Концептуальные проблемы химии. 2

2.Самоорганизация на химическом уровне - реакция Белоусова –Жаботинского.

«Though this be madness,
yet there is method in't.
Shakespear
The Tragedy of Hamlet,
Prince of Denmark

«Хоть это и безумие,
но в нем есть
последовательность»
Шекспир
Трагедия о Гамлете,
принце Датском
Перевод Лозинского М.Л.

Следуем [1-3.]
Явления самоорганизации, приводящие к образованию пространственных и
пространственно-временных диссипативных структур, могут возникать при протекании
некоторых нелинейных химических реакций, в которых продукты реакции являются ее
катализаторами и ускоряют протекание самой реакции. Это приводит к тому, что скорость образования продукта реакции нелинейно зависит от концентраций реагирующих компонентов.
Некоторая типичная химическая реакция протекает по следующей символической
схеме:
A + B** k **C + D, (1)
где A и B – реагирующие между собой компоненты, C и D – продукты реакции, k –
константа скорости, зависящая в общем случае от температуры и давления. Опыт
показывает, что даже после длительного ожидания реагенты A и B не исчезают полностью.
Это значит, что для реакции (1) существует величина, называемая константой равновесия и характеризующаяся определенным значением отношения

С(C) с(D)/[с(A) с(B)],

устанавливающимся по истечении большого промежутка времени (с-величина с соответствующим индексом означает концентрацию данного компонента). Химическая система пребывает в состоянии детального равновесия, то есть наряду с реакцией (1) протекает соответствующая обратная реакция:

C + D**k** A + B, (2)

В равновесии в соответствии с принципом детального равновесия обе реакции
протекают с одинаковыми скоростями.
Однако мы можем поддерживать постоянные концентрации продуктов C и D путем
постоянного удаления их из реакционного объема, реализуя тем самым открытую систему в неравновесном состоянии. В такой системе устанавливаются постоянные концентрации компонент A, B, C и D, причем их отношение уже не определяется константой равновесия. Такое состояние химической системы называется стационарным неравновесным состоянием, при котором детальное равновесие уже не имеет места.
Если в такой системе существует некоторый химический механизм, усиливающий
случайные изменения скоростей прямой или обратной реакций, то возникает потенциально неустойчивое состояние. Одним из наиболее характерных упомянутых механизмов является автокатализ, когда продукт реакции увеличивает скорость ее протекания.
Рассмотрим теперь на примере конкретной реакции влияние неравновесных условий
на режимы ее поведения.
Говоря о концептуальных проблемах химии, нельзя не остановиться на
самоорганизации на химическом уровне, которую можно наблюдать, например, в так
называемой реакции Белоусова–Жаботинского. Прежде всего, следует рассказать об
экспериментальном открытии знаменитой реакции, открывшей новую эпоху в химических
автокаталитических реакциях.
Эта реакция была открыта Б.П. Белоусовым в 1951 г. в ходе простого эксперимента – окисления лимонной кислоты броматом калия в присутствии сульфата церия и серной кислоты. Церий, металл переменной валентности, играет в ней роль маятника: он появляется то в восстановительной

Ce^(4+) *** Ce^3+ + Br^(-), (3)

то в окисленной форме

Ce^(3+) *** Ce^(4+)., (4)

Эти реакции автокаталитические. Свободный ион брома действует как сильный
ингибитор (замедлитель) реакции (3). Поэтому вначале протекает только реакция (3),пока все ионы Ce^(4+) не восстановятся до Ce^(3+) . Затем протекает реакция (4), и процесс повторяется сначала. Вследствие этого раствор периодически меняет окраску, становясь тоголубым [избыток ионов церия Ce^(4+)], то красным [избыток ионов Ce^(3+)]. Получаются, таким образом, химические часы на основе своеобразного (окислительно-восстановительного) химического маятника.

Б.П. Белоусов послал статью о своем открытии в научный журнал и получил отказ с
формулировкой рецензента «Такого в химических процессах не бывает...». Вторая посылка статьи в 1957 г. – опять отказ. Первая публикация была осуществлена автором только в1959 г. в малоизвестном «Сборнике рефератов по радиационной медицине». Признание пришло лишь через несколько лет, когда аспирант Института биологической физики А.М.Жаботинский по рекомендации своего руководителя профессора С.Э.Шноля исследовал ряд аналогичных колебательных химических реакций.
Работа А.М.Жаботинского и А.Н. Заикина была напечатана в 1970 г. в журнале «Nature» и вызвала сенсацию.Полный же текст статьи Б.П. Белоусова был напечатан только после его смерти в 1981 г. Такова судьба открытий...
На видео «из первых рук» посмотрите фрагмент
лекции профессора МГУ С.Э. Шноля, с демонстрацией реакции Белоусова – Жаботинского.7 минута.[4] https://ya.ru/video/preview/9354114342158943097

