التفاعلات الكيميائية التذبذبية

في هذا المقرر الدراسي، سأنظر في حالة خاصة لتجربة إشكالية، وهي التفاعلات الكيميائية التذبذبية. التفاعلات التذبذبية هي فئة كاملة من تفاعلات الأكسدة للمواد العضوية بمشاركة محفز له خصائص الأكسدة والاختزال. تحدث هذه العملية بشكل دوري، أي أنها تتكون من تكرارات متعددة.

تم اكتشاف التفاعلات الكيميائية المتذبذبة وإثباتها علميا في عام 1951 من قبل العالم السوفيتي بوريس بتروفيتش بيلوسوف. بي.بي. درس بيلوسوف أكسدة حامض الستريك أثناء تفاعله مع برومات الصوديوم في محلول حمض الكبريتيك. لتعزيز التفاعل، أضاف أملاح السيريوم إلى المحلول. السيريوم هو معدن ذو تكافؤ متغير (3+ أو 4+)، لذلك يمكن أن يكون محفزًا لتحولات الأكسدة والاختزال. ويصاحب التفاعل إطلاق فقاعات ثاني أكسيد الكربون، وبالتالي يبدو أن خليط التفاعل بأكمله "يغلي". وعلى خلفية هذا الغليان، لاحظ B. P. Belousov شيئا مذهلا: تغير لون الحل بشكل دوري - أصبح أصفر، ثم عديم اللون. أضاف بيلوسوف إلى المحلول مركبًا من الفينانثرولين مع الحديد الحديدي (فيروين)، وبدأ لون المحلول يتغير بشكل دوري من الأحمر الأرجواني إلى الأزرق والعودة.

هكذا تم اكتشاف رد الفعل الذي أصبح مشهورا. الآن هو معروف في جميع أنحاء العالم، ويسمى "رد فعل بيلوسوف-زابوتينسكي". لقد فعل A. M. Zhabotinsky الكثير لفهم هذه الظاهرة المذهلة. ومنذ ذلك الحين، تم اكتشاف عدد كبير من التفاعلات المماثلة.

تاريخ اكتشاف التفاعلات التذبذبية.

اكتشف IP Belousov التفاعل الكيميائي المتذبذب أثناء محاولته إنشاء نموذج كيميائي بسيط لبعض مراحل نظام التحولات الكيميائية الحيوية الرئيسية للأحماض الكربوكسيلية في الخلية. إلا أن الرسالة الأولى حول اكتشافه لم تنشر. شكك أحد المراجعين في إحدى المجلات الكيميائية في الاحتمالية الأساسية للتفاعل الموصوف في المقالة. اعتقد معظم الكيميائيين في تلك السنوات أن التذبذبات الكيميائية البحتة غير موجودة، على الرغم من أن وجود تفاعلات تذبذبية تم التنبؤ بها في عام 1910 من قبل أ. لوتكوي على أساس النظرية الرياضية للعمليات الدورية.

أما المحاولة الثانية لنشر نتائج البحث فقد قام بها العالم في عام 1957، وتم رفضها مرة أخرى، على الرغم من أعمال الفيزيائي والكيميائي البلجيكي آي آر بريجوجين التي ظهرت في ذلك الوقت. أظهرت هذه الأعمال إمكانية واحتمالية التفاعلات الكيميائية التذبذبية.

فقط في عام 1959 تم نشر ملخص قصير عن اكتشاف التفاعل الكيميائي المتذبذب النشط بشكل دوري بواسطة B. P. Belousov في منشور غير معروف "مجموعة ملخصات عن الطب الإشعاعي".

والنقطة الأساسية هي أنه عندما اكتشف B. P. Belousov، يبدو أن التغييرات الدورية في تركيز الكواشف بمثابة انتهاك لقوانين الديناميكا الحرارية. في الواقع، كيف يمكن أن يسير رد الفعل إما في الاتجاه المباشر أو في الاتجاه المعاكس؟ من المستحيل أن نتخيل أن العدد الهائل من الجزيئات الموجودة في الوعاء سيكون في حالة أو أخرى (أحيانًا كلها "زرقاء"، وأحيانًا كلها "حمراء"...).

يتم تحديد اتجاه التفاعل من خلال الإمكانات الكيميائية (الديناميكية الحرارية) - يتم تنفيذ التفاعلات في اتجاه الحالات الأكثر احتمالية، في اتجاه تقليل الطاقة الحرة للنظام. عند اكتمال التفاعل في اتجاه معين، فهذا يعني استنفاد إمكاناته، ويتم تحقيق التوازن الديناميكي الحراري، وبدون إنفاق الطاقة، بشكل عفوي، لا يمكن للعملية أن تسير في الاتجاه المعاكس. وهنا... يسير رد الفعل أولاً في اتجاه واحد، ثم في الاتجاه الآخر.

ومع ذلك، لم يكن هناك انتهاك للقوانين في رد الفعل هذا. وكانت هناك تقلبات - تغيرات دورية - في تركيزات المواد الوسيطة، بدلا من المواد المتفاعلة الأولية أو المنتجات النهائية. ولا يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الستريك في هذا التفاعل، وهذا في الحقيقة مستحيل. لم يأخذ المراجعون في الاعتبار أنه على الرغم من أن النظام بعيد عن التوازن، إلا أنه يمكن أن يحدث فيه الكثير من الأشياء الرائعة. يمكن أن تكون المسارات التفصيلية للنظام من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية معقدة للغاية. فقط في العقود الأخيرة تمت معالجة هذه المشاكل من خلال الديناميكا الحرارية للأنظمة البعيدة عن التوازن. أصبح هذا العلم الجديد أساسًا لعلم جديد - التآزر (نظرية التنظيم الذاتي).

