > น้ำเงิน

บรรณานุกรม.

1. Aliev R., Shnol S. E. “ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น” จลนพลศาสตร์และการเร่งปฏิกิริยา 2541 ลำดับที่ 3 หน้า 130-133.

2. Shnol S.E. ความรู้คือพลัง พ.ศ. 2537 ฉบับที่ 3 หน้า 62-71.

3. Zhabotinsky A. M. ความเข้มข้นของการสั่นในตัวเอง อ.: เนากา, 2517.

4. Garel D. , Garel O. ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น / การแปล จากอังกฤษ ม.:

5. Dubnischeva T. Ya. แนวคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ โนโวซี-

เบิร์สค์: YuKEA, 1997, หน้า 683 – 697.

6. แนวความคิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ เอ็ด V. N. Lavrinenko

V. P. Ratnikova, M.: UNITY-DANA, 1999, หน้า 78 - 87

7. วาวิลิน บี.วี. "การแกว่งตัวเองในระบบเคมีเฟสของเหลว"

ธรรมชาติ, 2000, ฉบับที่ 5, หน้า 19 – 25.

การค้นพบการสั่น
ปฏิกริยาเคมี

ในปี 2544 B.P. Belousov เฉลิมฉลองครบรอบ 50 ปีของการค้นพบปฏิกิริยาเคมีที่สั่นไหวในตัวเองซึ่งทำให้สามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของรีเอเจนต์เป็นระยะและการแพร่กระจายของคลื่นอัตโนมัติในระบบเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกัน

“คุณมองไปที่แก้วของเหลวสีแดงม่วง ทันใดนั้นมันก็เปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินสดใส แล้วก็สีแดงม่วงอีกครั้ง และสีน้ำเงินอีกครั้ง และคุณเริ่มหายใจทันเวลาพร้อมกับการสั่นสะเทือนโดยไม่ได้ตั้งใจ และเมื่อของเหลวถูกเทลงในชั้นบาง ๆ คลื่นสีก็จะเปลี่ยนไปกระจายไปทั่ว รูปแบบที่ซับซ้อน วงกลม วงก้นหอย น้ำวนถูกสร้างขึ้น หรือทุกสิ่งทุกอย่างดูวุ่นวายไปหมด” นี่คือวิธีที่ศาสตราจารย์ S.E. Shnol ผู้มีบทบาทสำคัญในการกอบกู้มันจากการลืมเลือนที่ไม่สมควร บรรยายถึงปฏิกิริยาทางเคมีที่สั่นคลอนเป็นเนื้อเดียวกันนี้
ในปีพ. ศ. 2501 มีการจัดงานสัมมนาที่สถาบันฟิสิกส์เคมีของ Academy of Sciences ของสหภาพโซเวียต ผู้บรรยายซึ่งเป็นนักชีวฟิสิกส์หนุ่ม Shnol พูดคุยเกี่ยวกับจังหวะชีวภาพได้พัฒนาสมมติฐานของเขาที่ว่านาฬิกาชีวภาพถูกควบคุมโดยปฏิกิริยาทางเคมี เพื่อยืนยันสิ่งนี้ จำเป็นต้องมีตัวอย่างจริงของการสั่นสะเทือนทางเคมี และผู้บรรยายถามผู้ฟังว่ามีใครสามารถชี้ให้เห็นได้หรือไม่ ไม่มีใครยกตัวอย่างเช่นนี้ ยิ่งกว่านั้น มีการแสดงความคิดบางอย่างเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้พื้นฐานของความผันผวนของความเข้มข้นในปฏิกิริยาเคมี ปัญหาได้รับการแก้ไขด้วยวิธีที่ไม่คาดคิด หลังจากการสัมมนาปิด เมื่อผู้เข้าร่วมเกือบทั้งหมดออกไปแล้ว นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษารุ่นเยาว์คนหนึ่งเข้ามาหาวิทยากรและบอกว่าลุงของเขาเคยศึกษาการสั่นสะเทือนของสารเคมีเมื่อห้าหรือหกปีที่แล้ว

เรื่องราวที่ซับซ้อนเช่นนี้

ปรากฎว่าชโนลตามหาผู้ชายคนนี้มานานแล้ว ลุงหรือลุงของนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Boris Smirnov, Boris Pavlovich Belousov ย้อนกลับไปในปี 1951 ค้นพบความผันผวนของความเข้มข้นของซีเรียมออกซิไดซ์และรูปแบบรีดิวซ์ในปฏิกิริยาของกรดซิตริกกับโพแทสเซียมโบรเมตซึ่งเร่งปฏิกิริยาด้วยซีเรียมไอออน สารละลายเปลี่ยนสีเป็นประจำจากไม่มีสีเป็นสีเหลืองเนื่องจากมีซีเรียม (IV) จากนั้นจึงเปลี่ยนสีอีกครั้งเป็นไม่มีสีเนื่องจากซีเรียม (III) เป็นต้น Belousov ได้ทำการศึกษาปฏิกิริยานี้อย่างละเอียดพอสมควร และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง พบว่า ระยะเวลาการแกว่งจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเพิ่มความเป็นกรดของสภาพแวดล้อมและอุณหภูมิ
ปฏิกิริยานี้ยังสะดวกสำหรับการวิจัยในห้องปฏิบัติการอีกด้วย การสั่นสามารถสังเกตได้ง่ายด้วยสายตา และคาบของพวกมันอยู่ในช่วง 10–100 วินาที
แท้จริงแล้ว ประวัติศาสตร์สมัยใหม่ของการวิจัยเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีแบบสั่นสะเทือนในสถานะของเหลวเริ่มต้นในปี 1951 ด้วยการค้นพบของ Belousov แม้ว่าสำหรับผู้เขียนเองทุกอย่างจะไม่ราบรื่นนัก บทความของเขาที่อธิบายปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนถูกบรรณาธิการวารสารเคมีเชิงวิชาการปฏิเสธถึงสองครั้ง เฉพาะในปีพ.ศ. 2501 เท่านั้นที่ฉบับย่อปรากฏใน "คอลเลกชันบทคัดย่อเกี่ยวกับการแพทย์ทางรังสี" ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จัก
ขณะนี้ปรากฏว่าสาเหตุหลักที่ทำให้นักเคมีปฏิเสธปรากฏการณ์นี้ก็คือความเชื่อที่แพร่หลายว่ากฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ยังห้ามไม่ให้ความผันผวนของความเข้มข้นอยู่ห่างไกลจากจุดสมดุล
ในขณะที่นักเคมีซึ่งเข้าร่วมโดยนักชีวเคมีมีมติเป็นเอกฉันท์ปฏิเสธการสั่นสะเทือนของสารเคมี แต่อย่างหลังยังคงดึงดูดความสนใจของนักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ที่สนใจในชีววิทยา ในปี 1952 บทความของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ A.M. Turing "พื้นฐานทางเคมีของ Morphogenesis" ปรากฏขึ้นซึ่งเขารายงานว่าการรวมกันของการสั่นสะเทือนทางเคมีกับการแพร่กระจายของโมเลกุลสามารถนำไปสู่การปรากฏตัวของโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่มั่นคงพื้นที่ที่มีความเข้มข้นสูงและต่ำ ซึ่งสลับกัน ทัวริงตั้งปัญหาทางทฤษฎีให้กับตัวเอง: โครงสร้างของผลิตภัณฑ์ขั้นกลางที่เสถียรสามารถก่อตัวขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์ภายใต้เงื่อนไขของปฏิกิริยาเคมีได้หรือไม่ และเขาก็ให้คำตอบเชิงบวก โดยสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการขึ้นมา ในเวลานั้นงานนี้ไม่ได้รับความสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทัวริงเองและเพื่อนร่วมงานไม่สามารถรู้เกี่ยวกับงานของเบลูซอฟและความพยายามที่ไร้ประโยชน์ของเขาในการเผยแพร่
ในปี 1955 นักฟิสิกส์และนักเคมีกายภาพชาวเบลเยียม ผู้เขียนทฤษฎีอุณหพลศาสตร์ของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ I.R. Prigogine แสดงให้เห็นว่าในระบบเปิด ใกล้กับสภาวะนิ่ง ซึ่งอยู่ห่างจากสมดุลทางเคมีอย่างเพียงพอ การสั่นสะเทือนของสารเคมีเป็นไปได้ เขาเป็นคนที่ดึงความสนใจของชุมชนวิทยาศาสตร์ตะวันตกมาสู่งานของนักวิทยาศาสตร์โซเวียต ผลที่ตามมาคือปฏิกิริยาเคมีต่างชนิดที่มีการสั่นซึ่งค้นพบเมื่อปลายศตวรรษที่ 19 จึงได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง พวกเขาคือผู้ที่เริ่มถูกมองว่าเป็นอะนาล็อกของกระบวนการเป็นระยะ ๆ เช่น "นาฬิกาชีวภาพ"
เป็นที่แน่ชัดสำหรับนักวิจัยว่ากฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จะไม่ถูกละเมิดในระบบสิ่งมีชีวิตและไม่รบกวนพฤติกรรมและวิวัฒนาการที่ซับซ้อนของพวกเขา แต่เพื่อให้แบบจำลองชีวิตหรือทางกายภาพหรือเคมีใดๆ ของมันดำรงอยู่ได้ จำเป็นที่ระบบจะอยู่ห่างจากสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เป็นเวลานานพอสมควร และระบบเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกันอาจกลายเป็นแบบอย่างที่สะดวกในการศึกษากระบวนการดังกล่าว
ในเวลานี้เองที่ศาสตราจารย์ Shnol ได้รับ "สูตร" สำหรับปฏิกิริยาสั่นจาก Belousov และเสนอความร่วมมือแก่เขาซึ่งเขาปฏิเสธอย่างเด็ดขาดแม้ว่าเขาจะไม่คัดค้านการสานต่องานนี้ก็ตาม
ในปี 1961 นักวิชาการ I.E. Tamm นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชั้นนำได้ตัดสินใจ "ตรวจสอบ" สถานะของกิจการที่ภาควิชาชีวฟิสิกส์ที่สร้างขึ้นใหม่ของคณะฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก Shnol แสดงปฏิกิริยาของ Belousov ให้เขาดู นี่คือวิธีที่ Shnol พูดถึงเรื่องนี้: “ Igor Evgenievich เห็นมันและหยุดอยู่นานเพื่อเพลิดเพลินกับมัน จากนั้นเขาก็พูดว่า:“ คุณรู้ไหมว่าพี่น้องเมื่อมีปฏิกิริยาเช่นนี้คุณไม่จำเป็นต้องกังวล: จะมีปริศนาและงานเพียงพอสำหรับหลายปี” คำพูดของ Igor Evgenievich มีผลกระทบต่อหลาย ๆ คน Tolya Zhabotinsky จากชั้นประถมศึกษาปีที่ 1 ของเรา นักฟิสิกส์เชิงพันธุกรรม ตามที่เขาพูดกับตัวเอง ตัดสินใจที่จะรับปฏิกิริยานี้”
Shnol สนับสนุนนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์และแนะนำให้นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา A.M. Zhabotinsky เริ่มค้นคว้าเกี่ยวกับกลไกของปฏิกิริยา Belousov ซึ่งเขาเริ่มต้นอย่างกระตือรือร้น “ลักษณะเด่นของงานของ Zhabotinsky และกลุ่มผู้ทำงานร่วมกันที่ก่อตั้งขึ้นรอบตัวเขา” Shnoll เล่า “คือการผสมผสานระหว่างการทดลองทางเคมี วิธีการลงทะเบียนทางกายภาพ และการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ในแบบจำลองเหล่านี้ - ระบบสมการเชิงอนุพันธ์ - ค่าคงที่จลน์ถูกแทนที่ด้วยข้อมูลการทดลอง หลังจากนั้นก็สามารถเปรียบเทียบบันทึกการทดลองการสั่นสะเทือนกับเส้นโค้งที่ได้จากการสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ได้”
ต่อมางานนี้ยังคงดำเนินต่อไปในห้องปฏิบัติการชีวเคมีเชิงฟิสิกส์ของสถาบันฟิสิกส์ชีวภาพของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งสหภาพโซเวียต วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิตสาขาฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ V.A. Vavilin เล่าว่า “Zhabotinsky และฉันซึ่งเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาชีวฟิสิกส์ คณะฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก ต้องเผชิญกับภารกิจในการตรวจจับความผันผวนของระบบ Bray โดยใช้การบันทึกไอโอดีนแบบสเปกโตรโฟโตเมตริกอย่างต่อเนื่อง ความเข้มข้น. การเปรียบเทียบกลไกการเกิดปฏิกิริยาของเบลูซอฟและเบรย์ก็น่าสนใจเช่นกัน” ความจริงก็คือการสั่นสะเทือนในระบบเคมีเฟสของเหลวถูกค้นพบในปี 1921 โดย W. Bray ในระหว่างการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์กับโพแทสเซียมไอโอเดต เขาค้นพบการปล่อยออกซิเจนออกจากระบบเป็นระยะๆ โดยบันทึกการสั่นแบบหน่วงอย่างรุนแรงหลายช่วงเวลา นักวิจัยบางคนอ้างถึงวิวัฒนาการของก๊าซที่รุนแรง แสดงความสงสัยเกี่ยวกับธรรมชาติของปฏิกิริยานี้ ดังนั้นการทดลองของเบรย์จึงไม่เคยพิสูจน์การมีอยู่ของปฏิกิริยาออสซิลเลเตอร์ในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน
ระหว่างปฏิกิริยาทั้งสองเป็นระยะของ Bray และ Belousov "การแข่งขัน" แบบหนึ่งก็เกิดขึ้นทันที อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการทำซ้ำได้ง่ายของผลลัพธ์และเอฟเฟกต์ภาพที่สวยงามที่สังเกตได้ในปฏิกิริยา Belousov มีส่วนทำให้เกิดกลุ่มสมัครพรรคพวกจำนวนมากและกลายเป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวาง (ต่อมาถูกเรียกว่าปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky หรือปฏิกิริยา BZ และปฏิกิริยาเบรย์เป็นระยะ - ปฏิกิริยาเบรย์) จากข้อมูลของ Vavilin การค้นพบและการศึกษาความผันผวนในตัวเองระหว่างปฏิกิริยา Belousov โดย S.E. Shnoll, A.M. Zhabotinsky, V.I. Krinsky, A.N. Zaikin อาจเป็นหน้าหลักทางวิทยาศาสตร์ของรัสเซียในยุคหลังสงคราม . อย่างไรก็ตาม Jabotinsky เป็นเจ้าของหนังสือเล่มแรก ๆ ในพื้นที่นี้
การศึกษาปฏิกิริยา Belousov–Zhabotinsky อย่างรวดเร็วและประสบความสำเร็จนั้นเป็นตัวกระตุ้นทางวิทยาศาสตร์ พวกเขาจำได้ทันทีว่ากระบวนการประเภทนี้เคยเป็นที่รู้จักมาก่อน อย่างไรก็ตาม คุณค่าของปฏิกิริยาของ Belousov ตามที่ศาสตราจารย์ B.V. Volter กล่าวไว้ ผู้ซึ่งเป็นคนแรกที่สังเกตเห็นความสำคัญของปฏิกิริยาการสั่นในกระบวนการเทคโนโลยีเคมีอุตสาหกรรมนั้น "ไม่ได้อยู่ในลำดับความสำคัญ แต่อยู่ในความเรียบง่ายและชัดเจนของ การทดลองและสุดท้ายในผลลัพธ์ที่ได้รับด้วยความช่วยเหลือจากการเปลี่ยนแปลงที่น่าสนใจนี้โดย A.M. Zhabotinsky, A.N. Zaikin, E.E. Selkov และคนอื่นๆ” หากเราย้อนกลับไปในอดีต คำอธิบายแรกของการแกว่งในระบบความเข้มข้นมีมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 19