Борис Павлович Белоусов. (19 февраля 1893, Москва –12 июня 1970, там же) – советский химик и биофизик. Лауреат Ленинской премии (1980).Родился в 1893 году.
Вместе с братьями был вовлечен в революционную деятельность и в возрасте 12 лет арестован. Был вынужден эмигрировать с семьей в Швейцарию. В Цюрихе увлёкся
химией. Прослушал полный университетский курс химии, но не смог выкупить диплом из-за отсутствия средств. В1914 г. возвратился в Россию, однако в действующую
армию не попал из-за недостатка веса. Поступил на работу в химическую лабораторию завода Гужона (завод «Серп и молот»). Занимался работами в области военной химии. С 1923 г. по рекомендации академика П.П. Лазарева преподавал химию в Высшей военно-химической школе РККА. Как военный химик Б.П. Белоусов с 1933 г. работал старшим преподавателем Академии химической защиты им. С.К. Тимошенко. В 1938 г. вышел в отставку в звании комбрига. В последующие годы работал в закрытом медицинском институте. Разрабатывал способы борьбы с отравляющими веществами, составов для противогазов, газовых анализаторов, препаратов, снижающих воздействие радиации на организм. В 1951 г. при исследовании окисления лимонной кислоты броматом в присутствии катализатора (сульфат церия), обнаружил концентрационные колебания ионов церия. Так была открыта колебательная реакция, которая является одной из первых работ в области нелинейной химической динамики. Исследование механизма реакции Белоусова с 1961 г. проводил А.М. Жаботинский, поэтому класс колебательных реакций называют реакцией Белоусова – Жаботинского. Впоследствии эта работа была признана как научное открытие и занесена в Государственный реестр открытий СССР под № 174. Скончался в Москве 12 июня 1970 года. В 1980 году Борису Павловичу Белоусову посмертно была присуждена Ленинская премия: «за обнаружение нового класса автоволновых процессов и исследование их в нарушении устойчивости возбудимых распределённых систем». Премию также получили А.М. Жаботинский, А.Н. Заикин, Г Р. Иваницкий и В.И. Кричевский.

Анатолий Маркович Жаботинский (17 января 1938,Москва – 16 сентября 2008, Бостон) – советский и американский биофизик, физико-химик. Лауреат Ленинской премии (1980).Родился 17 января 1938 г. в Москве. Сын физика, доктора технических наук Марка Ефремовича Жаботинского (1917–2003) и историка физики,популяризатора науки Анны Михайловны Ливановой, автора книг «Физики о физиках» (1968), «Три судьбы. Постижение мира» (1969), «Ландау» (1978, 1983).В 1955 г. поступил в МГУ, а после окончания – в аспирантуру к проф. С.Э.Шнолю. Вначале Жаботинский собирался изучать ритмическое поведение в метаболизме глюкозы, однако Шноль сообщил ему, что требуемые исходные материалы были в дефиците, и предложил заняться формулой
Белоусова, с которой два предыдущих аспиранта не достигли большого успеха.
В 1961 г. А.М. Жаботинский исследовал механизм реакции Белоусова – Жаботинского, открытой Б.П. Белоусовым в 1951 г. Попытки Жаботинского установить личный контакт с Белоусовым оказались безуспешными. Даже после публикации результатов работы Жаботинского и получения превосходных отзывов о ней со стороны Белоусова они так никогда не встретились лицом к лицу, несмотря на то, что работали лишь в нескольких километрах друг от друга. Жаботинский всегда подозревал, что Белоусов, который работал в секретном военном институте и в годы сталинских «чисток» потерял много друзей, опасался всяческих неформальных отношений. Из-за своего еврейского происхождения, а также из-за того, что он позволял себе свободные критические высказывания на политические темы, Жаботинский был в СССР «невыездным» – ему был запрещен выезд за пределы Советского Союза. Лишь на закате «Перестройки» ему удалось приехать в США с 10-дневным лекционным курсом. В июле 1991 г. профессор университета Брендайса Ирвинг Эпстайн по просьбе Жаботинского продлил его пребывание в США еще на год. После этого Жаботинский в СССР–Россию никогда уже не вернулся. В 1991–2008 гг. Жаботинский работал адъюнкт-профессором университета Брандейса, штат Массачусетс.

Литература
1. Хапачев Ю.П., Дышеков А.А., Оранова Т.И., Шустова Т.И. Современная естественнонаучная картина мира Курс лекций. I - II части. Актуальные вопросы современного естествознания. Нальчик. 2017. Вып. 15. 130c.
2. Yurii Khapachev, Arthur Dyshekov, Tatyana Oranova and Tatyana Shustova. The Modern Natural Science Picture of the World.2020.P.113-115. Cambridge Scholars Publishing.
3.Ю.П.Хапачев, А.А.Дышеков, Т.И.Оранова, Т.И.Шустова Панорама современного естествознания. © Copyright: Юрий Хапачев, 2024.Свидетельство о публикации №224041801307  https://www.khapachev.com/
4. С.Э. Шноль. Демонстрация реакции Белоусова – Жаботинского.7 минута. https://ya.ru/video/preview/9354114342158943097