رد فعل بيلوسوف، كما هو مذكور أعلاه، تمت دراسته بالتفصيل من قبل أ.م.زابوتنسكي وزملاؤه. استبدلوا حامض الستريك بحمض المالونيك. ولا يصاحب أكسدة حمض المالونيك تكوين فقاعات ثاني أكسيد الكربون، لذلك يمكن تسجيل التغيرات في لون المحلول دون تدخل الأجهزة الكهروضوئية. اتضح لاحقًا أن الفيروين، حتى بدون السيريوم، يعمل كمحفز لهذا التفاعل. B. P. لاحظ بيلوسوف بالفعل في تجاربه الأولى خاصية رائعة أخرى لرد فعله: عندما يتوقف التحريك، ينتشر تغير اللون في المحلول في موجات. أصبح انتشار الاهتزازات الكيميائية في الفضاء واضحًا بشكل خاص عندما قام أ.م.زابوتنسكي وأ.ن.زايكين في عام 1970 بسكب طبقة رقيقة من خليط التفاعل في طبق بيتري. تتشكل أشكال غريبة في الكأس - دوائر متحدة المركز، ولوالب، و"دوامات"، تنتشر بسرعة حوالي 1 مم/دقيقة. الموجات الكيميائية لها عدد من الخصائص غير العادية. لذلك، عندما تصطدمان، تنطفئان ولا يمكن أن يمر كل منهما بالآخر.

جوهر ردود الفعل التذبذبية. آلية وحركية التفاعلات التذبذبية.

محتوى

1. مقدمة ………………………………………………………..3
2. المفاهيم الأساسية…………………………………………………………………………………………………………………………… 4
3. التاريخ…………………………………………………………………………………………………………….5
4. الأهمية والنطاق………………………………… 8
5. آليات التفاعل …………………………………………………………………………………………………………………………….10
6. حركية التفاعلات التذبذبية…………………………………….14
7. إجراءات إجراء التجربة .......................................... 15
8. البيانات التجريبية ……………………………………….18
9. الخلاصة ……………………………………………………..23
10. فهرس…………..………………………………..…………24

مقدمة
تعد التفاعلات الاهتزازية واحدة من أكثر الأقسام إثارة للاهتمام وجاذبية في الكيمياء غير العضوية. فهي تجتذب اهتمامًا وثيقًا ليس فقط من الكيميائيين، ولكن أيضًا من الفيزيائيين والرياضيين والفيزيائيين الحيويين وغيرهم الكثير، وهي قضية ملحة للعلم الحديث. لذلك، أريد في عملي التعرف على تاريخ التفاعلات التذبذبية وتطبيقها العملي وأشهر تفاعلات تذبذبية متجانسة، وكذلك فهم آلياتها، ومن خلال إجراء تجربة، التعرف على التفاعلات التذبذبية عمليًا.

المفاهيم الأساسية للتفاعلات التذبذبية

• ردود الفعل التذبذبية- فئة من تفاعلات الأكسدة والاختزال تتميز بالتقلبات الدورية للمواد الوسيطة، ونتيجة لذلك، التقلبات في اللون ودرجة الحرارة ومعدل التدفق، وما إلى ذلك.

هناك عدة أنواع من ردود الفعل التذبذبية:

1. المحفز
2. متجانس
3. التفاعلات المحفزة بالإنزيمات
4. ردود الفعل المحفزة بواسطة أيونات المعادن
5. غير متجانسة (التفاعلات على المحفزات الصلبة)
6. غير محفزة، على الرغم من أنه من الأصح تسميتها ذاتية التحفيز (أكسدة المركبات العطرية بالبرومات)

• فترة الحث هي وقت التكوين الأولي وتراكم محفز التفاعل.
• فترة التذبذب هي أقصر فترة زمنية يحدث خلالها تذبذب كامل (أي يعود النظام إلى نفس الحالة التي كان عليها في اللحظة الأولية، ويتم اختيارها بشكل تعسفي)