การศึกษาความเข้มข้น
ลังเลก่อนเปิด
ปฏิกิริยาของ Belousov

ปรากฎว่าหนึ่งในสิ่งพิมพ์แรก ๆ เกี่ยวกับการสั่นสะเทือนทางเคมีมีอายุย้อนไปถึงปี 1828 ในนั้น T. Fechner นำเสนอผลการศึกษาการสั่นสะเทือนของปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ในปี ค.ศ. 1833 V. Herschel ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาที่คล้ายกันเกี่ยวกับการแกว่งของปฏิกิริยาต่างกันที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือผลงานของ M. Rosenskiöld ซึ่งมีอายุย้อนไปถึงปี 1834 ผู้เขียนสังเกตเห็นโดยบังเอิญว่าขวดเล็กที่มีฟอสฟอรัสเล็กน้อยปล่อยแสงที่ค่อนข้างเข้มข้นในความมืด ไม่มีอะไรน่าแปลกใจที่ฟอสฟอรัสเรืองแสง แต่การที่เรืองแสงนี้เกิดขึ้นซ้ำๆ ทุกๆ เจ็ดวินาทีก็น่าสนใจ สิ่งพิมพ์ของ Rosenskiöld ให้การศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับการกะพริบของหลอดไฟ สี่สิบปีต่อมา การทดลองกับ "ขวดกะพริบ" เหล่านี้ยังคงดำเนินต่อไปโดยชาวฝรั่งเศส M. Joubert (1874) เขาสามารถสังเกตการก่อตัวของ “เมฆเรืองแสง” เป็นระยะๆ ในหลอดทดลองได้ อีกยี่สิบปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน A. Zentnerschwer ยังได้ศึกษาผลกระทบของความกดอากาศต่อการระบาดของฟอสฟอรัสเป็นระยะ ในการทดลองของเขา ระยะเวลาของแสงวาบเริ่มต้นที่ 20 วินาทีและลดลงตามความดันที่ลดลง ในเวลาเดียวกัน ในประเทศอังกฤษ นักเคมี T. Thorpe และ A. Tatton สังเกตการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของฟอสฟอรัสไตรออกไซด์ในภาชนะแก้วที่ปิดสนิทเป็นระยะๆ
หน้าที่สดใสเป็นพิเศษในประวัติศาสตร์ของการสั่นสะเทือนทางเคมีมีความเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าวงแหวนลีเซกัง ในปี 1896 นักเคมีชาวเยอรมัน R. Liesegang ซึ่งทดลองกับโฟโตเคมีคอล ค้นพบว่าถ้าลาพิสถูกทิ้งลงบนจานแก้วที่เคลือบด้วยเจลาตินที่มีโครเมียม ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่ตกตะกอนจะวางอยู่บนจานในวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน ลีเซกังรู้สึกทึ่งกับปรากฏการณ์นี้และใช้เวลาเกือบครึ่งศตวรรษในการค้นคว้าเรื่องนี้ ยังพบการนำไปใช้จริงอีกด้วย ในงานศิลปะประยุกต์ แหวน Liesegang ถูกนำมาใช้ในการตกแต่งผลิตภัณฑ์ต่างๆ ด้วยแจสเปอร์เทียม มาลาไคต์ อาเกต ฯลฯ Liesegang เองก็เสนอเทคโนโลยีในการทำไข่มุกเทียม อย่างไรก็ตาม การค้นพบของ Liesegang ซึ่งมีเสียงสะท้อนอย่างมากในแวดวงเคมีทางวิทยาศาสตร์ ไม่ใช่ครั้งแรก มีการศึกษาคลื่นเคมีต่อหน้าเขาและในปี พ.ศ. 2398 หนังสือของ F. Runge ได้รับการตีพิมพ์ซึ่งรวบรวมตัวอย่างการทดลองมากมาย
รายการตัวอย่างที่คล้ายกันสามารถดำเนินการต่อได้ หลังจากนั้น ปฏิกิริยาการแกว่งที่ส่วนต่อประสานระหว่างสองเฟสก็ถูกค้นพบ สิ่งเหล่านี้ที่รู้จักกันดีที่สุดคือปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสานของสารละลายโลหะซึ่งได้รับชื่อเฉพาะ - "เส้นประสาทเหล็ก" และ "หัวใจปรอท" ประการแรก - ปฏิกิริยาของการละลายเหล็ก (ลวด) ในกรดไนตริก - ได้รับชื่อเนื่องจากความคล้ายคลึงภายนอกกับพลวัตของเส้นประสาทที่ตื่นเต้นซึ่งสังเกตเห็นโดย V.F. ประการที่สองหรือมากกว่าหนึ่งตัวแปรคือปฏิกิริยาการสลายตัวของ H 2 O 2 บนพื้นผิวของปรอทโลหะ ปฏิกิริยานี้เกี่ยวข้องกับการก่อตัวและการละลายของฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวปรอทเป็นระยะ ความผันผวนของแรงตึงผิวของปรอททำให้เกิดการหยดเป็นจังหวะชวนให้นึกถึงการเต้นของหัวใจ แต่ปฏิกิริยาทั้งหมดนี้ไม่ได้ดึงดูดความสนใจจากนักเคมีมากนัก เนื่องจากแนวคิดเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมียังค่อนข้างคลุมเครือ
เฉพาะในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 เท่านั้น อุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์เคมีเกิดขึ้น ทำให้เกิดความสนใจเฉพาะในปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนและวิธีการวิเคราะห์ และในเวลาเดียวกัน การพัฒนาอุณหพลศาสตร์สมดุลซึ่งเริ่มแรกทำหน้าที่เป็นตัวขัดขวางการศึกษากระบวนการดังกล่าว เห็นได้ชัดว่าปัญหาคือ “ความเฉื่อยของความรู้เดิม” ตามที่ศาสตราจารย์ชนอลกล่าวว่า “ผู้มีการศึกษาไม่สามารถจินตนาการถึงลำดับมหภาคในการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนแบบสุ่มของโมเลกุลจำนวนมหาศาลได้: โมเลกุลทั้งหมดอยู่ในสถานะเดียวหรืออย่างอื่น! มันเหมือนกับการตระหนักถึงการมีอยู่ของเครื่องจักรที่เคลื่อนที่ตลอดเวลา สิ่งนี้ไม่เป็นความจริง และในความเป็นจริงสิ่งนี้ไม่สามารถเป็นได้ ไม่สามารถมีสภาวะสมดุลใกล้เคียงได้ และนั่นเป็นเพียงสิ่งเดียวที่พิจารณาโดยอุณหพลศาสตร์ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา อย่างไรก็ตาม ไม่มีข้อจำกัดเกี่ยวกับโหมดที่ซับซ้อน รวมถึงการสั่น สำหรับระบบเคมีที่ไม่มีสมดุล เมื่อปฏิกิริยายังไม่สมบูรณ์ และความเข้มข้นของรีเอเจนต์ยังไม่ถึงระดับสมดุล แต่เหตุการณ์นี้ทำให้ความสนใจของนักเคมีหลุดลอยไป... ต้องใช้ความพยายามทางสติปัญญาเป็นพิเศษในการแยก "โซ่ตรวนเหล็กแห่งความรู้ที่สมบูรณ์" และตรวจสอบพฤติกรรมของระบบที่อยู่ห่างไกลจากความสมดุล"
อย่างไรก็ตามในปี 1910 ชาวอิตาลี A. Lotka ซึ่งใช้การวิเคราะห์ระบบสมการเชิงอนุพันธ์ทำนายความเป็นไปได้ของการแกว่งในระบบเคมีโดยใช้การวิเคราะห์ระบบสมการเชิงอนุพันธ์ อย่างไรก็ตาม แบบจำลองทางคณิตศาสตร์รุ่นแรกนั้นสอดคล้องกับการสั่นแบบหน่วงเท่านั้น เพียง 10 ปีต่อมา Lotka ได้เสนอระบบที่มีปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติสองครั้งตามมา และในแบบจำลองนี้ การสั่นอาจไม่ถูกทำให้หมาด ๆ อยู่แล้ว
อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งของนักฟิสิกส์และนักเคมีแยกออกจากกันที่นี่ หนึ่งในความสำเร็จที่โดดเด่นที่สุดของฟิสิกส์และคณิตศาสตร์แห่งศตวรรษที่ 20 – การสร้างทฤษฎีการแกว่ง ข้อดีที่ยิ่งใหญ่และเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปเป็นของนักฟิสิกส์โซเวียต ในปี 1928 นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา A.A. Andronov ซึ่งเป็นนักวิชาการในอนาคตได้พูดในที่ประชุมของนักฟิสิกส์ด้วยรายงานเรื่อง "วงจรจำกัดของ Poincaré และทฤษฎีของการแกว่งตัวของตัวเอง"
ในช่วงต้นทศวรรษ 1930 ที่สถาบันฟิสิกส์เคมีของ USSR Academy of Sciences มีการค้นพบการแกว่งของแสงใน "เปลวไฟเย็น" ซึ่งคล้ายกับการเรืองแสงแบบสั่นสะเทือนของไอฟอสฟอรัสซึ่งสนใจนักฟิสิกส์ชื่อดัง D.A แบบจำลองจลน์ศาสตร์ของ Lotka และในปี พ.ศ. 2490 วิทยานิพนธ์ในหัวข้อ "ทฤษฎีการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกันเป็นระยะ" ซึ่งเขียนโดย I.E. Salnikov ภายใต้การดูแลทางวิทยาศาสตร์ของ Frank-Kamenetsky ได้ถูกนำเสนอเพื่อป้องกันตัว วิทยานิพนธ์นี้มีข้อมูลที่กว้างขวางเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของการศึกษาการสั่นสะเทือนทางเคมีมานานกว่าศตวรรษและผลแรกของการศึกษาเชิงทฤษฎีโดยใช้วิธีทฤษฎีการสั่นสะเทือนแบบไม่เชิงเส้นที่พัฒนาโดยโรงเรียนของนักวิชาการ Andronov แต่การป้องกันของเธอไม่ได้เกิดขึ้นแล้ว ตามคำกล่าวของวอลแตร์ "งานของ Frank-Kamenetsky และ Salnikov เกี่ยวกับการผันผวนของสารเคมีซึ่งนำเสนอในวิทยานิพนธ์ในหนังสือและในบทความจำนวนหนึ่งถือเป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับวิทยาศาสตร์เคมีในยุคนั้นอย่างแน่นอน แต่มีเพียงไม่กี่คนที่เข้าใจนวัตกรรมนี้ “อุดมการณ์แบบสั่นคลอน” (คำศัพท์ของ Andronov) นั้นแปลกสำหรับชีวิตประจำวันที่ไม่ผันผวนของวิทยาศาสตร์เคมีและการปฏิบัติ และสิ่งนี้สามารถอธิบายความจริงที่ว่างานของ Frank-Kamenetsky และ Salnikov ในทศวรรษที่ 1940 ได้รับการต้อนรับด้วยความเกลียดชัง และเมื่อมีการค้นพบการสั่นสะเทือนทางเคมีครั้งที่สอง ก็ไม่มีใครจำสิ่งเหล่านั้นได้” ยังคงเป็นปริศนาว่า Belousov มีความคิดเกี่ยวกับผลงานเหล่านี้หรือไม่ ไม่ว่าในกรณีใด บทความทั้งสองของเขาไม่ได้อ้างอิงถึงงานของบรรพบุรุษของเขา

