Belousova—Žabotinska reakcija

Belousova—Žabotinska reakcija ir ciklisku ķīmisku reakciju (precīzāk, ķīmisku sistēmu) klase. Šādu reakciju parametri (krāsa, reakcijas komponentu koncentrācija, temperatūra) periodiski izmainās laikā un piemērotos apstākļos arī telpā.
Ciklisko ķīmisko sistēmu mehānisms ir līdzīgs, bet tās atšķiras ar izmantojamiem katalizatoriem (cērija(III) vai mangāna(II) sāļi, divvērtīgās dzelzs vai rutēnija kompleksi), organiskajiem reducētājiem (malonskābe, ābolskābe, citronskābe), oksidētājiem (bromāti, jodāti u.c.). Noteiktos apstākļos šīs sistēmas uzvedas ļoti sarežģīti - to pulsācijas var būt kā periodiskas, regulāras, tā arī pilnīgi haotiskas. Belousova—Žabotinska reakcijas ir svarīgs nelineāro sistēmu likumsakarību izpētes objekts. Tieši tajās tika novērots pirmais eksperimentālais dīvainais atraktors ķīmiskās sistēmās.

Vēsture

Cērija oksidētās un reducētās formas koncentrācijas cikliskas izmaiņas ar periodu 10 līdz 100 sekundes, reaģējot citronskābei ar kālija bromātu cērija jonu klātienē, atklāja krievu ķīmiķis Boriss Belousovs 1951. gadā. Šķīdums regulāri mainīja krāsu no bezkrāsainas uz dzeltenu un atpakaļ (cērija(IV) joni ir bezkrāsaini, bet cērija(III) joni - dzelteni). Efekts daudz labāk novērojams pH indikatora feroīna klātienē (krāsu pārejas no sarkana uz zilu). Belousovs arī noskaidroja, ka pulsāciju periods paātrinās līdz ar temperatūras un vides skābuma paaugstināšanos. Tā kā tolaik ķīmijas zinātnē valdīja uzskats, ka periodiskas ķīmiskas reakcijas nav iespējamas, Belousova atklātās parādības aprakstu divreiz noraidīja akadēmiskie ķīmijas žurnāli un tikai pēc 8 gadiem mazpazīstamā rakstu krājumā tika publicēts saīsināts Belousova darbs.
Jaunatklātās reakcijas izpēte turpinājās, kad profesors Simons Šnols ieteica jaunajam zinātniekam Anatolijam Žabotinskim izpētīt reakcijas mehānismu. Belousovs no kopīgiem pētījumiem atteicās, kaut arī bija gandarīts par savu darbu turpinājumu. Žabotinska grupa sīki izpētīja ciklisko reakciju un tās dažādus variantus, kā arī sastādīja pirmo tās matemātisko modeli. Galvenos rezultātus Žabotinskis izklāstīja grāmatā "Koncentrācijas svārstības".
1969. gadā Žabotinskis kopā ar kolēģiem konstatēja ar neapbruņotu aci redzamus koncentrācijas viļņus reakcijas maisījuma plānā slānī.
Mūsdienās zināmas diezgan daudzas periodiskas ķīmiskas reakcijas, piemēram, Brigsa—Raušera reakcija jeb "joda pulkstenis", tomēr tikai Belousova—Žabotinska reakcija izpelnījusies speciālu vispārpieņemtu apzīmējumu BZ reaction (no atklājēju iniciāļiem angļu valodā).

Reakcijas mehānisms

Pirmo reakcijas mehānisma teoriju izveidoja Anatolijs Žabotinskis. Viņš ieteica arī vienkāršu matemātisko modeli, kas izskaidroja ķīmiskās pašsvārstības. Vēlāk mehānisms tika būtiski paplašināts un precizēts, ietverot arī haotiskos reakcijas uzvedības variantus. Elementārstadiju līmenī reakcija ir visai sarežģīta un ietver gandrīz 100 elementārreakcijas ar desmitiem starpproduktu. Reakcijas mehānisms visā pilnībā nav noskaidrots arī mūsdienās.
Vienkāršojot reakciju, var uzskatīt, ka vispirms kālija bromāts cērija(III) sāļu klātienē skābā vidē oksidē citronskābi līdz acetondikarbonskābei. Radies kālija bromīds reaģē ar kālija bromātu un izdalās broms, kas savukārt bromē acetondikarbonskābi un oksidē cērija(III) jonus par Ce(IV) joniem. Kad brīvais broms ir saistījies, šķīdumā ir palicis pārākumā kālija bromāts un citronskābe, kā arī cērija(IV) joni, kas darbojas kā katalizators un reakcija sākas no jauna.

Ciklisko ķīmisko reakciju atklāšanas nozīme

Belousova—Žabotinska reakcijas atklāšana bija viens no galvenajiem faktoriem tādu mūsdienīgu zinātnes nozaru izveidē, kā sinerģētika, dinamisko sistēmu teorija, determinētā haosa teorija. Zinātnē tā ir viena no vispazīstamākajām ķīmiskajām reakcijām un ar tās izpēti mūsdienās nodarbojas dažādu virzienu zinātnieki - ķīmiķi, matemātiķi, fiziķi, biologi. Reakcijai atklāti daudzveidīgi analogi dažādās ķīmiskās sistēmās (piemēram, cietfāzes analogs - pašizplatoša augsttemperatūras sintēze). Par to publicēti tūkstošiem zinātnisku rakstu un grāmatu, aizstāvētas daudzas disertācijas.