قصة
غالبًا ما يبدأ تاريخ التفاعلات التذبذبية مع الكيميائي الألماني والفيلسوف الطبيعي جزئيًا فريدليب فرديناند رونج. وفي عامي 1850 و1855، نشر كتابين متتاليين، يصفان الهياكل الدورية الملونة التي تظهر على ورق الترشيح عندما تُسكب عليه محاليل مواد مختلفة واحدة تلو الأخرى. في الواقع، كان أحدها، "المادة في السعي إلى التكوين"، عبارة عن "ألبوم يحتوي على أوراق ملصوقة من ورق الترشيح تم تنفيذ التفاعلات المقابلة عليها. على سبيل المثال، تم نقع ورق الترشيح في محلول كبريتات النحاس، وتجفيفه ثم نقعه مرة أخرى في محلول فوسفات الألومنيوم، وتم وضع قطرات من كبريتات البوتاسيوم الحديدية في المنتصف، وبعد ذلك لوحظ تكوين طبقات دورية. بعد رونج، دخل رافائيل ليسيجانج تاريخ التفاعلات التذبذبية. في عام 1896، نشر تجاربه مع الهياكل الإيقاعية (حلقات ليسغانغ) الناتجة عن ترسب رواسب ثنائي كرومات الفضة في الجيلاتين. سكب Liesegang محلول جيلاتين ساخن يحتوي على ثاني كرومات البوتاسيوم على طبق زجاجي. وعندما أصبح المحلول متصلبًا، وضع قطرة من محلول نترات الفضة في منتصف الطبق. لم يتساقط راسب ثنائي كرومات الفضة في مكان متواصل، بل في دوائر متحدة المركز. كان Liesegang، المطلع على كتب رونج، يميل في البداية نحو تفسير طبيعي فلسفي وعضوي للعملية الدورية التي حصل عليها. وفي الوقت نفسه، كان رد فعله إيجابيًا على التفسير المادي لـ "حلقاته" التي قدمها فيلهلم أوستفالد عام 1898، والتي كانت مبنية على مفهوم الحالة شبه المستقرة. وقد سُجل هذا التفسير في التاريخ باسم نظرية التشبع الفائق.
حتى الآن، لم نتحدث عن التفاعلات الكيميائية التذبذبية نفسها، بل عن العمليات الفيزيائية والكيميائية الدورية، حيث يكون التحول الكيميائي مصحوبًا بانتقال طوري. اقترب ديفيد ألبرتوفيتش فرانك كامينتسكي من الاهتزازات الكيميائية نفسها، والذي بدأ في نشر تجاربه حول الاهتزازات الكيميائية في عام 1939. ووصف الظواهر الدورية أثناء أكسدة الهيدروكربونات: على سبيل المثال، إذا تم تمرير مخاليط من الهيدروكربونات الأعلى عبر مفاعل مضطرب، إذن هناك ومضات دورية (نبضات) ) لهب بارد.
في عام 1949، تم نشر مقال كبير بقلم I. E. في مجلة الكيمياء الفيزيائية. سالنيكوفا، تلخيص عمله، بدأت من خلال بحث مشترك مع د. فرانك كامينتسكي. في هذه المقالة تم تشكيل مفهوم التذبذبات الحرارية. وأثناء هذه التذبذبات تتغير درجات الحرارة، وشرطها الضروري هو التوازن بين إطلاق الحرارة وتبددها في البيئة. ومع ذلك، فإن أقوى حجة لصالح الاهتزازات الكيميائية كانت مقال بوريس بافلوفيتش بيلوسوف، الذي حاول نشره مرتين دون جدوى - في عامي 1951 و1955. على الرغم من أن الاهتزازات الحركية الحرارية تحدث في أنظمة متجانسة (على عكس، على سبيل المثال، Liesegang أو أنظمة الكروم المتذبذبة)، إلا أنها يتم توفيرها من خلال عملية التحفيز الحراري الفيزيائية (أو الفيزيائية والكيميائية). اكتشاف ب.ب. أكملت بيلوسوفا عمليًا بحثًا دام 150 عامًا تقريبًا عن الأنماط التذبذبية في العمليات الكيميائية. لقد كان بالفعل تفاعل اهتزازي كيميائي بحت. ومع ذلك، في الخمسينيات من القرن العشرين، وقعت أيضًا أحداث أخرى تتعلق برد فعل بيلوسوف. بعد كل شيء، على الرغم من أن مقال ب.ب. تم رفض بيلوسوف، وانتشرت المعلومات حول رد فعله على مستوى الفولكلور العلمي.
أحد المستفيدين من هذه المعلومات كان سيمون إلييفيتش شنول، الذي كان يعمل بالفعل على العمليات الدورية في الكيمياء الحيوية. كان مهتمًا بطبيعة الدورية الكيميائية. بعد أن تلقى مخطوطة مقالته من بيلوسوف في عام 1958، بدأ شنول بتجربة رد فعله. وفي عام 1961، أصدر تعليماته لطالب الدراسات العليا أناتولي ماركوفيتش زابوتنسكي بمواصلة عمل ب. قدم بيلوسوف، وهو، البحث أولاً تحت قيادة شنول، ثم بشكل مستقل عنه، مساهمة حاسمة في توضيح حركية رد فعل بيلوسوف ونمذجةه الرياضية. ونتيجة لذلك، أصبح رد الفعل هذا معروفًا باسم رد فعل بيلوسوف-زابوتنسكي.

آليات رد الفعل
حتى الآن، تمت دراسة عشرات التفاعلات الكيميائية المتجانسة وغير المتجانسة. أتاحت دراسة النماذج الحركية لمثل هذه التفاعلات المعقدة صياغة عدد من الشروط العامة اللازمة لحدوث تذبذبات مستقرة في معدلات التفاعل وتركيزات المواد الوسيطة:

1. تحدث التذبذبات المستقرة في معظم الحالات في الأنظمة المفتوحة التي يمكن فيها الحفاظ على تركيزات ثابتة للكواشف المشاركة.
2. يجب أن يتضمن التفاعل التذبذبي خطوات تحفيزية ذاتية وعكسية، بالإضافة إلى خطوات يتم تثبيتها بواسطة منتجات التفاعل.
3. يجب أن تتضمن آلية التفاعل خطوات بترتيب أعلى من الأول.

وهذه الشروط ضرورية ولكنها ليست شروطاً كافية لحدوث التذبذبات الذاتية في النظام. ومن الجدير بالذكر أن العلاقة بين ثوابت معدل المراحل الفردية وقيم التركيزات الأولية للكواشف تلعب أيضًا دورًا مهمًا.

3HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + BrO 3 - سي (3+/4+)، ح+→ ر - + 3CO 2 + 3H 2 O
يعد تفاعل بيلوسوف-زابوتينسكي هو الأول من التفاعلات التذبذبية المفتوحة والمدروسة. وفي هذا الصدد، ربما يمكن أن نطلق عليه أحد ردود الفعل الأكثر دراسة لهذه المجموعة. في الوقت الحالي، تم التأكد بطريقة أو بأخرى من وجود ثمانين مرحلة وسيطة (وتفاعلات جانبية) تحدث في النظام.
كان أحد مخططات التفاعل الأولى والأبسط هو المخطط الذي يتكون من مرحلتين:

1. أكسدة السيريوم ثلاثي التكافؤ بالبرومات

سي 3+ BrO3(-)، H+→ م 4+

1. واختزال السيريوم رباعي التكافؤ مع حامض الستريك

سي 3+ نعم→ م 4+
ومع ذلك، فهو لا يقدم فهمًا لكيفية ظهور التذبذبات في النظام ونتيجة لذلك، مما يقودنا إلى النظر في آلية التفاعل التي اقترحها نويز وآخرون في عام 1972:

1. BrO 3 - + Br - + 2H + ↔ HBrO 2 + HBrO
2. HBrO 2 + Br - + H + ↔ 2HBrO
3. HBrO + Br - + H + ↔ Br 2 + H 2 O
4. ر 2 + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → Br - + H + + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
5. برو 3 - + HBrO 2 + H + ↔ 2BrO 2. +H2O
6. برو2. + Ce 3+ + H + → HBrO 2 + Ce 4+
7. 2HBrO 2 ↔ BrO 3 - + HBrO + H +
8. HBrO + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → H 2 O + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
9. 18Ce 4+ + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + 5H 2 O → 18Ce 3+ + 6CO 2 + 18H +

10) 16Ce 4+ + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH → 16Ce 3+ + 6CO 2 + 18H + + Br -

لذلك، دعونا ننظر في اهتزازات Ce 3+ / Ce 4+ في هذا النظام. لنفترض أن لدينا كمية صغيرة تتزايد تدريجيًا من Ce 4+ في المحلول، مما يعني أن تركيز Br صغير أيضًا ويزداد بسبب التفاعل (10). لذلك، بمجرد الوصول إلى تركيز حرج معين لـ Ce 4+، فإن تركيز Br - سيزداد بشكل حاد، مما سيؤدي إلى ربط HBrO 2 المرحلة (2)، وهو ضروري للأكسدة الحفزية لـ Ce 3+، المرحلة (5)، (6). ويترتب على ذلك أن تراكم Ce 4+ في المحلول سيتوقف وسيقل تركيزه حسب التفاعلات (9)، (10). سيؤدي التركيز العالي من Br إلى زيادة معدل استهلاكها من خلال التفاعلات (1) - (3). في هذه الحالة، بعد تقليل تركيز Br - أقل من قيمة معينة، فإنه سيتوقف عمليا عن التفاعلات (2) و (3)، مما يؤدي إلى تراكم HBrO 2. وهذا يعني زيادة في تركيز Ce 4+ وتكرار الدورة التي مررنا بها.

رد فعل بريجز راوشر:
IO 3 - + 2H 2 O 2 + H + + RH مليون (2+/3+)→ RI + 2O 2 + 3H 2 O
حيث RH هو حمض المالونيك، و RI هو مشتق اليود من حمض المالونيك.
تم اكتشاف هذا التفاعل في عام 1973. جوهر التفاعل هو أكسدة حمض المالونيك مع أيونات اليودات في وجود بيروكسيد الهيدروجين ومحفز (أيونات المنغنيز 2+/3+). عند إضافة النشا كمؤشر، لوحظت تقلبات في لون المحلول من عديم اللون إلى الأصفر ثم إلى الأزرق، بسبب التقلبات في تركيزات اليود. تعد الدراسة الكاملة لآلية تفاعل بريجز-راوشر مشكلة معقدة ولم يتم حلها بعد، وربما تكون في المقام الأول مشكلة حركية. وفقا للمفاهيم الحديثة، فإن آلية هذا التفاعل تشمل ما يصل إلى ثلاثين مرحلة. وفي الوقت نفسه، ومن أجل فهم أسباب التذبذبات، يكفي النظر في آلية رد فعل مبسطة تتكون من إحدى عشرة مرحلة أدناه:

1. IO 3 - + ح 2 يا 2 + ح + → هيو 2 + يا 2 + ح 2 يا
2. IO 3 - + HIO 2 + H + ↔ 2IO 2 . +H2O
3. هيو 2 + ح 2 يا 2 → هيو + يا 2 + ح 2 أو
4. IO2. + منغنيز 2+ + H2O ↔ HIO 2 + MnOH 2+
5. 2HIO + H2O2 → 2I - + 4O2 + 4H +
6. MnOH 2+ + I - + H + ↔ I. + من2+ + ح2يا
7. HIO+ I - + H + ↔ I 2 + H2O
8. 2HIO 2 → IO 3 - + HIO + H +
9. RH↔ انول
10. هيو + انول → ري + H2O
11. أنا 2 + إينول → RI + I - + H +

دعونا نفكر في التقلبات في هذا التفاعل باستخدام مثال I 2 /I - الزوج، حيث أن وجود أو عدم وجود اليود هو الأكثر سهولة في اكتشافه في المحلول بسبب مجمعات النشا الزرقاء المتكونة.
لذلك، إذا كان تركيز I صغيرًا (أو كانت هذه الأيونات غائبة في المحلول، وهو ما يتوافق مع اللحظة الأولية للزمن)، فوفقًا للمرحلة (5)، ومع مزيد من التقلبات والمرحلة (11)، أيضًا كرد فعل عكسي للمرحلة (7)، تبدأ في التراكم في المحلول، مما يؤدي إلى انخفاض (حسب التوافر) في تركيز I 2. يؤدي انخفاض تركيز I 2 إلى انخفاض معدل تراكم I - . وفي نفس الوقت فإن التركيز العالي لأيونات I- يسبب زيادة معدل استهلاكها في التفاعل المباشر للمرحلة (7) وزيادة تركيز I- يتناقص مرة أخرى، مما يقودنا إلى بداية هذا النقاش وتكرار القول دورة الموصوفة.

