Белоусова - жаботинского реакция

БЕЛОУСОВА - ЖАБОТИНСКОГО РЕАКЦИЯ, протекающее в автоколебат. режиме каталитич. окисление разл. восстановителей бромноватой к-той НВrO₃. При этом наблюдаются колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора и нек-рых промежут. продуктов. Р-ция идет в кислом водном р-ре; в кач-ве катализаторов используют ионы металлов переменной валентности, напр. Се или Мп, в кач-ве восстановителей - малоновую к-ту, ацетилацетон и др. Б.-Ж. р. - наиб. изученная гомогенная колебательная реакция, открытие к-рой стимулировало резкий рост исследований хим. колебаний и привело к созданию новой области хим. кинетики.

Упрощенная схема Б.-Ж. р. включает неск. процессов: 1. Разветвленная цепная р-ция окислителя с автокатализатором НВrO₂; в результате обеспечивается самоускоряющееся окисление катализатора Мⁿ⁺ :

2. Ингибирование окисления в результате быстрой р-ции, обрывающей разветвленную цепь:

3. Бромирование восстановителя, напр.:

4. Восстановление окисленной формы катализатора М^{(п + 1)+} и одновременное образование ингибитора - Вr^- :

Т. обр. механизм р-ции можно изобразить мнемонич. схемой (рис. 1), где автокатализатор НВrO₂ обеспечивает

непосредственную положит. обратную связь (отмечена знаком +), а ингибитор замыкает петлю отрицат. обратной связи ( — ). Колебат. цикл можно качественно описать след. образом. Когда концентрация М^(п+1)+ в системе достаточно велика, скорость образования Вr^- и его концентрация в р-ре также высоки. В результате цепная р-ция окисления Мⁿ⁺ заторможена и концентрация М^(п+1)+ падает, стремясь к своему пороговому значению, при достижении к-рого концентрация Вr^- резко падает, а концентрация НВrО₂ возрастает. Разветвленная цепная р-ция ускоряется и концентрация М^(п+1)+ начинает расти, стремясь к верх. порогу, при достижении к-рого концентрация Вr^- снова резко возрастает, обрывая разветвленную цепь, и цикл повторяется. Колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора сопровождаются колебаниями окраски р-ра от бесцветной к желтой, если катализатор - ионы церия, или от голубой к красной в случае фенантролинового комплекса железа [Fe(phen)₃].

Рис. 1. Схема реакции Белоусова - Жаботинского (RBr-бромпроизводное восстановителя).

Б.-Ж. р. демонстрирует большое число разл. колебат. режимов, к-рые зависят от т-ры, кислотности и концентрации исходных реагентов. Период колебаний может изменяться от десятых долей секунды до десятков минут. Наблюдаются простые периодич. колебания разл. формы, сложные колебания с неск. максимумами в одном периоде, многочастотные и стохастич. колебания (см. рис. 2). При проведении Б.-Ж. р. в закрытой системе можно наблюдать до неск. тысяч циклов; в проточном реакторе колебания поддерживаются сколь угодно долго. В неперемешиваемом р-ре, где исключена конвекция, наблюдаются бегущие концентрац. волны, образующие самоподдерживающиеся динамич. структуры (рис. 3).

Р-ция открыта Б. П. Белоусовым в 1951, подробно изучалась А. М. Жаботинским в 1964.

Рис. 2. Разл. типы колебаний концентрации Се⁴⁺ в реакторе идеального перемешивания: а - в - пилообразные колебания с разл. соотношением длительности переднего и заднего фронта; г - синусоидальные колебания; д-хаотич. колебания; е-нестационарные сложно-периодические колебания.

Рис. 3. Динамич. структуры, образованные бегущими концентрац. волнами в тонком слое неперемешнваемого р-ра (катализатор [Fe(phen)₃]; интервал между кадрами 15с; скорость волн0,01 см/с): а - концентрич. волны от точечного источника - ведущего центра; длина волны 0,55 см; б - спиральные волны; 0,15 см.

Лит.: Жаботинский А. М., Концентрационные автоколебания, М., 1974: Полак Л. С, Михайлов А. С.. Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах, М., 1983; Oscillations and traveling waves in chemical systems, N.₇Y., 1985.