Основы синергетики

      Малоновая кислота бромируется  свободным бромом: 

      Br₂ + CH₂(COOH)₂ = BrCH(COOH)₂ + Br^- +  H⁺        (А4) 

      В результате всех этих реакций  малоновая кислота бромируется  свободным бромом: 

      BrO^-₃ + 2Br^- + 3CH₂(COOH)₂ + 3H⁺ = 3BrCH(COOH)₂ + 3H₂O  (А) 

      Химический смысл этой группы  реакций двойной: уничтожение   бромид-иона и синтез броммалоновой кислоты.

      Реакции группы Б возможны  лишь  при  отсутствии  (малой концентрации) бромид-иона. При взаимодействии бромат-иона с бромистой кислотой образуется радикал BrO₂. 

      BrO^-₃ + HBrO₂ + H⁺ > 2BrO₂ + H₂O (Б1) 

      BrO₂ реагирует с церием (III), окисляя его до  церия (IV),  а сам

восстанавливается до бромистой кислоты: 

      BrO₂ + Ce₃⁺ + H⁺ > HBrO₂ + Ce₄⁺  (Б2) 

      Бромистая кислота распадается на бромат-ион и гипобромистую кислоту: 

      2HBrO₂ > BrO^-₃ +HOBr + H⁺   (Б3) 

      Гипобромистая кислота бромирует малоновую кислоту: 

      HOBr + CH₂(COOH)₂ > BrCH(COOH)₂ + H₂O        (Б4) 

      В итоге реакций группы Б образуется броммалоновая кислота и четырехвалентный церий.

      Колебания концентраций основных  компонентов реакции: бромистой  кислоты и феррина – в фазовом пространстве представляются  в  виде  замкнутой  линии (предельного цикла). 

      BrO^-₃ + 4Ce₃⁺ +  CH₂(COOH)₂  +  5H⁺  >  BrCH(COOH)₂  +  4Ce₄⁺  +  3H₂O

(Б) 

      Образовавшийся в этих реакциях  церий (IV) (реакции группы В): 

      6Ce₄⁺ + CH₂(COOH)₂ + 2H₂O >6Ce₃⁺ + HCOOH + 2CO₂ +6H⁺    (В1) 
 

      4Ce₄⁺ + BrCH(COOH)₂ + 2H₂O >  Br^-  +  4Ce₃⁺  +  HCOOH  +  2CO₂  +  5H⁺

   (В2) 

      Химический смысл этой группы  реакций: образование бромид-иона,  идущее тем интенсивнее, чем выше концентрация броммалоновой кислоты.  Увеличение концентрации бромид-иона приводит к прекращению (резкому   замедлению) окисления церия (III) в церий (IV). В исследованиях последнего  времени церий обычно заменяют ферроином.

      Из этой (неполной) последовательности  этапов реакции Белоусова-

Жаботинского  видно, сколь сложна эта система. Тем замечательнее, что при учете лишь основных промежуточных продуктов соответствующих дифференциальные уравнения достаточно хорошо описывают наблюдаемые процессы.

      Так, достаточно учитывать изменение  концентрации всего трех основных промежуточных компонентов реакции HBrO₂ (бромистой кислоты), Br^- и ферроина (или церия). Первый шаг в реакции – в результате автокаталитической реакции образуется бромистая кислота (быстрый,  подобный взрыву процесс), ферроин трансформируется в ферриин (окисленную форму ферроина). Второй шаг – в результате взаимодействия с  органическим компонентом феррин начинает медленно трансформироваться  обратно в ферроин, и одновременно начинает образовываться бромид-ион. Третий  шаг  –  бромид-ион  вляется эффективным ингибитором   автокаталитической реакции (1-й   шаг). Как следствие, прекращается  образование бромистой кислоты, и она быстро распадается. Четвертый шаг – процесс распада ферриина, начатый на 2-м шаге,  завершается; бромид-ион  удаляется  из  системы. В результате система возвращается к состоянию,  в  котором находилась до 1-го шага,  и  процесс повторяется периодически.   Существует несколько математических моделей  (систем дифференциальных   уравнений), описывающих эту реакцию, колебания концентрации ее реагентов и закономерности распространения концентрационных волн.

Заключение. 

      Каждый год в мире проводится  несколько  международных   конференций  по динамике нелинейных  химических систем, а  слова   «BZ-reaction»  (сокращение: реакции   Белоусова-Жаботинского) звучат на десятках других  конференций, посвященных проблемам физики, химии, биологии. Изучение  реакции  Белоусова - Жаботинского имеет значение не только теории активных сред. Эта реакция используется как модель для исследования грозного нарушения работы сердца – аритмии и фибрилляций. А в недавнее  время были начаты эксперименты со светочувствительной модификацией  этой реакции, когда динамика в этой системе зависит от интенсивности света. Оказалось, что такую реакцию можно использовать как вычислительную машину для хранения и обработки изображения. Светочувствительная модификация реакции Белоусова-Жаботинского

может служить  прототипом вычислительного комплекса, который, возможно, придет на смену ЭВМ.

      С другой стороны, колебательные  химические реакции являются ярким примером самоорганизации в неживой природе, и в этом смысле имеют не  только естественно-научное, но и философское значение.

Список использованной литературы. 

1. Алиев Р., Шноль  С. Э.  «Колебательные химические  реакции». Кинетика и

катализ. 1998. № 3. С. 130-133.

2. Шноль С.  Э. Знание – Сила. 1994. № 3. С. 62-71.

3. Жаботинский  А. М. Концентрационные автоколебания.  М.: Наука, 1974.

4. Гарел Д., Гарел  О. Колебательные химические реакции  / Пер. с англ. М.:

  Мир, 1986.

5. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск:

ЮКЭА, 1997, С. 683 – 697.

6.  Концепции  современного естествознания. Под  ред. В. Н. Лавриненко, В. П.

Ратникова, М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1999, С. 78 -  87.