حركية التفاعلات الاهتزازية

تعتبر مشاكل دراسة الحركية، في الوقت الحالي، من أكثر القضايا تعقيدًا والتي لم يتم حلها بعد فيما يتعلق بالتفاعلات الاهتزازية. نظرًا للعدد الكبير من العمليات المترابطة والمتوازية التي تحدث في هذه الفئة من التفاعلات، فإن تجميع أنظمة المعادلات التفاضلية التي تعطي قيمًا تقريبية على الأقل لثوابت معدل المراحل المتوسطة تصبح مهمة غير تافهة للغاية. وعلى الرغم من أن هناك الآن العديد من النماذج المبسطة التي تسمح لنا بالنظر في السمات الرئيسية للسلوك المعقد للتفاعلات التذبذبية، يبدو أن هذا الموضوع تمت دراسته بشكل سيء للغاية وبالتالي فهو مثير للاهتمام للغاية للأجيال اللاحقة من الباحثين. في الوقت نفسه، على الرغم من ذلك، في هذا العمل، لن يتلقى هذا القسم من دراسة التفاعلات التذبذبية مزيدًا من التطوير بسبب ضيق الوقت والأموال اللازمة لدراسته.

إجراءات إجراء التجربة
رد فعل بيلوسوف-زابوتينسكي.

الكواشف: حامض الستريك، برومات البوتاسيوم، كبريتات السيريوم (III)، حمض الكبريتيك.
الأدوات: أسطوانة قياس 50 مل، أكواب مقاومة للحرارة 300 مل و100 مل، قضيب زجاجي، ملعقة مسطحة.
المعدات: موازين تحليلية، بلاط.
لتنفيذ تفاعل بيلوسوف-زابوتنسكي، من الضروري تحضير المحاليل والعينات التالية:

1. تحضير محلول حامض الستريك وتسخينه إلى 50 درجة مئوية.
2. أضف جزءًا من برومات البوتاسيوم وكبريتات السيريوم (III) وحركهما بقضيب زجاجي.
3. إزالة الجص من البلاط.
4. أضف حمض الكبريتيك.

رد فعل بريجز راوشر.
الكواشف والأواني الزجاجية والمعدات اللازمة:
الكواشف: يودات البوتاسيوم، حمض الكبريتيك، حمض المالونيك، كبريتات المنغنيز (II)، النشا، بيروكسيد الهيدروجين.
الأدوات: أسطوانة قياس 50 مل، 2 كوب لكل 500 مل، 3 أكواب لكل 100 مل، قضيب زجاجي، ملعقة.
المعدات: ميزان تحليلي، محرك مغناطيسي، مغناطيس.
لتنفيذ تفاعل بريجز-راوشر، يجب تحضير المحاليل التالية:
الحل رقم 1:

الحل رقم 2:

الحل رقم 3

إجراءات التجربة:

1. تحضير جميع الحلول اللازمة.
2. صب 50 مل من المحلول رقم 1 في كوب سعة 500 مل يحتوي على مغناطيس، ثم ضعه على محرك مغناطيسي. قم بتشغيله.
3. في كأسين آخرين، قم بقياس 25 مل من المحلول رقم 2 و 40 مل من المحلول رقم 3 بشكل منفصل.
4. أضف في نفس الوقت الحلين رقم 2 ورقم 3 إلى الحل رقم 1.
5. تسجيل فترة الحث وفترات التذبذب.

تجربة
رد فعل بيلوسوف-زابوتنسكي:
لإجراء التفاعل، تم تحضير محلول حامض الستريك (20 جم لكل 80 مل من الماء). لإذابة حامض الستريك تمامًا، يجب تسخين المحلول على موقد كهربائي. بعد ذلك، تم تحضير أجزاء موزونة من برومات البوتاسيوم (8 جم) وكبريتات السيريوم III (1.5 جم) وصبها بالتتابع في محلول من حمض الستريك. بعد التحريك بقضيب زجاجي، تمت إضافة حمض الكبريتيك بعناية مع استمرار التحريك، وبعد ذلك تم تسجيل تقلبات اللون من الأبيض إلى الأصفر.

№	الفترة، س	لون	№	الفترة، س	لون
1	23	أبيض	12	12	أصفر
2	11	أصفر	13	66	أبيض
3	41	أبيض	14	8	أصفر
4	12	أصفر	15	43	أبيض
5	71	أبيض	16	6	أصفر
6	11	أصفر	17	56	أبيض
7	43	أبيض	18	5	أصفر
8	13	أصفر	19	43	أبيض
9	19	أبيض	20	5	أصفر
10	10	أصفر	21	56	أبيض
11	40	أبيض	22	4	أصفر