ปฏิกิริยาของเบลูซอฟ
และการชี้แจงกลไกของมัน

ให้เรากลับมาพิจารณาสาระสำคัญของปฏิกิริยาการสั่นที่เป็นเนื้อเดียวกัน เบลูซอฟใช้กรดซิตริกและอนุพันธ์ของซีเรียมเป็นคู่รีดิวซ์ออกซิไดซ์ นักเรียนและผู้ร่วมงานของ Belousov A.P. Safronov แนะนำให้เพิ่มธาตุเหล็กที่มีฟีนันโทรนิลลงในสารละลาย ในสถานการณ์เช่นนี้ สีเปลี่ยนไปอย่างน่าทึ่ง: จากม่วงแดงเป็นน้ำเงินสดใส Zhabotinsky ซึ่งเริ่มการศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกการเกิดปฏิกิริยา ในที่สุดก็แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาการแกว่งในตัวเองสามารถเกิดขึ้นได้ในกรณีที่กรดซิตริกถูกแทนที่ด้วยกรดไดคาร์บอกซิลิกอื่น ๆ ที่มีกลุ่มเมทิลีนที่ใช้งานอยู่และคู่ตัวเร่งปฏิกิริยารีดอกซ์ Ce(IV )/Ce(III) แทนที่ด้วยคู่ Mn(III)/Mn(II) หรือคู่เฟอร์โรอิน/เฟอร์ริอิน ตามที่ Belousov ใช้อยู่แล้ว ขวดนี้ดูหรูหราและสวยงามที่สุดหากใช้กรดมาโลนิก และใช้ไอออนของเหล็ก Fe2+ แทนไอออนซีเรียม จากนั้นสารละลายในขวดสามารถเปลี่ยนสีตลอดช่วงที่มองเห็นได้เป็นเวลาหลายชั่วโมงด้วยความถี่ที่เข้มงวดตั้งแต่สีแดงทับทิมไปจนถึงสีฟ้า สูตรโดยรวมของปฏิกิริยาดูค่อนข้างง่าย แต่ปฏิกิริยาดำเนินไปในขั้นตอนมากกว่า 20 ขั้นตอนและด้วยการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ระดับกลางในจำนวนเท่ากัน เรามาดูปฏิกิริยานี้กันดีกว่า
เพื่อดำเนินการดังกล่าว จึงได้เตรียมวิธีแก้ปัญหาไว้ 2 ประการ ได้แก่ A และ B
A – สารละลายเฟอร์โรอิน, เหล็ก (II) เชิงซ้อนด้วย โอ-ฟีแนนโทรลีน (เฟน) – 2+ :

เฟ 2+ + 3 เฟน = 2+

สามารถเตรียมสารละลายไว้ล่วงหน้าได้
B – สารละลายของกรดโบรโมมาโลนิก (เตรียมทันทีก่อนการสาธิต):

กรดโบรโมมาโลนิกที่ได้นั้นไม่เสถียร แต่สามารถเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำได้ระยะหนึ่ง
เพื่อสาธิตการทดลองโดยตรง ให้วางจานเพาะเชื้อบนแผ่นกระจกที่ปิดช่องแสง โดยเติมสารละลายโพแทสเซียมโบรเมตอิ่มตัว สารละลายกรดโบรโมมาโลนิก และสารละลายเฟอร์โรอินตามลำดับโดยใช้ปิเปต ภายในไม่กี่นาที พื้นที่สีน้ำเงินจะปรากฏบนพื้นหลังสีแดงในถ้วย นี่เป็นเพราะการก่อตัวของเฟอร์โรอิน 3+ คอมเพล็กซ์อีกตัวในระหว่างปฏิกิริยารีดอกซ์ของเฟอร์โรอิน 2+ คอมเพล็กซ์กับโบรเมตไอออน:

กระบวนการนี้เกิดขึ้นพร้อมกับการเร่งความเร็วอัตโนมัติ จากนั้นผลเชิงซ้อน 3+ ที่เกิดขึ้นจะออกซิไดซ์กรดโบรโมมาโลนิกเพื่อสร้างไอออนโบรไมด์:

