Колебания в химии

Колебания в химии
    
     Так продолжалось до середины нашего века, когда студент-физик, со школьных лет интересовавшийся тайнами жизни, не узнал мнения химиков и причину их пессимизма. Он, по-видимому, не знал афоризма, приписываемого Эйнштейну. Суть афоризма: все знают, что сделать что-то невозможно; потом приходит невежда, не знающий, что это невозможно, и делает это.
     Может быть, на него повлияли лекции по химии или книги, излагающие созданную Н. Н. Семеновым теорию цепных реакций, скорость которых не затухает, а возрастает как это бывает при взрыве. Может быть, его вдохновили лекции и книги о теории колебаний, о теории нелинейных колебаний. Может быть, дело в молодости, хотя через это прошли и другие.
     Во всяком случае, Анатолий Жаботинский начал искать в литературе описание химических реакций, которые не затухают, как обычно. Ряд таких реакций был описан и изучен, и среди них были периодические химические реакции. Самая известная из них — поющее пламя. Газ, горящий на конце трубки, иногда начинает звучать. При этом яркость пламени периодически изменяется в такт со звуковыми колебаниями. Как говорят в детской игре — тепло, но не больше. Процесс, приводящий к возникновению поющего пламени, хорошо изучен. При некоторых скоростях течения газа в нем возникают турбулентные вихри, они вызывают изменения давления и скорости течения газа. Здесь в игру вступает труба, она превращается в подобие органной трубы, звучание которой тоже связано с образованием вихрей, срывающихся в районе ее выходного отверстия. Колебания воздуха в трубе воздействуют на процесс образования вихрей, навязывая им свой ритм. Воздух, текущий в органной трубе, и газ в поющем пламени приносят энергию, необходимую для образования вихрей. Так возникает обратная связь, необходимая для того, чтобы процесс стал самоподдерживающимся. Нелинейные свойства процесса сильного сжатия газа необходимы для того, чтобы колебательный режим был устойчивым, устойчивым по амплитуде (по величине) колебаний. Пламя в поющих пламенах увеличивает температуру в зоне горения и способствует проявлению нелинейных свойств газа при меньших давлениях и скоростях течения, чем в случае органной трубы, где воздух холодный.
     Таким образом, свойство периодичности поющих пламен порождается не горением, не химическим процессом а физическими свойствами трубы. Способностью газа в трубе совершать периодические резонансные колебания Здесь горящий газ — лишь источник энергии.
     Во всех других описанных в литературе периодических химических реакциях ситуация была аналогичной: периодичность процесса задается не особенностями химических реакций, а сопутствующими физическими явлениями.
     Задача казалась безнадежной, когда профессор С. Э. Шноль сообщил Жаботинскому, что в редком издании «Рефераты по радиационной медицине за 1958 г.», название которого не могло заинтересовать тех, кто не работает в области радиационной медицины, а интересуется редкими химическими реакциями, содержится краткий реферат сообщения Б. П. Белоусова об открытой им периодической химической реакции.
     Много позже журналисты заинтересовались личностью Белоусова и рассказали о его жизни и его открытии. О подлинной драме, разыгравшейся в химической лаборатории и вокруг нее. Талантливый химик, Белоусов, добившийся многих выдающихся научных результатов, неожиданно обнаружил, то есть открыл, химическую реакцию, протекающую периодически. Он исследовал ее в лучших традициях аналитической химии и направил соответствующую статью в химический журнал. Редколлегия журнала, по-видимому зная, что периодических химических реакций не может быть, возвратила статью автору. Как здесь не вспомнить аргумент чеховского героя: не может быть потому, что не может быть никогда. В химии никто не доказал, что периодической химической реакции не может быть. Но все знали, что еще никогда и никому не удавалось ее наблюдать. Белоусов ее наблюдал и поэтому послал статью в другой журнал. Она возвратилась и из этого весьма авторитетного журнала. Белоусов, как некоторые другие крупные ученые, не был свободен от слабостей. Он решил поставить крест на этой статье, на этой работе никогда к ней не возвращаться. К сожалению, он выполнил свое решение.
     Но его открытие не кануло в Лету. О нем помнил Шноль. О нем прочитал Жаботинский. В кратком реферате содержались сведения, достаточные, чтобы воспроизвести реакцию.