ومن الجدير بالذكر أيضًا زيادة كمية الغاز المنبعثة عندما يصبح المحلول داكنًا.
الاستنتاج: استنادا إلى البيانات المسجلة، يمكن الحكم على انخفاض ثابت في الوقت الذي يقضيه في محلول السيريوم رباعي التكافؤ (مما يشير بشكل غير مباشر إلى انخفاض في بيئة الرقم الهيدروجيني، حيث أنه كلما كانت البيئة أكثر حمضية، كلما زادت قوة عامل السيريوم المؤكسد). وكلما كان أقل استقرارا).
تم اكتشاف نمط مذهل أيضًا، لأنه أثناء التفاعل لا تتقلب تركيزات المواد الوسيطة فحسب، بل أيضًا وقت فترات التذبذب (التذبذب التوافقي المخمد):

رد فعل بريجز راوشر:
لإجراء التفاعل، تم تحضير ثلاثة محاليل: محلول كبريتات يودات البوتاسيوم (c(KIO 3) = 0.067 مول/لتر؛ c(H2SO4) = 0.053 مول/لتر) - 50 مل، محلول نشا من حمض المالونيك مع إضافة كمية تحفيزية من كبريتات المنغنيز اثنين (ج(MnSO 4) = 0.0067 مول/لتر؛ ج(CH 2 (COOH) 2) = 0.05 مول/لتر؛ نشا 0.1%) - 25 مل وسبعة - المحلول المولي من بيروكسيد الهيدروجين - 40 مل. تم صب المحلول رقم 1 في كوب يحتوي على مغناطيس سعة 250 مل. تم وضع الزجاج على محرك مغناطيسي، والذي تم تشغيله بعد ذلك، وتم تشغيل التحريك المكثف بحيث حدث تغير اللون بشكل حاد. ثم، دون التوقف عن التحريك، تمت إضافة محتويات الكؤوس مع المحاليل رقم 2 ورقم 3، في وقت واحد وبسرعة. قامت ساعة الإيقاف بقياس ظهور اللون الأصفر الأول – فترة الاستقراء وبداية ظهور الألوان الزرقاء – فترة التذبذب.

فترة الحث هي 2 ثانية.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
الفترة، س	13	12	14	12	13	14	13	14	14	15	15	16
№	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
الفترة، س	16	16	17	17	17	18	17	18	17	18	18	17

الخلاصة: مع تقدم التفاعل، لوحظ زيادة تدريجية في فترة التذبذب، وهو ما يظهر بشكل خاص في الرسم البياني:

خاتمة
تم في هذا العمل النظر في التفاعلات التذبذبية وخصائصها، وعلى وجه الخصوص:

1. تمت دراسة نطاق تطبيق التفاعلات التذبذبية في العالم الحديث
2. تمت دراسة تاريخ التفاعلات التذبذبية
3. يتم تحليل آليات اثنين من ردود الفعل التذبذبية: بريجز راوشر

و بيلوسوف-زابوتينسكي

1. تم تكييف آلية رد الفعل Belousov-Zhabotinsky

النظر في حامض الستريك كعامل اختزال

1. تم إجراء توليف التحكم لتصور التفاعلات التذبذبية.

قائمة الأدب المستخدم

1. D. Garel، O. Garel "التفاعلات الكيميائية التذبذبية" ترجمة من الإنجليزية بواسطة L.P. تيخونوفا. دار النشر "مير" 1986. صفحة 13-25، 92-112.
2. أكون. زابوتنسكي "تركيز التذبذبات الذاتية". دار النشر "العلم" 1974. صفحة 87-89
3. نعم. بيرفوخين "ردود الفعل التذبذبية. أدوات". دار النشر بجامعة سانت بطرسبرغ الحكومية، 1999. صفحة 3-11.
4. S. P. MUSTAKOVA "التفاعلات التذبذبية في الكيمياء" جامعة ساراتوف الحكومية. ن.ج. تشيرنيشيفسكي
5. "دراسة ظروف حدوث الوضع التذبذبي في عملية أكسدة الكربونيل للفينيل أسيتيلين." صفحة 2-4.
6. بطاقة تعريف. إكراموف، س. مصطفى. "خوارزمية البحث عن ثوابت معدل التفاعل الاهتزازي من خلال مثال تفاعل بيلوسوف-زابوتنسكي." مجلة الباشكير الكيميائية 2015
7. بيتشينكين أ.أ. "الأهمية العالمية للتفاعلات الكيميائية التذبذبية"
8. Field R. J.، Koros E.، Noyes R. M.، التذبذبات في الأنظمة الكيميائية II. تحليل شامل للتذبذبات الحرارية في نظام حمض برومات-سيريوم-مالونيك.، ج. عامر. الكيمياء. شركة نفط الجنوب، 94، 8649-8664 (1972).
9. نويز آر إم، فيلد آر جيه، كوروس إي، جيه عامر. الكيمياء. سوك، 94، 1394-1395 (1972).

	ل تحميل العملتحتاج إلى الانضمام إلى مجموعتنا مجانا في تواصل مع. فقط اضغط على الزر أدناه. بالمناسبة، في مجموعتنا نساعد في كتابة الأوراق التعليمية مجانًا. بعد ثوانٍ قليلة من التحقق من اشتراكك، سيظهر رابط لمواصلة تنزيل عملك.

وزارة التعليم والعلوم والشباب والرياضة

المدرسة الثانوية النظرية بيترو موفيلا

قسم

"القدرة والعمل والموهبة"

الدورات الدراسية في الكيمياء حول هذا الموضوع:

"التفاعلات الكيميائية التذبذبية"

أكمله: طالب في الصف 12 أ

بولوباش ايرينا

المعلم: سنيدشينكو م.

