Belousov-Zhabotinsky-Reaktion - Belousov–Zhabotinsky reaction

Computersimulation der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion
Muster in einer Petrischale gezeigt

Eine Belousov-Zhabotinsky-Reaktion oder BZ-Reaktion gehört zu einer Klasse von Reaktionen, die als klassisches Beispiel für die Nichtgleichgewichts-Thermodynamik dienen und zur Etablierung eines nichtlinearen chemischen Oszillators führen . Das einzige gemeinsame Element dieser Oszillatoren ist der Einschluss von Brom und einer Säure. Die Reaktionen sind für die theoretische Chemie insofern wichtig, als sie zeigen, dass chemische Reaktionen nicht durch thermodynamisches Gleichgewichtsverhalten dominiert werden müssen . Diese Reaktionen sind weit vom Gleichgewicht entfernt und bleiben es für eine beträchtliche Zeit und entwickeln sich chaotisch. In diesem Sinne liefern sie ein interessantes chemisches Modell biologischer Nichtgleichgewichtsphänomene; Als solche sind mathematische Modelle und Simulationen der BZ-Reaktionen selbst von theoretischem Interesse, die ein Phänomen als rauschinduzierte Ordnung zeigen .

Plot des Elektrodenpotentials eines BZ - Reaktion, Silber unter Verwendung von Elektroden gegen eine Ag / AgNO 3 Halbzelle

Ein wesentlicher Aspekt der BZ-Reaktion ist ihre sogenannte "Erregbarkeit"; unter dem Einfluss von Reizen entwickeln sich Muster in einem ansonsten vollkommen ruhenden Medium. Einige Uhrenreaktionen wie Briggs-Rauscher und BZ mit Tris(bipyridin)ruthenium(II)-chlorid als Katalysator können durch Lichteinfluss zu selbstorganisierender Aktivität angeregt werden .

Geschichte

Eine gerührte BZ-Reaktionsmischung, die im Laufe der Zeit Farbänderungen zeigt

Die Entdeckung des Phänomens wird Boris Belousov zugeschrieben . Als er 1951 versuchte, das nicht-organische Analogon zum Krebs-Zyklus zu finden , stellte er fest, dass in einer Mischung aus Kaliumbromat , Cer(IV)-sulfat , Malonsäure und Zitronensäure in verdünnter Schwefelsäure das Konzentrationsverhältnis der Cer(IV)- und Cer(III)-Ionen oszillierten, wodurch die Farbe der Lösung zwischen einer gelben und einer farblosen Lösung oszillierte. Dies liegt daran, dass die Cer(IV)-Ionen durch Malonsäure zu Cer(III)-Ionen reduziert werden, die dann durch Bromat(V)-Ionen wieder zu Cer(IV)-Ionen oxidiert werden.

Belousov unternahm zwei Versuche, seine Ergebnisse zu veröffentlichen, wurde jedoch mit der Begründung abgelehnt, dass er seine Ergebnisse nicht zur Zufriedenheit der Herausgeber der Zeitschriften erklären konnte, denen er seine Ergebnisse vorlegte. Der sowjetische Biochemiker Simon El'evich Shnoll ermutigte Belousov, seine Bemühungen um die Veröffentlichung seiner Ergebnisse fortzusetzen. 1959 wurde seine Arbeit schließlich in einer weniger angesehenen, nicht rezensierten Zeitschrift veröffentlicht.

Nach Belousovs Veröffentlichung übergab Shnoll das Projekt 1961 an einen Doktoranden, Anatol Zhabotinsky , der die Reaktionssequenz im Detail untersuchte; die Ergebnisse dieser Männerarbeit wurden jedoch noch nicht weit verbreitet und waren im Westen bis zu einer Konferenz in Prag 1968 nicht bekannt .