4 3+ + BrCH(COOH) 2 + 7H 2 O =
4 2+ + 2CO 2 + 5H 3 O+ + Br – + HCOOH

ไอออนโบรไมด์ที่ปล่อยออกมาเป็นตัวยับยั้งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารเชิงซ้อนของเหล็ก (II) กับไอออนโบรเมต เมื่อความเข้มข้นของ 2+ สูงเพียงพอเท่านั้น ผลการยับยั้งของโบรไมด์ไอออนจะเอาชนะ และปฏิกิริยาของการผลิตกรดโบรโมมาโลนิกและการเกิดออกซิเดชันของสารเชิงซ้อนก็เริ่มเกิดขึ้นอีกครั้ง กระบวนการนี้ถูกทำซ้ำอีกครั้ง และสิ่งนี้จะสะท้อนให้เห็นเป็นสีของสารละลาย “คลื่น” วงกลมสีแดงน้ำเงินที่มีศูนย์กลางเป็นวงกลมแผ่กระจายจากพื้นที่สีน้ำเงินในถ้วยในทุกทิศทาง
หากเนื้อหาของถ้วยผสมกับแท่งแก้ว สารละลายจะกลายเป็นสีเดียวในช่วงเวลาสั้น ๆ จากนั้นจะทำซ้ำกระบวนการเป็นระยะ ในที่สุดปฏิกิริยาจะหยุดลงเนื่องจากการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
นอกเหนือจากรีเอเจนต์ที่ระบุไว้ทั้งหมดแล้ว คุณสามารถเพิ่มผลึกซีเรียม (III) ไนเตรตเฮกซาไฮเดรตหลายผลึกลงในจานเพาะเชื้อ จากนั้นช่วงของสีจะขยายออกไป: สีเหลืองจะปรากฏขึ้นเนื่องจากอนุพันธ์ของซีเรียม (IV) และสีเขียวเนื่องจาก การทับซ้อนกันของสีน้ำเงินและสีเหลือง
คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการเหล่านี้ค่อนข้างซับซ้อน มันนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด ปรากฎว่าหนึ่งในแผนการทางเคมีที่ง่ายที่สุดที่อธิบายการสั่นสะเทือนในระบบของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติสองครั้งติดต่อกันนั้นในทางคณิตศาสตร์เหมือนกับสมการที่นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลี V. Volterra เขียนไว้เมื่อต้นทศวรรษ 1930 ใช้เพื่ออธิบายกระบวนการด้านสิ่งแวดล้อม ปัจจุบัน นี่คือแบบจำลอง Lotka–Volterra ที่รู้จักกันดี ซึ่งอธิบายการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะของ "เหยื่อ" และ "นักล่า" ในระบบนิเวศ S.P. Mushtakova ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยรัฐ Saratov N.G. Chernyshevsky ถือว่าปฏิกิริยาการสั่นเป็นปฏิสัมพันธ์ของสองระบบ ซึ่งหนึ่งในนั้นดึงพลังงาน สสาร หรือส่วนประกอบอื่น ๆ ที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาจากอีกระบบหนึ่ง ปัญหานี้เรียกว่าปัญหานักล่า-เหยื่อ
เพื่อความชัดเจน ลองจินตนาการว่าหมาป่าและกระต่ายอาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่จำกัด ในระบบนิเวศนี้ หญ้าจะเติบโตซึ่งกระต่ายจะกินเป็นอาหาร ซึ่งในทางกลับกันจะเป็นอาหารให้กับหมาป่า ดังที่คุณทราบ หากคุณมีสิ่งมีชีวิตจำนวนหนึ่ง ประชากรของพวกมันก็จะเพิ่มขึ้นอย่างไม่จำกัดภายใต้เงื่อนไขที่เอื้ออำนวย ในความเป็นจริง ปัจจัยภายนอก เช่น การขาดพลังงานหรืออาหาร เป็นตัวจำกัดกระบวนการเติบโตนี้ ลองจินตนาการว่าจนถึงจุดหนึ่ง ปฏิสัมพันธ์ของสองระบบย่อย เช่น ประชากรของหมาป่าและกระต่าย มีความสมดุล: มีกระต่ายเพียงพอ (โดยคำนึงถึงการเติมเต็มตามธรรมชาติของพวกมัน) ที่จะเลี้ยงหมาป่าจำนวนหนึ่ง จากนั้น ในขณะนี้ถือเป็นศูนย์ของการนับ เนื่องจากความผันผวนบางประการ จำนวนกระต่ายจึงเพิ่มขึ้น สิ่งนี้ทำให้ปริมาณอาหารของหมาป่าเพิ่มขึ้นและด้วยเหตุนี้จึงทำให้จำนวนพวกมันเพิ่มขึ้น มีความผันผวนของจำนวนหมาป่า นอกจากนี้ จำนวนหมาป่าและกระต่ายจะเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ เมื่อเวลาผ่านไปตามค่าเฉลี่ย (สมดุล) หมาป่าที่ได้รับอาหารอย่างดีจะเริ่มขยายพันธุ์อย่างเข้มข้น โดยให้กำเนิดลูกหลานใหม่ ซึ่งเติบโตอย่างรวดเร็วด้วยอาหารที่อุดมสมบูรณ์และให้กำเนิดลูกหลานใหม่ สถานการณ์เกิดขึ้นเมื่อ "ผู้เพาะพันธุ์กระต่าย" ไม่สามารถเลี้ยงหมาป่าทั้งหมดได้อีกต่อไป - จำนวนกระต่ายเริ่มลดลงและจำนวนหมาป่า (ในขณะนี้) ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในที่สุด ระบบนิเวศก็มีหมาป่ามากเกินไป และกระต่ายก็เกือบจะอยู่ใน Red Book แต่เมื่อกลายเป็นสิ่งหายากในระบบนิเวศ กระต่ายก็กลายเป็นเหยื่อของหมาป่าอย่างยากลำบาก ระบบนิเวศกำลังเข้าสู่ระยะต่อไป: จำนวนกระต่ายได้ลดลงจนเหลือระดับต่ำสุดแล้ว ซึ่งพวกมันแทบจะเข้าใจยากสำหรับหมาป่า จำนวนหลังที่ผ่านจุดสูงสุดเริ่มลดลงและการลดลงนี้ยังคงดำเนินต่อไปจนกว่าจะถึงระดับที่กระต่ายสามารถเลี้ยงจำนวนขั้นต่ำได้ ตอนนี้จำนวนหมาป่าถึงขั้นต่ำแล้ว จึงไม่มีใครล่ากระต่ายได้ กระต่ายเริ่มผสมพันธุ์ และประชากรหมาป่าจำนวนน้อยก็ไม่สามารถตามพวกมันได้อีกต่อไป อีกไม่นานจำนวนกระต่ายจะถึงระดับที่พวกมันจะสามารถหากินบนพื้นหญ้าได้ กระต่ายก็มาอีกเพียบ
การเปรียบเทียบตัวอย่างนี้กับปฏิกิริยาการแกว่งได้ข้อสรุปอะไรบ้าง
ให้เราสังเกตประเด็นหลักหากปราศจากกระบวนการออสซิลเลชันที่อธิบายไว้จะเป็นไปไม่ได้
ประการแรก พฤติกรรมการทำงานร่วมกันของโมเลกุลในสารละลายเป็นไปไม่ได้หากไม่มีการตอบสนอง ความหมายของสิ่งหลังสามารถเข้าใจได้จากตัวอย่างของปฏิสัมพันธ์ระหว่างกระต่ายกับหมาป่า: การเพิ่มจำนวนผู้ล่าทำให้จำนวนเหยื่อลดลงและในทางกลับกัน การมีข้อเสนอแนะดังกล่าวช่วยรับประกันการดำรงอยู่ของระบบนิเวศอย่างยั่งยืน หากเราอธิบายปฏิกิริยาเคมีแบบสั่นในแง่ของ "นักล่า - เหยื่อ" บทบาทของ "นักล่า" จะถูกเล่นโดยผลิตภัณฑ์ระดับกลางที่ชะลอหรือปิดกั้นแต่ละขั้นตอนของกระบวนการอย่างสมบูรณ์ - สารยับยั้ง บทบาทของ "เหยื่อ" นั้นเล่นโดยตัวเร่งปฏิกิริยาที่เร่งให้เกิดปฏิกิริยา แม้ว่าดังที่ทราบกันดีว่าโมเลกุลของตัวเร่งปฏิกิริยาเอง (Fe) จะไม่ถูกใช้ในปฏิกิริยา แต่อัตราส่วนของความเข้มข้นของไอออน / ตามการศึกษาแสดงให้เห็นว่าผ่านการวิวัฒนาการที่ซับซ้อน แผนภาพแบบง่ายนี้ช่วยให้เราสามารถร่างกลไกการตอบรับระดับโมเลกุลในสารละลายได้
ประการที่สอง กระบวนการสั่นเป็นไปไม่ได้หากไม่มีแหล่งพลังงาน ซึ่งหญ้าที่กระต่ายกินเข้าไปมีบทบาทในแบบจำลอง Lotka-Volterra เห็นได้ชัดว่าไม่มีคำถามเกี่ยวกับความผันผวนใด ๆ นับประสาอะไรกับความเสถียรของวงจร "นักล่า - เหยื่อ" หากพื้นที่ทั้งหมดของเขตสงวนเป็นรูปธรรม - หมาป่าจะกินกระต่ายแล้วตายไปเอง ในปฏิกิริยาเบลูซอฟ-จาโบตินสกี แหล่งพลังงานคือกรดมาโลนิกอินทรีย์ อันที่จริง เมื่อมันถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ การสั่นสะเทือนในปฏิกิริยาจะดับลง จากนั้นปฏิกิริยาจะหยุดเอง
ในปี 1963 ขั้นตอนเชิงคุณภาพหลักของการศึกษาปฏิกิริยา Belousov เสร็จสมบูรณ์ นักวิทยาศาสตร์รู้เรื่องนี้ แต่เขาไม่ต้องการมีส่วนร่วมในงานนี้ ในปีพ.ศ. 2509 ในเดือนมีนาคม มีการประชุมสัมมนา All-Union Symposium เกี่ยวกับกระบวนการออสซิลเลชันเคมีและชีวเคมีครั้งที่ 1 สถานที่กลางถูกครอบครองโดยรายงานของ Zhabotinsky และผู้เขียนร่วมของเขา - M.D. Korzukhin, V.A. Belousov ปฏิเสธที่จะเข้าร่วมการประชุมสัมมนา
ต่อมาในปี 1974 A.T. Winfrey ศาสตราจารย์วิชาเคมีและชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยแอริโซนา (สหรัฐอเมริกา) ค้นพบโครงสร้างกาล-อวกาศในระบบ BZ ที่ไม่มีการกวน ซึ่งเกิดขึ้นและมีอยู่ในรูปแบบของรูปแบบเชิงพื้นที่สองและสามมิติต่างๆ (เช่น วงแหวนศูนย์กลาง เกลียว หน้าคลื่น ฯลฯ) ตั้งแต่นั้นมา ความสนใจในระบบดังกล่าวก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ซึ่งบ่งชี้ถึงคำมั่นสัญญาของการวิจัยในทิศทางนี้
ดังนั้นการวิจัยประยุกต์จึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เช่น ในด้านการสร้างแบบจำลองวิธีทางเลือกในการประมวลผลข้อมูล (โดยเฉพาะการวิเคราะห์โมเสกที่ซับซ้อนพร้อมการไล่ระดับความสว่างของวัตถุ) ทิศทางใหม่ของการวิจัยประยุกต์อีกประการหนึ่งคือการศึกษาคุณสมบัติการเกิดพอลิเมอไรเซชันในระบบ BZ หรือที่คล้ายกัน
องค์กรเชิงพื้นที่และชั่วคราวที่ซับซ้อนซึ่งแสดงโดยระบบ BZ ในกรณีที่ไม่มีการผสม เมื่อเวลาผ่านไปพบการเปรียบเทียบในธรรมชาติในระบบทางชีววิทยา (ตัวอย่างเช่นการศึกษาภาวะกล้ามเนื้อหัวใจเต้นผิดจังหวะจากมุมมองของการพิจารณากล้ามเนื้อหัวใจเป็น ระบบชีวภาพที่จัดระเบียบตัวเอง)
ถึงตอนนี้ ปฏิกิริยาเบลูซอฟ-จาโบตินสกีได้เกิดขึ้นอย่างถูกต้องในวิทยาศาสตร์โลก มันกระตุ้นการเกิดขึ้นของสาขาใหม่ - การทำงานร่วมกัน (การจัดระเบียบตนเอง) และงานทดลองได้ริเริ่มการพัฒนาทฤษฎีสมัยใหม่ของระบบไดนามิก แม้ว่าในปัจจุบันปฏิกิริยาดังกล่าวส่วนใหญ่จะเป็นที่เข้าใจกันดีอยู่แล้ว แต่สาเหตุที่ทำให้เกิดกระบวนการทางเคมีแบบสั่นยังไม่ชัดเจน คำอธิบายแบบไดนามิกของปฏิกิริยาเคมีแบบสั่นสะเทือนสามารถให้ความช่วยเหลือได้อย่างมีนัยสำคัญในเรื่องนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยการกำหนดค่าคงที่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ขาดหายไปทางอ้อม
การเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีการจัดองค์กรด้วยตนเอง ส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากแรงผลักดันเบื้องต้นที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้รับในช่วงเปลี่ยนทศวรรษปี 1950-1960 เมื่อเบลูซอฟค้นพบปฏิกิริยาเคมีรีดอกซ์ ในเวลาเดียวกัน มีการค้นพบการเปรียบเทียบที่น่าทึ่ง ปรากฎว่าปรากฏการณ์ทางธรรมชาติมากมาย ตั้งแต่การก่อตัวของกาแลคซีไปจนถึงพายุทอร์นาโด พายุไซโคลน และการเล่นแสงบนพื้นผิวสะท้อนแสง ที่จริงแล้วเป็นกระบวนการของการจัดระเบียบตนเอง สิ่งเหล่านี้อาจมีลักษณะที่แตกต่างกันมาก: เคมี เครื่องกล แสง ไฟฟ้า ฯลฯ
ปัจจุบัน จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนเป็นสาขาความรู้ที่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งเกิดขึ้นที่จุดตัดของเคมี ชีววิทยา การแพทย์ ฟิสิกส์ และคณิตศาสตร์

วรรณกรรม

วอลแตร์ บี.วี.ตำนานและความจริงเกี่ยวกับการสั่นสะเทือนของสารเคมี ความรู้คือพลัง, 1988, ฉบับที่ 4, หน้า. 33–37; Zhabotinsky A.M.ความผันผวนของความเข้มข้น อ.: Nauka, 1974, 179 หน้า;
ชนอล เอส.อี.วีรบุรุษ ผู้ร้าย ผู้สอดคล้องตามหลักวิทยาศาสตร์รัสเซีย อ.: โครน-เพรส, 2544, 875 หน้า;
Mushtakova S.P.ปฏิกิริยาการสั่นในวิชาเคมี วารสารการศึกษาของโซรอส, 1997, ฉบับที่ 7, หน้า. 31–37;
วาวิลิน วี.เอ.การแกว่งตัวเองในระบบเคมีเฟสของเหลว ธรรมชาติ, 2000, ฉบับที่ 5, น. 19–25.

