Реакция Белоусова-Жаботинского

Вдали от равновесия возникают диссипативные пространственные и временные структуры, т. е. образуется неравновесный порядок. Иногда такой порядок состоит в появлении колебаний и волн, например, в химических диссипативных системах. Особенно ярко этот эффект проявился в так называемой реакции Белоусова-Жаботинского (БЖ): в стакан налита розовая жидкость, в которую из пипетки подаются капли бесцветной жидкости и раствор в стакане через 1 мин становится голубым, еще через минуту жидкость сама становится снова розовой и т. д. (рис. 1). Возникают как бы химические часы.

Рис 1. Схема реализации химических часов (реакция Белоусова-Жаботинского).

Это явление было открыто в 1951 г. химиком- экспериментатором Б. П. Белоусовым, комбригом в отставке, зав. лабораторией в институте Биофизики. Позднее, в 1959 г. А. М. Жаботинский детально изучил эту реакцию и дал качественное ее объяснение. Математическое моделирование подобных процессов в 1970 г. провел в Англии Тьюринг. За совокупность исследований реакций рассматриваемого типа Б. П. Белоусов и А. М. Жаботинский были удостоены в 1980 г. Ленинской премии. Такова краткая история, связанная с всемирно известной реакцией БЖ, а теперь обратимся к химическому механизму этого явления.

В упрощенной схеме реакция Белоусова состоит из двух стадий. В первой стадии трехвалентный церий Ce³⁺ (розовый цвет) окисляется бромноватой кислотой HBrО₃, что приводит к избытку ионов Се⁴⁺ (голубой цвет):

Се³⁺ Се⁴⁺.

Во второй стадии четырехвалентный церий Се⁴⁺ восстанавливается органическим соединением - малоновой кислотой (МК), т. е.

Се⁴⁺ Се³⁺,

и голубой цвет сменяется розовым. Этот процесс так и продолжается: розовый, голубой, розовый, голубой и т. д. с периодичностью, равной 1 мин (рис. 2). Периодический процесс прекращается после большого числа периодов из-за необратимого расходования бромата BrO₃.

Рис 2. Колебания концентрации Се⁴⁺ в реакции БЖ.

Жаботинский описал широкий класс химических волновых явлений, в которых наблюдалась пространственно-временная упорядоченность. При этом были реализованы как одномерные реакции в тонких трубках, так и двухмерные процессы (тонкие слои раствора между пластинами).