* تشيسيناو 2007 *

1 المقدمة:

أ) تفاعلات الأكسدة والاختزال

ب) التفاعلات الكيميائية التذبذبية

2. تاريخ اكتشاف التفاعلات التذبذبية:

أ) دراسات تقلبات التركيز قبل الاكتشاف

ردود أفعال بي بي بيلوسوف

3. الجزء النظري:

أ) النموذج الرياضي من تأليف أ. لوتكوي

ب) دراسة آلية التفاعلات التذبذبية

4. الجزء التجريبي

5. الخلاصة

6. التطبيق:

أ) وصفات لبعض التفاعلات التذبذبية

ب) الرسوم التوضيحية للتجارب التي أجريت

7. الأدب

مقدمة.

الكيمياء علم تجريبي. وبالتالي فإن التجربة كطريقة للبحث العلمي احتلت منذ فترة طويلة مكانة رائدة بين أساليب العلوم الطبيعية. تعتبر التجربة أهم وسيلة لربط النظرية بالتطبيق عند تدريس الكيمياء وتحويل المعرفة إلى معتقدات. ولذلك، فإن الكشف عن الأهمية المعرفية لكل تجربة هو المطلب الرئيسي للتجربة الكيميائية.

تحت التجربة (lat. "تجربة" - "محاكمة")فهم ملاحظة الظاهرة محل الدراسة في ظل ظروف معينة تجعل من الممكن رصد تقدم هذه الظاهرة وتكرارها إذا توافرت هذه الشروط. تحتل التجربة الكيميائية مكانة مهمة في تدريس الكيمياء، إذ من خلال الملاحظات والتجارب يتم تعلم تنوع طبيعة المواد، ويتم تجميع الحقائق لإجراء المقارنات والتعميمات والاستنتاجات.

من خلال إجراء التجارب ومراقبة التحولات الكيميائية في ظل ظروف مختلفة، نحن مقتنعون بأنه يمكن التحكم في العمليات الكيميائية المعقدة، وأنه لا يوجد شيء غامض في الظواهر، فهي تخضع للقوانين الطبيعية، التي تتيح معرفتها استخدام التحولات الكيميائية على نطاق واسع في الحياة العملية النشاط البشري.

إلا أن نتائج بعض التجارب الكيميائية تكون غير متوقعة ولا تتناسب مع الأفكار التقليدية حول خواص المواد أو أنماط التفاعلات الكيميائية. هذه التحولات الكيميائية كانت تسمى تجربة المشكلة.

حتى في العصور القديمة، اعتقد الفلاسفة أن أي معرفة تبدأ بمفاجأة. المفاجأة التي يسببها الجديد تؤدي إلى تطور الفضول (الحساسية تجاه المشاكل في العالم من حولنا) مع التكوين اللاحق لاهتمام مستدام بشيء ما. المفاجأة، وبعد ذلك، التعطش للمعرفة - هذه أرض خصبة لدراسة تجربة المشكلة، وتشكيل التفكير الجدلي والنظامي، والإفصاح عن الإمكانات الإبداعية.

يمكن أن تحدث نفس الحالة بسبب تجربة كيميائية مشرقة ومثيرة للإعجاب (تجربة مشكلة). في الكيمياء، غالبًا ما تكون أسباب التجارب الإشكالية هي تفاعلات الأكسدة والاختزال.

تفاعلات الأكسدة والاختزال

هناك معايير عديدة لتصنيف التفاعلات الكيميائية. واحدة من أهمها هي علامة على التغيرات في حالات أكسدة العناصر. اعتمادا على ما إذا كانت حالات الأكسدة للعناصر تتغير أو تبقى كما هي، يمكن تقسيم التفاعلات الكيميائية إلى تفاعلات الأكسدة والاختزال وتلك التي تحدث دون تغيير حالات الأكسدة.

التفاعلات التي تحدث مع التغيرات في حالات أكسدة العناصر (الأكسدة والاختزال) معروفة على نطاق واسع. إنها تلعب دورًا مهمًا في التكنولوجيا والطبيعة، فهي تشكل أساس عملية التمثيل الغذائي في الكائنات الحية، وترتبط بها عمليات الأكسدة والتحلل والتخمير والتمثيل الضوئي. تحدث عمليات الأكسدة (والاختزال) أثناء احتراق الوقود وتآكل المعادن والتحليل الكهربائي، وبمساعدتهم يتم الحصول على المعادن والأمونيا والقلويات والعديد من المنتجات القيمة الأخرى. ولذلك، يتم تضمين دراسة تفاعلات الأكسدة والاختزال في الدورات المدرسية في الكيمياء العضوية وغير العضوية.

دعونا نتذكر الأحكام الأساسية المرتبطة بمفهوم تفاعلات الأكسدة والاختزال.

حالة الأكسدةتتوافق مع الشحنة التي قد تظهر على ذرة عنصر معين في مركب كيميائي، إذا افترضنا أن جميع أزواج الإلكترونات التي ترتبط من خلالها هذه الذرة بأخرى، تنزاح بالكامل نحو ذرات العناصر ذات السالبية الكهربية الأعلى.

مؤكسد– مادة تحتوي على ذرات أو أيونات تقبل الإلكترونات : Xm ^{(عامل مؤكسد) + ne- = X(m-n)، حيث m هي حالة أكسدة العنصر في المادة المصدر، n هو عدد الإلكترونات.}

الحد من وكيل– مادة تحتوي على ذرات أو أيونات تمنح إلكترونات : Ym ^{(عامل اختزال) - ne-= Y(m+n) .}

أكسدة- عملية تحرر الذرة أو الجزيء أو الأيون من الإلكترونات وتزداد حالة الأكسدة للعنصر.