เบลูซอฟ บอริส ปาฟโลวิช(19.II.1893–12.VI.1970) – นักเคมีชาวโซเวียต เกิดที่มอสโกในครอบครัวของพนักงานธนาคารซึ่งเป็นลูกคนที่หกในครอบครัว เขาร่วมกับน้องชายของเขามีส่วนร่วมในกิจกรรมการปฏิวัติตั้งแต่เนิ่นๆ และถูกจับกุมเมื่ออายุ 12 ปี แม่ของเขาได้รับข้อเสนอทางเลือก: การเนรเทศไซบีเรียหรือการย้ายถิ่นฐาน ครอบครัวนี้จบลงที่สวิตเซอร์แลนด์ในอาณานิคมบอลเชวิค นักวิทยาศาสตร์ในอนาคตมีโอกาสเล่นหมากรุกกับ V.I. Boris รู้สึกประหลาดใจกับความหลงใหลของเขา ในการที่เขาข่มเหงคู่ต่อสู้ในทุกวิถีทางที่เป็นไปได้ และพยายามทำให้เขาขวัญเสีย นี่คือจุดสิ้นสุดของกิจกรรมทางการเมืองเชิงปฏิวัติของ Belousov เขาไม่เคยเข้าร่วมปาร์ตี้ ในซูริก ความหลงใหลในวิชาเคมีของเขาเริ่มต้นขึ้น แต่ไม่มีโอกาสได้รับการศึกษา เนื่องจากเขาต้องจ่ายค่าเล่าเรียน ในช่วงเริ่มต้นของสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง บอริสกลับไปรัสเซียโดยต้องการเข้าร่วมกองทัพโดยสมัครใจ แต่เนื่องจากเหตุผลด้านสุขภาพเขาไม่ได้รับการยอมรับ
Belousov ไปทำงานในห้องปฏิบัติการเคมีของโรงงานโลหะวิทยา Goujon (ปัจจุบันคือโรงงานค้อนและเคียว) ห้องปฏิบัติการนี้นำโดย V.N. Ipatiev ซึ่งกำหนดทิศทางการวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ในอนาคตไว้ล่วงหน้า: การพัฒนาวิธีการต่อสู้กับสารพิษองค์ประกอบสำหรับหน้ากากป้องกันแก๊สพิษ
หลังจากกลายเป็นนักเคมีทางทหาร Belousov ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2466 ตามคำแนะนำของนักวิชาการ P.P. Lazarev สอนวิชาเคมีให้กับผู้บัญชาการกองทัพแดงที่โรงเรียนเคมีทหารระดับสูงของกองทัพแดง (กองทัพแดงของคนงานและชาวนา พ.ศ. 2461-2489) หลักสูตรการบรรยายวิชาเคมีทั่วไปและเคมีพิเศษในโรงเรียนเพื่อปรับปรุงผู้บังคับบัญชาของกองทัพแดง ในปี 1933 Belousov กลายเป็นวิทยากรอาวุโสที่ Red Banner Military Academy of Chemical Defense ซึ่งตั้งชื่อตาม S.K.
ความเฉพาะเจาะจงของกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์ของ Belousov นั้นไม่เคยมีการตีพิมพ์ผลงานทางวิทยาศาสตร์ของเขาแม้แต่ชิ้นเดียวเลย นักวิชาการ A.N. Terenin เรียก Belousov ว่าเป็นนักเคมีที่โดดเด่น ในการทบทวนของเขาซึ่งเขียนเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการมอบปริญญาเอกให้ Belousov โดยไม่ต้องปกป้องวิทยานิพนธ์มีข้อสังเกตว่า "B.P. Belousov เริ่มต้นทิศทางใหม่ทั้งหมดในการวิเคราะห์ก๊าซซึ่งประกอบด้วยการเปลี่ยนสีของเจลฟิล์มเมื่อดูดซับก๊าซที่ใช้งานอยู่ . ภารกิจคือการสร้างตัวบ่งชี้เฉพาะและเป็นสากลสำหรับสารประกอบก๊าซที่เป็นอันตราย โดยการตรวจจับจะมีความเข้มข้นต่ำมาก งานนี้สำเร็จลุล่วงไปด้วยดี... มีการพัฒนาเครื่องมือเกี่ยวกับการมองเห็นจำนวนหนึ่งซึ่งทำให้สามารถวิเคราะห์อากาศคุณภาพสูงเพื่อหาก๊าซที่เป็นอันตรายได้โดยอัตโนมัติหรือกึ่งอัตโนมัติ... ในงานกลุ่มนี้ B.P. Belousov แสดงตัวเองว่าเป็น นักวิทยาศาสตร์ผู้วางปัญหาด้วยวิธีใหม่และแก้ไขด้วยวิธีดั้งเดิมโดยสิ้นเชิง นอกเหนือจากการศึกษาเหล่านี้ B.P. Belousov ยังมีผลงานทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นต้นฉบับและน่าสนใจไม่แพ้กัน ซึ่งทำให้ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเขาสมควรได้รับปริญญาดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์เคมีโดยไม่ต้องปกป้องวิทยานิพนธ์เลย” ตัวละครที่ยากลำบากของ Boris Pavlovich ปรากฏที่นี่เช่นกัน เขา "ไม่ต้องการประกาศนียบัตรใด ๆ "
อย่างไรก็ตาม Belousov นักเคมีทหารได้รับตำแหน่งผู้บัญชาการกองพลซึ่งเทียบเท่ากับยศพันตรี จริงอยู่ในปี 1935 เขาลาออกระยะยาวและในปี 1938 เขาก็ลาออก สิ่งนี้อาจอธิบายความจริงที่ว่า Belousov เองก็ไม่ได้รับความทุกข์ทรมานในช่วงที่มีการปราบปรามครั้งใหญ่ในปี พ.ศ. 2480-2481 อย่างไรก็ตาม การสูญเสียเพื่อนร่วมงานและเพื่อนฝูงจำนวนมากทิ้งร่องรอยที่ลบไม่ออกให้กับตัวละครของเขา ไม่ทราบชื่อที่แน่นอนของสถาบันการแพทย์ลับที่ Belousov ทำงานในปีต่อ ๆ มา แต่ตามที่เพื่อนร่วมงานของเขากล่าวว่าเขามีการค้นพบที่น่าทึ่งในด้านการสร้างยาที่ลดผลกระทบของรังสีเขาชื่นชม: หากไม่มีการศึกษาระดับสูงนักวิทยาศาสตร์ก็รับผิดชอบห้องปฏิบัติการและตามคำแนะนำเป็นลายลักษณ์อักษรของ I.V. สตาลินได้รับเงินเดือนระดับปริญญาเอกด้านวิทยาศาสตร์
หลังจากวิเคราะห์ปฏิกิริยาวัฏจักรที่นักชีวเคมีค้นพบในช่วงหลังสงคราม Belousov จึงตัดสินใจทำการเปรียบเทียบทางเคมีกับวัฏจักรทางชีววิทยา ในขณะที่ศึกษาการเกิดออกซิเดชันของกรดซิตริกกับโบรเมตโดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา เขาได้ค้นพบความผันผวนของความเข้มข้นของรีเอเจนต์ - นี่คือวิธีการค้นพบปฏิกิริยาออสซิลเลชัน ในปี 1951 และ 1955 Belousov พยายามตีพิมพ์การค้นพบของเขาในวารสาร "Kinetics and Catalysis" และ "Journal of General Chemistry" บทวิจารณ์บทความของเขามีเชิงลบอย่างเด็ดขาดและเมื่อปรากฏออกมาในภายหลังก็มีข้อผิดพลาดอย่างเด็ดขาดเช่นกัน เป็นที่ทราบกันดีว่าสิ่งนี้มีอิทธิพลต่อนักวิทยาศาสตร์มากจนเขาทิ้งสูตรปฏิกิริยาในห้องปฏิบัติการและลืมมันไป
ไม่กี่ปีต่อมา เมื่อนักชีวเคมีเริ่มสนใจปฏิกิริยาที่เบลูซอฟค้นพบ เขาต้องค้นหาส่วนประกอบดั้งเดิมและสัดส่วนขององค์ประกอบเหล่านั้นโดยการค้นหาตามลำดับ เราสามารถพูดได้ว่า Belousov ค้นพบสองครั้ง - ครั้งแรกโดยบังเอิญ ครั้งที่สองอันเป็นผลมาจากการค้นหาอย่างเป็นระบบ แต่เขาไม่ต้องการมีส่วนร่วมในงานของทีมวิทยาศาสตร์อีกต่อไป สิ่งที่เพื่อนร่วมงานทำได้คือชักชวน Belousov ให้ลองเผยแพร่บทความของเขาอีกครั้ง ด้วยเหตุนี้ สิ่งพิมพ์ตลอดชีวิตของนักวิทยาศาสตร์จึงปรากฏใน “Collection of Abstracts on Radiation Medicine” ประจำปี 1958
แต่ถึงแม้เมื่อได้รับการยอมรับและชุมชนวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศตั้งชื่อปฏิกิริยาสั่นตาม Belousov-Zhabotinsky ความพยายามที่จะดึงดูดผู้บัญชาการกองพลที่เกษียณอายุราชการให้มาศึกษาเพิ่มเติมก็ไม่ประสบความสำเร็จ ผู้ที่รู้จักเขาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาแย้งว่ากิจกรรมสร้างสรรค์ของ Belousov ยังคงสูงมาก เขาออกจากสถาบันไม่นานก่อนที่เขาจะเสียชีวิต - 12 มิถุนายน พ.ศ. 2513 เหลือเวลาอีก 10 ปีก่อนที่เบลูซอฟจะได้รับรางวัลเลนิน

ปฏิกิริยาการสั่นสะเทือน– ประเภทของปฏิกิริยารีดอกซ์เป็นระยะ กลไกการเกิดปฏิกิริยาคล้ายกับการทำงานของอุปกรณ์สลัก ปฏิกิริยาดังกล่าวถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1951 โดยนักเคมีชาวมอสโก B.P.

ปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของตัวเร่งปฏิกิริยา (ซึ่งถูกค้นพบครั้งแรกระหว่างปฏิกิริยาเมื่อมีซีเรียมไอออน) และมักประกอบด้วยสองขั้นตอน

เงื่อนไขที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวได้:

ก) ความเร็วของสเตจแรกควรเกินความเร็วของสเตจที่สองอย่างมาก

b) ในระยะที่สองสารประกอบจะต้องปรากฏขึ้นเพื่อยับยั้งระยะแรก (เรียกว่าตัวยับยั้ง)

ปฏิกิริยาที่คล้ายกันนี้สามารถสังเกตได้เมื่อผสมสารละลายที่เป็นน้ำของเกลือซีเรียม (III) (เช่น ซีเรียมซัลเฟต), โพแทสเซียมโบรเมต KBrO 3 และกรดโบรโมมาโลนิก H O(O) C – CH (Br) – C (O) OH มวลปฏิกิริยาจะทำให้เป็นกรดด้วยกรดซัลฟิวริก

ในระยะแรก ไตรวาเลนต์ซีเรียมไอออน (เกิดจากการแยกตัวของเกลือซีเรียม) จะถูกรีดิวซ์โดยโบรเมตแอนไอออน (ได้มาจากโพแทสเซียมโบรเมต) ในกรณีนี้ ไอออน Ce(III) จะถูกออกซิไดซ์เป็น Ce(IV) ซึ่งสังเกตได้จากภายนอกโดยการเปลี่ยนสีของสารละลายปฏิกิริยา - ไอออน Ce(III) ในสารละลายที่เป็นน้ำจะไม่มีสี และ Ce(IV) คือ สีเหลือง.