Eine Reihe von BZ-Cocktails sind in der chemischen Literatur und im Internet verfügbar. Ferroin , ein Komplex aus Phenanthrolin und Eisen , ist ein häufiger Indikator . Diese Reaktionen führen, wenn sie in Petrischalen durchgeführt werden , zur Bildung von zunächst farbigen Flecken. Diese Flecken wachsen zu einer Reihe von expandierenden konzentrischen Ringen oder vielleicht expandierenden Spiralen, ähnlich den Mustern, die von einem zyklischen zellulären Automaten erzeugt werden . Die Farben verschwinden, wenn das Geschirr geschüttelt wird, und erscheinen dann wieder. Die Wellen setzen sich fort, bis die Reagenzien verbraucht sind. Die Reaktion kann auch in einem Becherglas unter Verwendung eines Magnetrührers durchgeführt werden .

Andrew Adamatzky , ein Informatiker an der University of the West of England , berichtete über flüssige Logikgatter, die die BZ-Reaktion verwenden. Die BZ-Reaktion wurde auch von Juan Pérez-Mercader und seiner Gruppe an der Harvard University verwendet , um eine vollständig chemische Turing-Maschine zu entwickeln, die eine Chomsky-Typ-1- Sprache erkennen kann.

Auffallend ähnliche oszillierende Spiralmuster treten anderswo in der Natur auf, auf sehr unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen, zum Beispiel das Wachstumsmuster von Dictyostelium discoideum , einer bodenbewohnenden Amöbenkolonie . Bei der BZ-Reaktion ist die Größe der wechselwirkenden Elemente molekular und die Reaktionszeit beträgt Minuten. Bei der Boden-Amöbe ist die Größe der Elemente typisch für einzellige Organismen und die Zeitdauer liegt in der Größenordnung von Tagen bis Jahren.

Die Ermittler erforschen auch die Schaffung eines "nassen Computers", indem sie selbsterzeugende "Zellen" und andere Techniken verwenden, um bestimmte Eigenschaften von Neuronen nachzuahmen .

Chemischer Mechanismus

Der Mechanismus dieser Reaktion ist sehr komplex und umfasst vermutlich etwa 18 verschiedene Schritte, die Gegenstand einer Reihe von Forschungsarbeiten waren.

Ähnlich wie bei der Briggs-Rauscher-Reaktion laufen zwei Schlüsselprozesse (beide autokatalytisch ) ab; Verfahren A erzeugt molekulares Brom, das die rote Farbe ergibt, und Verfahren B verbraucht das Brom, um Bromidionen zu ergeben. Theoretisch ähnelt die Reaktion dem idealen Turing-Muster , einem System, das qualitativ aus der Lösung der Reaktionsdiffusionsgleichungen für eine Reaktion hervorgeht, die sowohl einen Reaktionsinhibitor als auch einen Reaktionspromotor erzeugt, von denen beide mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch das Medium diffundieren.

Eine der häufigsten Variationen dieser Reaktion verwendet Malonsäure (CH 2 (CO 2 H) 2 ) als Säure und Kaliumbromat (KBrO 3 ) als Bromquelle . Die Gesamtgleichung lautet:

3 CH 2 (CO 2 H) 2 + 4 BrO
3
→ 4 Br + 9 CO 2 + 6 H 2 O

Varianten

Es gibt viele Varianten der Reaktion. Die einzige Schlüsselchemikalie ist das Bromat-Oxidationsmittel. Das Katalysatorion ist am häufigsten Cer, es kann aber auch Mangan oder Komplexe von Eisen, Ruthenium, Kobalt, Kupfer, Chrom, Silber, Nickel und Osmium sein. Viele verschiedene Reduktionsmittel können verwendet werden. (Zhabotinsky, 1964b; Field und Burger, 1985)

Viele verschiedene Muster können beobachtet werden, wenn die Reaktion in einer Mikroemulsion durchgeführt wird .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Strogatz, S. (2003). SYNC, die aufstrebende Wissenschaft der spontanen Ordnung . Hyperion. S. 212–216, 219. ISBN 0-7868-6844-9.
  • Pabian, RK; Zarins, A. Gebänderte Achate, Ursprünge und Einschlüsse . Bildungsrundschreiben. 12 . Universität von Nebraska-Lincoln.
  • Ichino, T.; Asahi, T.; Kitahata, H.; Magome, N.; Agladze, K.; Yoshikawa, K. (2008). "Mikrofracht geliefert von Chemical Waves". Zeitschrift für Physikalische Chemie C . 112 (8): 3032–5. doi : 10.1021/jp7097922 .

Externe Links