     Нужно было подготовить три определенных бесцветных раствора, затем слить их в одну колбу и взболтать. Жаботинский проделал это, и перед его глазами возникло чудо. Бесцветная жидкость потемнела, затем снова стала прозрачной, как вода, и снова потемнела. И так продолжалось сотни раз без заметных изменений периода, без видимых изменений степени потемнения раствора в каждом цикле. Именно это описал Белоусов. В реферате не содержалось ни объяснения, ни дальнейших подробностей.
     Впрочем, Жаботинский и без того был подготовлен знакомством с описаниями исследований других периодических реакций. Следовало проверить, действительно ли периодичность проистекает вследствие специфики химических реакций, идущих в колбе, или она вызывается посторонними причинами, например некими невыявленными физическими процессами?
     Начался длительный придирчивый поиск. Прежде всего, не влияют ли на ход реакции какие-либо свойства стенок колбы? В колбе из чистого кварцевого стекла все происходило так же, как в колбе из обычного химического стекла. В колбу был засыпан песок, затем мелкодробленое стекло. Поверхность соприкосновения жидкости со стеклом увеличивалась в тысячи раз. Периодическая реакция протекала как в чистой колбе.
     Один эксперимент шел за другим. Проверялись различные варианты. Реакция Белоусова выдерживала все испытания. Росла уверенность: Белоусов нашел то, что не удавалось другим, открыл истинно химическую периодическую реакцию. Оставалось изучить, как свойства реакции зависят от соотношения концентраций реагирующих реактивов, от температуры, от размеров колбы. В лаборатории побывали многочисленные сотрудники, прослышавшие о чуде. Теперь поток иссяк. Начиналась будничная работа. Она, как полагается, закончилась написанием статьи, обсуждением полученных результатов на семинаре. Конечно, пришлось отвечать на множество вопросов, выслушать различные мнения. Это в порядке вещей.
     Статья, излагающая исследования, установившие, что реакция Белоусова является чисто химической периодической реакцией, была написана так, что рецензенты и редколлегия приняли решение: опубликовать.
     Так реакция Белоусова вошла в науку, а его имя вошло в историю науки.
     Как это всегда бывает, за первым шагом последовали другие. Жаботинский обнаружил и изучил несколько классов периодических химических реакций, аналогичных реакции Белоусова. Ведь теперь было известно, где следует искать. Он установил, как протекают эти реакции, где в химии скрыта возможность возникновения периодичности. Когда секрет открыт, он исчезает. Все выглядит просто и ясно.
     Для того чтобы химическая реакция стала периодической, в составе реагентов должны присутствовать вещества, способные вступать в реакцию двух типов. Один из них должен быть автокаталитическим: продукты, возникающие в ходе реакции, должны иметь свойства катализатора ускоряющего эту реакцию. Это автокаталитическая (сама себя катализирующая, ускоряющая) реакция, подобная цепным реакциям Семенова, аналогичная той, о которой в 1910 году писал Лотка. Одновременно должны накапливаться продукты другого типа, подавляющие эту реакцию — химики называют их ингибиторами. Когда количество ингибитора достигает некоторого определенного малого предела, автокаталитическая реакция оказывается подавленной. Теперь нужна реакция, устраняющая ингибитор. Стоит концентрации ингибитора уменьшиться до определенного малого предела, как вновь начинается автокаталитическая реакция, — и все повторяется вновь и вновь, пока хотя бы один из реактивов не окажется израсходованным.
     Это были настоящие химические часы! Роль энергии гири играет запас химической энергии реагентов, а роль маятника — чередование автокаталитической и ингибиторной стадий. Часы с гирями или пружиной нуждаются в том, чтобы их заводили. Химические часы в колбе тоже нуждаются в подведении энергии извне, в замене реактивов. Но химическую реакцию можно сделать проточной. В случае реакции Белоусова для этого достаточно подавать в колбу реактивы из трех больших сосудов, обеспечить их смешение и вытекание прореагировавшей жидкости. При этом периодическая химическая реакция продолжается сколь угодно долго.
     Публикации Жаботинского вызвали интерес химиков и биофизиков. Химиков интересовали возможности практического применения. Биофизики увидели первый подход к тайне биологических часов. Появились последователи. Реакция получила новое название: реакция Белоусова — Жаботинского. Только Жаботинский по-прежнему называет ее реакцией Белоусова.
     Но не напрасно Жаботинский учился на Физическом факультете МГУ, где ученые активно следовали традициям, заложенным Мандельштамом, поддерживали и развивали «колебательную культуру», применяли методы Общей теории колебаний к исследованию принципиальных проблем и задач практики.