10Ce 3+ + 2BrO 3 – + 12H + = 10Ce 4+ + Br 2 + 6H 2 O (I)

ในขั้นต่อไป ไอออน Ce(IV) ที่ได้จะทำปฏิกิริยากับกรดโบรโมมาโลนิก และออกซิไดซ์:

4Ce 4+ + H2O(O)C – CH(Br) – C(O)OH + 2H 2 O =

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

ในกรณีนี้ ซีเรียมจะกลายเป็นไอออน Ce(III) อีกครั้งและสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา I ได้อีกครั้ง ในกรณีนี้ ซีเรียมจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทั่วไป มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา แต่จะไม่ถูกใช้ไป อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้น ดำเนินการต่อโดยไม่มีมัน โพแทสเซียมโบรเมตและกรดโบรโมมาโลนิกถูกใช้ไปในระหว่างการทำปฏิกิริยา ซีเรียมจะถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากรีเอเจนต์หนึ่งไปยังอีกรีเอเจนต์เท่านั้น (รีเอเจนต์เริ่มต้นจะถูกทำเครื่องหมายด้วยสีดำ และผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาจะถูกทำเครื่องหมายด้วยสีแดง):

ลักษณะเฉพาะของปฏิกิริยานี้คือในระยะที่ 2 โบรมีนแอนไอออน Br จะปรากฏเป็นผลพลอยได้ – - มันยับยั้ง กล่าวคือ มันยับยั้งระยะที่ 1 แต่ไม่มีผลกับระยะที่ 2 เป็นผลให้ผลิตภัณฑ์ของระยะที่ 2 ซึ่งส่วนใหญ่เป็นไอออน Ce 3+ สะสมอยู่ในระบบปฏิกิริยา เมื่อถึงจุดหนึ่ง เมื่อไอออนเหล่านี้จำนวนมากสะสม ไอออนโบรมีนจะไม่สามารถยับยั้งระยะที่ 1 ได้อีกต่อไป และมันจะดำเนินต่อไปด้วยความเร็วสูง ไอออน Ce(IV) ปรากฏขึ้นอีกครั้งในระบบ ซึ่งจะมีส่วนร่วมในระยะที่ 2 อย่างช้าๆ ดังนั้นไอออนของโบรมีนจึงทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้น ป้องกันไม่ให้ขั้นตอนแรกเริ่มต้นจนถึงจุดหนึ่ง ภายนอก ดูเหมือนว่า (Ce(III) ไอออนในสารละลายที่เป็นน้ำไม่มีสี และ Ce(IV) มีสีเหลือง): มวลปฏิกิริยาเปลี่ยนเป็นสีเหลืองทันทีและค่อยๆ เปลี่ยนสี (รูปที่ 4 แก้วหมายเลข 1) สีจะเปลี่ยนประมาณทุกๆ นาทีครึ่ง โดยช่วงเวลายังคงไม่เปลี่ยนแปลงเป็นเวลาหลายชั่วโมง หากคุณค่อยๆ เติมรีเอเจนต์ที่บริโภคเข้าไป "นาฬิกาเคมี" ดังกล่าวจะใช้งานได้นานมาก เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น วงจรเวลาของปฏิกิริยาการแกว่งจะสั้นลง

มีตัวอย่างอื่นของปฏิกิริยาการสั่น ในระบบที่อธิบายไว้ข้างต้น ไอออนซีเรียมสามารถถูกแทนที่ด้วยไอออนของเหล็กได้ ในการทำเช่นนี้ ให้ใช้ Fe(II) ซัลเฟตเชิงซ้อนกับฟีแนนโทรลีนสามโมเลกุลซึ่งมีสีแดงในสารละลายที่เป็นน้ำ (สารเชิงซ้อนนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการวัดปริมาณเหล็ก):

สารเชิงซ้อน Fe(III) ที่คล้ายกันซึ่งปรากฏเป็นผลมาจากการออกซิเดชันจะมีสีฟ้า ในระหว่างการทำปฏิกิริยา สีน้ำเงินจะเปลี่ยนเป็นสีแดงทันที และจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินอีกครั้ง (รูปที่ 4 แก้วหมายเลข 2)

หากเราแทนที่กรดโบรโมมาโลนิกด้วยกรดซิตริก [HOC(O)CH 2 ] 2 C(OH)C(O)OH จากนั้นเมื่อมีเกลือแมงกานีสในปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา ระบบจะเกิดขึ้นโดยที่สีจะเต้นเป็นจังหวะทุกๆ สองนาที (รูปที่ .4 แก้วเบอร์ 3) กรดออกซาลิกอะซิติก HOC(O)CH 2 C(O)C(O)OH พร้อมด้วยเกลือซีเรียม นับช่วงเวลาหกวินาที (แก้วหมายเลข 4) ช่วงเวลาในภาพเคลื่อนไหวจะแสดงตามอัตภาพ ช่วงเวลาการเปลี่ยนสีที่ใหญ่ที่สุดคือในกระจกหมายเลข 3 ช่วงที่เล็กที่สุดคือในกระจกหมายเลข 4

ไม่นานหลังจากการค้นพบปฏิกิริยาดังกล่าว ก็พบว่ากระบวนการดังกล่าวค่อนข้างเป็นเรื่องปกติ เป็นผลให้ทฤษฎีทั่วไปของกระบวนการออสซิลเลชันได้รับการพัฒนาซึ่งรวมถึงปฏิกิริยาเฟสก๊าซบางอย่าง (เช่น การเกิดออกซิเดชันของไฮโดรคาร์บอน) ปฏิกิริยาออกซิเดชันของเฮเทอโรเฟสของคาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจน แอมโมเนีย เอทิลีนบนตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ และจำนวนพอลิเมอไรเซชัน กระบวนการ ปฏิกิริยาการสั่นจะเป็นตัวกำหนดกระบวนการทางชีววิทยาที่สำคัญที่สุดบางประการ: การสร้างแรงกระตุ้นของเส้นประสาทและกลไกการหดตัวของกล้ามเนื้อ

มิคาอิล เลวิทสกี้

สาระสำคัญของปฏิกิริยาการสั่น กลไกและจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาการสั่น

เนื้อหา

1. บทนำ………………………………………………………...……..…3
2. แนวคิดพื้นฐาน….……………………………………………4
3. ประวัติศาสตร์………………..…………………………………………5
4. ความสำคัญและขอบเขต…………….……….…………8
5. กลไกการเกิดปฏิกิริยา………………………………………………………10
6. จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสั่น………………………………….…14
7. ขั้นตอนการดำเนินการทดลอง………………..…….15
8. ข้อมูลการทดลอง………………………………….……….18
9. สรุป………………………………………………………………………..23
10. บรรณานุกรม…………..………………………………..…………24

การแนะนำ
ปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนเป็นส่วนที่น่าสนใจและน่าดึงดูดที่สุดของเคมีอนินทรีย์ การดึงดูดความสนใจอย่างใกล้ชิดไม่เพียงแต่จากนักเคมีเท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงนักฟิสิกส์ นักคณิตศาสตร์ นักชีวฟิสิกส์ และอื่นๆ อีกมากมาย พวกเขาจึงเป็นประเด็นเร่งด่วนของวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ดังนั้นในงานของฉัน ฉันต้องการทำความคุ้นเคยกับประวัติความเป็นมาของปฏิกิริยาการสั่น การนำไปใช้จริงและปฏิกิริยาการสั่นแบบเอกพันธ์ที่มีชื่อเสียงที่สุดสองปฏิกิริยา รวมทั้งเข้าใจกลไกของพวกมัน และทำความคุ้นเคยกับปฏิกิริยาการสั่นในทางปฏิบัติโดยทำการทดลอง

แนวคิดพื้นฐานของปฏิกิริยาการสั่น

• ปฏิกิริยาการสั่น- ระดับของปฏิกิริยารีดอกซ์ซึ่งมีลักษณะของความผันผวนเป็นระยะของสารกลางและเป็นผลให้ความผันผวนของสี, อุณหภูมิ, อัตราการไหล ฯลฯ

ปฏิกิริยาการสั่นมีหลายประเภท:

1. ตัวเร่งปฏิกิริยา
2. เป็นเนื้อเดียวกัน
3. ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์
4. ปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยไอออนของโลหะ
5. ต่างกัน (ปฏิกิริยาต่อตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง)
6. ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาแม้ว่าจะเรียกพวกมันว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติได้ถูกต้องกว่า (การออกซิเดชันของสารประกอบอะโรมาติกกับโบรเมต)

• ระยะเวลาการเหนี่ยวนำคือเวลาของการก่อตัวและการสะสมตัวเร่งปฏิกิริยาเบื้องต้น
• คาบของการสั่นคือช่วงเวลาที่สั้นที่สุดระหว่างการสั่นที่สมบูรณ์ครั้งหนึ่งเกิดขึ้น (นั่นคือ ระบบจะกลับสู่สถานะเดิมซึ่งอยู่ในช่วงเวลาเริ่มต้น โดยเลือกโดยพลการ)

เรื่องราว
ประวัติความเป็นมาของปฏิกิริยาการสั่นมักเริ่มต้นจากนักเคมีชาวเยอรมันและนักปรัชญาธรรมชาติบางส่วน ฟรีดลีบ เฟอร์ดินันด์ รุงเงอ ในปี พ.ศ. 2393 และ พ.ศ. 2398 เขาได้ตีพิมพ์หนังสือสองเล่มติดต่อกัน ซึ่งบรรยายถึงโครงสร้างเป็นระยะที่มีสีสันซึ่งปรากฏบนกระดาษกรองเมื่อมีการเทสารละลายของสารต่างๆ ลงบนกระดาษทีละแผ่น จริงๆ แล้ว หนึ่งในนั้น "Matter in the Striving for Formation" คือ "อัลบั้มที่มีแผ่นกระดาษกรองวางซึ่งมีปฏิกิริยาที่สอดคล้องกัน ตัวอย่างเช่น กระดาษกรองถูกแช่ในสารละลายคอปเปอร์ซัลเฟต แห้งและแช่อีกครั้งในสารละลายอะลูมิเนียมฟอสเฟต จากนั้นหยดโพแทสเซียมซัลเฟตที่เป็นเหล็กลงไปตรงกลาง หลังจากนั้นจึงสังเกตการก่อตัวของชั้นเป็นระยะ ๆ” หลังจาก Runge แล้ว Raphael Liesegang ก็เข้าสู่ประวัติศาสตร์ของปฏิกิริยาออสซิลเลชัน ในปี พ.ศ. 2439 เขาได้ตีพิมพ์การทดลองของเขาเกี่ยวกับโครงสร้างจังหวะ (วงแหวน Liesegang) ซึ่งเป็นผลมาจากการสะสมของตะกอนซิลเวอร์ไดโครเมตในเจลาติน Liesegang เทสารละลายเจลาตินอุ่นที่มีโพแทสเซียมไดโครเมตลงบนจานแก้ว เมื่อสารละลายแข็งตัว เขาหยดสารละลายซิลเวอร์ไนเตรตไปที่กึ่งกลางของแผ่น ตะกอนซิลเวอร์ไดโครเมตไม่ตกในจุดที่ต่อเนื่องกัน แต่ตกตะกอนในวงกลมที่มีศูนย์กลางร่วมกัน Liesegang ซึ่งคุ้นเคยกับหนังสือของ Runge ในตอนแรกมีความคิดโน้มเอียงไปทางคำอธิบายเชิงปรัชญาและเชิงธรรมชาติตามธรรมชาติของกระบวนการเป็นระยะที่เขาได้รับ ในเวลาเดียวกัน เขามีปฏิกิริยาเชิงบวกต่อคำอธิบายทางกายภาพของ "วงแหวน" ของเขาที่วิลเฮล์ม ออสต์วาลด์มอบให้ในปี พ.ศ. 2441 ซึ่งมีพื้นฐานอยู่บนแนวคิดเรื่องสถานะที่แพร่กระจายได้ คำอธิบายนี้ลงไปในประวัติศาสตร์ว่าเป็นทฤษฎีความอิ่มตัวยิ่งยวด
จนถึงขณะนี้เราไม่ได้พูดถึงปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น แต่เกี่ยวกับกระบวนการเคมีกายภาพเป็นระยะซึ่งการเปลี่ยนแปลงทางเคมีจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนเฟส David Albertovich Frank-Kamenetsky เข้าใกล้การสั่นสะเทือนทางเคมีมากขึ้นซึ่งเริ่มเผยแพร่การทดลองของเขาเกี่ยวกับการสั่นสะเทือนทางเคมีในปี 1939 เขาอธิบายปรากฏการณ์เป็นระยะระหว่างการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรคาร์บอน: ตัวอย่างเช่นหากส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนที่สูงกว่าถูกส่งผ่านเครื่องปฏิกรณ์ที่ปั่นป่วน สังเกตกะพริบเป็นระยะ (จังหวะ) ) เปลวไฟเย็น
ในปี 1949 บทความใหญ่ของ I.E. ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารเคมีเชิงฟิสิกส์ Salnikova สรุปงานของเขา โดยเริ่มจากการวิจัยร่วมกับ D.A. แฟรงก์-คาเมเนตสกี้ ในบทความนี้ แนวคิดของการสั่นแบบเทอร์โมคิเนติกส์ได้ถูกสร้างขึ้น ในระหว่างการแกว่ง อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลง และสภาวะที่จำเป็นคือความสมดุลระหว่างการปล่อยความร้อนและการกระจายออกสู่สิ่งแวดล้อม ถึงกระนั้นข้อโต้แย้งที่ทรงพลังที่สุดที่สนับสนุนการสั่นสะเทือนทางเคมีคือบทความของ Boris Pavlovich Belousov ซึ่งเขาพยายามตีพิมพ์สองครั้งไม่สำเร็จ - ในปี 1951 และ 1955 แม้ว่าการสั่นสะเทือนแบบเทอร์โมคิเนติกจะเกิดขึ้นในระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน (ไม่เหมือนกับระบบ Liesegang หรือระบบโครเมียมแบบสั่น) การสั่นสะเทือนเหล่านี้เกิดขึ้นจากกระบวนการทางกายภาพ (หรือเคมีกายภาพ) ของเทอร์โมคะตะไลซิส การค้นพบบี.พี. Belousova ได้ทำการค้นหาโหมดการแกว่งในกระบวนการทางเคมีมาเกือบ 150 ปีแล้ว มันเป็นปฏิกิริยาการสั่นทางเคมีล้วนๆ อยู่แล้ว อย่างไรก็ตาม ในช่วงทศวรรษปี 1950 เหตุการณ์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเบลูซอฟก็เกิดขึ้นเช่นกัน ถึงแม้ว่าบทความของบี.พี. Belousov ถูกปฏิเสธข้อมูลเกี่ยวกับปฏิกิริยาของเขาถูกแพร่กระจายในระดับคติชนวิทยาทางวิทยาศาสตร์
หนึ่งในผู้รับข้อมูลนี้คือ Simon Elyevich Shnol ซึ่งกำลังทำงานเกี่ยวกับกระบวนการทางชีวเคมีเป็นระยะ เขาสนใจธรรมชาติของคาบของสารเคมี หลังจากได้รับต้นฉบับบทความของเขาจาก Belousov ในปี 1958 Shnol ก็เริ่มทดลองกับปฏิกิริยาของเขา และในปีพ.ศ. 2504 เขาได้สั่งให้นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Anatoly Markovich Zhabotinsky ทำงานของ B.P. Belousov และเขา ซึ่งดำเนินการวิจัยเป็นครั้งแรกภายใต้การนำของ Shnol จากนั้นเป็นอิสระจากเขา ได้มีส่วนสนับสนุนอย่างเด็ดขาดในการอธิบายจลนศาสตร์ของปฏิกิริยา Belousov และการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เป็นผลให้ปฏิกิริยานี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky

กลไกการเกิดปฏิกิริยา
จนถึงปัจจุบันมีการศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันหลายสิบครั้ง การศึกษาแบบจำลองจลน์ของปฏิกิริยาที่ซับซ้อนดังกล่าวทำให้สามารถกำหนดเงื่อนไขทั่วไปจำนวนหนึ่งที่จำเป็นสำหรับการเกิดขึ้นของการแกว่งที่เสถียรของอัตราการเกิดปฏิกิริยาและความเข้มข้นของสารกลาง:

1. การแกว่งที่เสถียรเกิดขึ้นในกรณีส่วนใหญ่ในระบบเปิด ซึ่งเป็นไปได้ที่จะรักษาความเข้มข้นของรีเอเจนต์ที่เข้าร่วมให้คงที่
2. ปฏิกิริยาออสซิลเลเตอร์จะต้องรวมถึงขั้นตอนที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติและขั้นตอนที่ผันกลับได้ เช่นเดียวกับขั้นตอนที่ถูกยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา
3. กลไกการเกิดปฏิกิริยาจะต้องมีขั้นตอนที่มีลำดับสูงกว่าขั้นตอนแรก

เงื่อนไขเหล่านี้จำเป็น แต่เงื่อนไขไม่เพียงพอสำหรับการเกิดการสั่นของตัวเองในระบบ เป็นที่น่าสังเกตว่าความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่อัตราของแต่ละขั้นตอนกับค่าของความเข้มข้นเริ่มต้นของรีเอเจนต์ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน

3HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + BrO 3 - Ce(3+/4+), H+→ Br - + 3CO 2 + 3H 2 O
ปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky เป็นปฏิกิริยาแรกของปฏิกิริยาออสซิลโลสโคปแบบเปิดและศึกษา ด้วยเหตุนี้อาจเรียกได้ว่าเป็นหนึ่งในปฏิกิริยาที่ได้รับการศึกษามากที่สุดในกลุ่มนี้. ในขณะนี้ การปรากฏตัวของระยะกลางแปดสิบระยะ (และปฏิกิริยาข้างเคียง) ที่เกิดขึ้นในระบบได้รับการยืนยันไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง
หนึ่งในแผนการตอบสนองแรกและง่ายที่สุดคือโครงการที่ประกอบด้วยสองขั้นตอน:

1. ออกซิเดชันของซีเรียมไตรวาเลนต์กับโบรเมต

ซี 3+ BrO3(-), H+→ ซี 4+

1. และรีดักชันซีเรียมเตตระวาเลนต์ด้วยกรดซิตริก

ซี 3+ ตกลง→ ซี 4+
อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้ให้ความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการและผลของการแกว่งที่เกิดขึ้นในระบบ ซึ่งทำให้เราต้องพิจารณากลไกการเกิดปฏิกิริยาที่ Noyes และคนอื่นๆ เสนอในปี 1972:

1. BrO 3 - + Br - + 2H + ↔ HBrO 2 + HBrO
2. HBrO 2 + Br - + H + ↔ 2HBrO
3. HBrO + Br - + H + ↔ Br 2 + H 2 O
4. Br 2 + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → Br - + H + + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
5. BrO 3 - + HBrO 2 + H + ↔ 2BrO 2 +น้ำ2O
6. BrO2 + Ce 3+ + H + → HBrO 2 + Ce 4+
7. 2HBrO 2 ↔ BrO 3 - + HBrO + H +
8. HBrO + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → H 2 O + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
9. 18Ce 4+ + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + 5H 2 O → 18Ce 3+ + 6CO 2 + 18H +

10) 16Ce 4+ + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH → 16Ce 3+ + 6CO 2 + 18H + + Br -

ลองพิจารณาการสั่นสะเทือนของ Ce 3+ / Ce 4+ ในระบบนี้ดู สมมติว่าเรามี Ce 4+ ในปริมาณเล็กน้อยค่อยๆ เพิ่มขึ้นในสารละลาย ซึ่งหมายความว่าความเข้มข้นของ Br ก็น้อยเช่นกันและเพิ่มขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยา (10) ดังนั้นทันทีที่ถึงความเข้มข้นวิกฤตของ Ce 4+ ความเข้มข้นของ Br - จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งจะนำไปสู่การจับของ HbrO 2 สเตจ (2) ซึ่งจำเป็นสำหรับการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของ Ce 3+ สเตจ (5), (6) จากนี้ไปการสะสมของ Ce 4+ ในสารละลายจะหยุดลงและความเข้มข้นของมันจะลดลงตามปฏิกิริยา (9), (10) ความเข้มข้นของ Br สูงจะทำให้อัตราการบริโภคเพิ่มขึ้นผ่านปฏิกิริยา (1)-(3) ในกรณีนี้หลังจากลดความเข้มข้นของ Br - ต่ำกว่าค่าที่กำหนดแล้วจะหยุดปฏิกิริยา (2) และ (3) ซึ่งนำไปสู่การสะสมของ HBrO 2 นี่หมายถึงการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ Ce 4+ และการทำซ้ำของวงจรที่เราผ่านไป

ปฏิกิริยาของบริกส์-เราเชอร์:
IO 3 - + 2H 2 O 2 + H + + RH นาที(2+/3+)→ RI + 2O 2 + 3H 2 โอ
โดยที่ RH คือกรดมาโลนิก และ RI คืออนุพันธ์ของไอโอดีนของกรดมาโลนิก
ปฏิกิริยานี้ถูกค้นพบในปี 1973 สาระสำคัญของปฏิกิริยาคือการออกซิเดชันของกรดมาโลนิกกับไอออนไอโอเดตต่อหน้าไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และตัวเร่งปฏิกิริยา (Mn 2+/3+ ไอออน) เมื่อเติมแป้งเป็นตัวบ่งชี้ จะสังเกตความผันผวนของสีของสารละลายจากไม่มีสีเป็นสีเหลืองและจากนั้นเป็นสีน้ำเงิน ซึ่งเกิดจากความผันผวนของความเข้มข้นของไอโอดีน การศึกษากลไกของปฏิกิริยาบริกส์-เราเชอร์โดยสมบูรณ์นั้นเป็นปัญหาที่ซับซ้อนและยังไม่ได้รับการแก้ไข ประการแรกอาจเป็นปัญหาทางจลนศาสตร์ ตามแนวคิดสมัยใหม่กลไกของปฏิกิริยานี้มีมากถึงสามสิบขั้นตอน ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้เข้าใจสาเหตุของการสั่น ก็เพียงพอแล้วที่จะพิจารณากลไกปฏิกิริยาแบบง่ายซึ่งประกอบด้วยขั้นตอนทั้ง 11 ด้านล่าง:

1. IO 3 - + H 2 O 2 + H + → HIO 2 + O 2 + H 2 O
2. IO 3 - + HIO 2 + H + ↔ 2IO 2 +น้ำ2O
3. ไฮโอ 2 + เอช 2 โอ 2 → ไฮโอ + โอ 2 + เอช 2 โอ
4. ไอโอ2. + Mn 2+ + H 2 O ↔ HIO 2 + MnOH 2+
5. 2HIO + H 2 O 2 → 2I - + 4O 2 + 4H +
6. MnOH 2+ + ฉัน - + H + ↔ ฉัน + Mn 2+ + H 2 O
7. HIO+ ฉัน - + H + ↔ ฉัน 2 + H2O
8. 2HIO 2 → IO 3 - + HIO + H +
9. RH↔อีนอล
10. HIO + อีนอล → RI + H2O
11. I 2 + อีนอล → RI + I - + H +

ให้เราพิจารณาความผันผวนของปฏิกิริยานี้โดยใช้ตัวอย่างของคู่ I 2 /I เนื่องจากมีหรือไม่มีไอโอดีนที่ตรวจพบได้ง่ายที่สุดในสารละลายเนื่องจากคอมเพล็กซ์แป้งสีน้ำเงินเกิดขึ้น
ดังนั้นหากความเข้มข้นของ I มีขนาดเล็ก (หรือไอออนเหล่านี้หายไปในสารละลายซึ่งสอดคล้องกับช่วงเวลาเริ่มต้น) ให้เป็นไปตามระยะ (5) และด้วยความผันผวนและระยะต่อไป (11) เช่นกัน เมื่อปฏิกิริยาย้อนกลับของระยะ (7) พวกมันเริ่มสะสมในสารละลายซึ่งนำไปสู่การลดลง (ขึ้นอยู่กับความพร้อม) ของความเข้มข้นของ I 2 ความเข้มข้นของ I 2 ที่ลดลงส่งผลให้อัตราการสะสม I - ลดลง ในเวลาเดียวกัน ความเข้มข้นของ I - ไอออนที่สูงทำให้อัตราการบริโภคของไอออนเพิ่มขึ้นในปฏิกิริยาโดยตรงของระยะ (7) และความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นของ I - ลดลงอีกครั้ง นำเราไปสู่จุดเริ่มต้นของการสนทนานี้และการทำซ้ำของ วงจรที่อธิบายไว้

จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการสั่นสะเทือน

ปัญหาในการศึกษาจลนศาสตร์ในขณะนี้เป็นปัญหาที่ซับซ้อนที่สุดและยังไม่ได้รับการแก้ไขของปฏิกิริยาการสั่นสะเทือน เนื่องจากกระบวนการพึ่งพาอาศัยกันและขนานกันจำนวนมากที่เกิดขึ้นในระดับปฏิกิริยานี้ การรวบรวมระบบสมการเชิงอนุพันธ์ที่ให้ค่าประมาณอย่างน้อยของค่าคงที่อัตราของระยะกลางจึงกลายเป็นงานที่ไม่สำคัญอย่างยิ่ง และถึงแม้ว่าขณะนี้จะมีแบบจำลองที่เรียบง่ายหลายตัวที่ทำให้เราสามารถพิจารณาคุณสมบัติหลักของพฤติกรรมที่ซับซ้อนของปฏิกิริยาการสั่นได้ แต่หัวข้อนี้ดูเหมือนว่าจะไม่ได้รับการศึกษาค่อนข้างต่ำและดังนั้นจึงน่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับนักวิจัยรุ่นต่อ ๆ ไป ในเวลาเดียวกัน ในการศึกษาปฏิกิริยาออสซิลเลชันในส่วนนี้ในงานนี้จะไม่ได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมเนื่องจากไม่มีเวลาและเงินทุนที่จำเป็นสำหรับการศึกษา

ขั้นตอนการทดลอง
ปฏิกิริยาเบลูซอฟ-จาโบตินสกี

รีเอเจนต์: กรดซิตริก, โพแทสเซียมโบรเมต, ซีเรียม (III) ซัลเฟต, กรดซัลฟิวริก
อุปกรณ์: กระบอกตวงขนาด 50 มล., แก้วทนความร้อน 300 มล. และ 100 มล., แท่งแก้ว, ไม้พาย
อุปกรณ์: เครื่องชั่งเชิงวิเคราะห์, กระเบื้อง
ในการดำเนินการปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky จำเป็นต้องเตรียมสารละลายและตัวอย่างต่อไปนี้:

1. เตรียมสารละลายกรดซิตริกแล้วตั้งไฟให้ร้อนถึง 50 o C
2. เติมโพแทสเซียมโบรเมตและซีเรียม (III) ซัลเฟตลงไปส่วนหนึ่งแล้วคนด้วยแท่งแก้ว
3. ขจัดยาแนวออกจากกระเบื้อง
4. เพิ่มกรดซัลฟิวริก

ปฏิกิริยาบริกส์-เราเชอร์
รีเอเจนต์ เครื่องแก้ว และอุปกรณ์ที่จำเป็น:
รีเอเจนต์: โพแทสเซียมไอโอเดต, กรดซัลฟูริก, กรดมาโลนิก, แมงกานีส (II) ซัลเฟต, แป้ง, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์
อุปกรณ์: กระบอกตวงขนาด 50 มล., 2 แก้วต่อ 500 มล., 3 แก้วต่อ 100 มล., แท่งแก้ว, ไม้พาย
อุปกรณ์: เครื่องชั่งเชิงวิเคราะห์, เครื่องกวนแม่เหล็ก, แม่เหล็ก
เพื่อดำเนินการปฏิกิริยา Briggs-Rauscher ต้องเตรียมวิธีแก้ปัญหาต่อไปนี้:
โซลูชันหมายเลข 1:

โซลูชันหมายเลข 2:

โซลูชันหมายเลข 3

ขั้นตอนการทดลอง:

1. เตรียมวิธีแก้ปัญหาที่จำเป็นทั้งหมด
2. เทสารละลายหมายเลข 1 50 มล. ลงในบีกเกอร์ขนาด 500 มล. ที่มีแม่เหล็ก แล้ววางลงบนเครื่องคนแบบแม่เหล็ก เปิด.
3. ในแก้วอีกสองใบ ให้แยกสารละลายหมายเลข 2 25 มล. และสารละลายหมายเลข 3 40 มล.
4. เพิ่มโซลูชันหมายเลข 2 และหมายเลข 3 ลงในโซลูชันหมายเลข 1 พร้อมกัน
5. บันทึกคาบการเหนี่ยวนำและคาบการสั่น

การทดลอง
ปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky:
เพื่อทำปฏิกิริยา ให้เตรียมสารละลายของกรดซิตริก (20 กรัมต่อน้ำ 80 มิลลิลิตร) หากต้องการละลายกรดซิตริกให้หมด จะต้องให้ความร้อนสารละลายบนเตาไฟฟ้า จากนั้น ให้เตรียมส่วนที่ชั่งน้ำหนักของโพแทสเซียมโบรเมต (8 กรัม) และซีเรียม III ซัลเฟต (1.5 กรัม) แล้วเทลงในสารละลายกรดซิตริกตามลำดับ หลังจากกวนด้วยแท่งแก้วแล้ว ให้เติมกรดซัลฟิวริกอย่างระมัดระวังในขณะที่กวนต่อไป หลังจากนั้นจะบันทึกความผันผวนของสีจากสีขาวเป็นสีเหลือง

№	ระยะเวลาส	สี	№	ระยะเวลาส	สี
1	23	สีขาว	12	12	สีเหลือง
2	11	สีเหลือง	13	66	สีขาว
3	41	สีขาว	14	8	สีเหลือง
4	12	สีเหลือง	15	43	สีขาว
5	71	สีขาว	16	6	สีเหลือง
6	11	สีเหลือง	17	56	สีขาว
7	43	สีขาว	18	5	สีเหลือง
8	13	สีเหลือง	19	43	สีขาว
9	19	สีขาว	20	5	สีเหลือง
10	10	สีเหลือง	21	56	สีขาว
11	40	สีขาว	22	4	สีเหลือง

นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าปริมาณก๊าซที่ปล่อยออกมาเพิ่มขึ้นเมื่อสารละลายเข้มขึ้น
สรุป: จากข้อมูลที่บันทึกไว้ เราสามารถตัดสินได้ว่าเวลาที่ใช้ในสารละลายซีเรียมเตตระวาเลนต์ลดลงอย่างคงที่ (ซึ่งบ่งชี้โดยอ้อมว่าสภาพแวดล้อม pH ลดลง เนื่องจากยิ่งสภาพแวดล้อมมีความเป็นกรดมากขึ้น ซีเรียมของตัวออกซิไดซ์ก็จะยิ่งมีพลังมากขึ้น และ ยิ่งมีเสถียรภาพน้อยลงเท่านั้น)
รูปแบบที่น่าทึ่งก็ถูกค้นพบเช่นกัน เนื่องจากในระหว่างการทำปฏิกิริยาไม่เพียง แต่ความเข้มข้นของสารกลางเท่านั้นที่ผันผวน แต่ยังรวมถึงเวลาของช่วงเวลาของการแกว่งด้วย (การสั่นของฮาร์มอนิกแบบหน่วง):

ปฏิกิริยาของบริกส์-เราเชอร์:
ในการทำปฏิกิริยาได้เตรียมสารละลายไว้ 3 สารละลาย ได้แก่ สารละลายซัลเฟตของโพแทสเซียมไอโอเดต (c(KIO 3) = 0.067 โมล/ลิตร; c(H 2 SO 4) = 0.053 โมล/ลิตร) - 50 มล. ซึ่งเป็นสารละลายแป้งของ กรดมาโลนิกโดยเติมปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาของแมงกานีสซัลเฟตสอง (c(MnSO 4) = 0.0067 โมล/ลิตร; c(CH 2 (COOH) 2) = 0.05 โมล/ลิตร; แป้ง 0.1%) - 25 มล. และเจ็ด -สารละลายโมลาร์ของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ - 40 มล. เทสารละลายหมายเลข 1 ลงในบีกเกอร์ที่มีแม่เหล็ก 250 มล. วางแก้วไว้บนเครื่องกวนแม่เหล็ก ซึ่งต่อมาเปิดเครื่อง และเปิดการกวนแบบเข้มข้นเพื่อให้สีเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว จากนั้นโดยไม่หยุดกวน สารในแก้วที่มีสารละลายหมายเลข 2 และหมายเลข 3 ก็ถูกเติมพร้อมกันและรวดเร็ว นาฬิกาจับเวลาจะวัดลักษณะของสีเหลืองสีแรก - ช่วงการเหนี่ยวนำและจุดเริ่มต้นของการปรากฏตัวของสีฟ้า - ช่วงการสั่น

ระยะเวลาการเหนี่ยวนำคือ 2 วินาที

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
ระยะเวลาส	13	12	14	12	13	14	13	14	14	15	15	16
№	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
ระยะเวลาส	16	16	17	17	17	18	17	18	17	18	18	17

สรุป: ขณะที่ปฏิกิริยาดำเนินไป จะสังเกตได้ว่าคาบการสั่นเพิ่มขึ้นทีละน้อย ซึ่งมองเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในกราฟ:

บทสรุป
ในงานนี้ พิจารณาปฏิกิริยาการสั่นและคุณสมบัติของพวกมันโดยเฉพาะ:

1. ขอบเขตของการประยุกต์ใช้ปฏิกิริยาการสั่นในโลกสมัยใหม่ได้รับการศึกษาแล้ว
2. มีการศึกษาประวัติความเป็นมาของปฏิกิริยาการสั่น
3. มีการวิเคราะห์กลไกของปฏิกิริยาการสั่นทั้งสองแบบ: Briggs-Rauscher

และ Belousov-Zhabotinsky

1. กลไกปฏิกิริยา Belousov-Zhabotinsky ได้รับการดัดแปลงให้เหมาะสม

พิจารณากรดซิตริกเป็นตัวรีดิวซ์

1. การสังเคราะห์แบบควบคุมถูกดำเนินการเพื่อให้เห็นภาพปฏิกิริยาการสั่น

รายชื่อวรรณกรรมที่ใช้แล้ว

1. D. Garel, O. Garel แปล “ปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น” จากภาษาอังกฤษโดย L.P. ติโคโนวา. สำนักพิมพ์ "มีร์" 2529 หน้าหนังสือ 13-25, 92-112.
2. เช้า. Zhabotinsky “ ความเข้มข้นของการแกว่งตัวเอง” สำนักพิมพ์ "วิทยาศาสตร์" 2517 หน้าหนังสือ 87-89
3. ตกลง. เปอร์วูคิน “ปฏิกิริยาการสั่น” ชุดเครื่องมือ". สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก, 2542 หน้าหนังสือ 3-11.
4. S. P. MUSHTAKOVA “ ปฏิกิริยาการสั่นในเคมี” Saratov State University เอ็น.จี. เชอร์นิเชฟสกี้
5. "การศึกษาสภาวะการเกิดโหมดการสั่นในกระบวนการออกซิเดชั่นคาร์บอนิลเลชั่นของฟีนิลอะเซทิลีน" หน้าหนังสือ 2-4.
6. บัตรประชาชน อิกรามอฟ, S.A. มุสตาฟิน่า. “อัลกอริทึมสำหรับการค้นหาค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาการสั่นสะเทือนโดยตัวอย่างของปฏิกิริยา BELOUSSOV-ZHABOTINSKY” วารสารเคมีบัชคีร์ 2558
7. เพเชนคิน เอ.เอ. “ความสำคัญของโลกทัศน์ของปฏิกิริยาเคมีแบบสั่น”
8. สนาม R. J. , Koros E. , Noyes R. M. , การแกว่งในระบบเคมี II การวิเคราะห์อย่างละเอียดของการสั่นของอุณหภูมิในระบบกรดโบรแมต-ซีเรียม-มาโลนิก, J. Amer เคมี. สค., 94, 8649-8664 (1972)
9. Noyes R. M., ฟิลด์ R. J., Koros E., J. Amer. เคมี. สค., 94, 1394-1395 (1972)

	ถึง ดาวน์โหลดงานคุณต้องเข้าร่วมกลุ่มของเราฟรี ติดต่อกับ- เพียงคลิกที่ปุ่มด้านล่าง ยังไงก็ตามในกลุ่มของเราเราช่วยเขียนเอกสารการศึกษาฟรี ไม่กี่วินาทีหลังจากตรวจสอบการสมัครของคุณ ลิงก์สำหรับดาวน์โหลดงานของคุณต่อจะปรากฏขึ้น