استعادة- عملية استقبال الذرة أو الجزيء أو الأيون للإلكترونات مع انخفاض حالة الأكسدة للعنصر.

الأكسدة والاختزال عمليتان مقترنتان؛ عدد الإلكترونات التي تبرع بها عامل الاختزال أثناء عملية الأكسدة يساوي دائمًا عدد الإلكترونات التي يقبلها عامل الأكسدة أثناء اختزاله.

التفاعلات الكيميائية التذبذبية

في هذا المقرر الدراسي، سأنظر في حالة خاصة لتجربة إشكالية، وهي التفاعلات الكيميائية الاهتزازية. التفاعلات التذبذبية هي فئة كاملة من تفاعلات الأكسدة للمواد العضوية بمشاركة محفز له خصائص الأكسدة والاختزال. تحدث هذه العملية بشكل دوري، أي أنها تتكون من تكرارات متعددة.

تم اكتشاف التفاعلات الكيميائية الاهتزازية وإثباتها علميا في عام 1951 من قبل العالم السوفيتي بوريس بتروفيتش بيلوسوف. بي.بي. درس بيلوسوف أكسدة حامض الستريك أثناء تفاعله مع برومات الصوديوم في محلول حمض الكبريتيك. لتعزيز التفاعل، أضاف أملاح السيريوم إلى المحلول. السيريوم هو معدن ذو تكافؤ متغير (3+ أو 4+)، لذلك يمكن أن يكون محفزًا لتحولات الأكسدة والاختزال. ويصاحب التفاعل إطلاق فقاعات ثاني أكسيد الكربون، وبالتالي يبدو أن خليط التفاعل بأكمله "يغلي". وعلى خلفية هذا الغليان، لاحظ B. P. Belousov شيئا مذهلا: تغير لون الحل بشكل دوري - أصبح أصفر، ثم عديم اللون. أضاف بيلوسوف إلى المحلول مركبًا من الفينانثرولين مع الحديد الحديدي (فيروين)، وبدأ لون المحلول يتغير بشكل دوري من الأحمر الأرجواني إلى الأزرق والعودة.

هكذا تم اكتشاف رد الفعل الذي أصبح مشهورا. الآن هو معروف في جميع أنحاء العالم، ويسمى "رد فعل بيلوسوف-زابوتينسكي". لقد فعل A. M. Zhabotinsky الكثير لفهم هذه الظاهرة المذهلة. ومنذ ذلك الحين، تم اكتشاف عدد كبير من التفاعلات المماثلة.

تاريخ اكتشاف التفاعلات التذبذبية.

اكتشف IP Belousov التفاعل الكيميائي المتذبذب أثناء محاولته إنشاء نموذج كيميائي بسيط لبعض مراحل نظام التحولات الكيميائية الحيوية الرئيسية للأحماض الكربوكسيلية في الخلية. إلا أن الرسالة الأولى حول اكتشافه لم تنشر. شكك أحد المراجعين في إحدى المجلات الكيميائية في الاحتمالية الأساسية للتفاعل الموصوف في المقالة. يعتقد معظم الكيميائيين في تلك السنوات أن الاهتزازات الكيميائية البحتة غير موجودة، على الرغم من أن وجود تفاعلات تذبذبية تم التنبؤ بها في عام 1910 من قبل A. Lotkoy على أساس النظرية الرياضية للعمليات الدورية.

أما المحاولة الثانية لنشر نتائج البحث فقد قام بها العالم في عام 1957، وتم رفضها مرة أخرى، على الرغم من أعمال الفيزيائي والكيميائي البلجيكي آي آر بريجوجين التي ظهرت في ذلك الوقت. أظهرت هذه الأعمال إمكانية واحتمالية التفاعلات الكيميائية التذبذبية.

فقط في عام 1959، تم نشر ملخص قصير عن اكتشاف التفاعل الكيميائي المتذبذب الذي يعمل بشكل دوري من قبل بي بي بيلوسوف في منشور غير معروف "ملخصات مجمعة عن الطب الإشعاعي".

لكن بيت القصيد هو أنه عندما اكتشف B. P. Belousov، بدا أن التغييرات الدورية في تركيز الكواشف تشكل انتهاكا لقوانين الديناميكا الحرارية. في الواقع، كيف يمكن أن يستمر التفاعل إما في الاتجاه المباشر أو في الاتجاه المعاكس؟ من المستحيل أن نتخيل أن العدد الهائل من الجزيئات الموجودة في الوعاء سيكون في حالة أو أخرى (أحيانًا كلها "زرقاء"، وأحيانًا كلها " أحمر"...).

يتم تحديد اتجاه التفاعل من خلال الإمكانات الكيميائية (الديناميكية الحرارية) - يتم تنفيذ التفاعلات في اتجاه الحالات الأكثر احتمالية، في اتجاه تقليل الطاقة الحرة للنظام. عندما يكتمل التفاعل في اتجاه معين، فهذا يعني استنفاد إمكاناته، ويتم تحقيق التوازن الديناميكي الحراري، وبدون إنفاق الطاقة، لا يمكن للعملية أن تسير تلقائيًا في الاتجاه المعاكس. وهنا... يسير رد الفعل أولاً في اتجاه واحد، ثم في الاتجاه الآخر.

ومع ذلك، لم يكن هناك أي انتهاك للقانون في رد الفعل هذا. كانت هناك تقلبات - تغيرات دورية - في تركيزات المنتجات الوسيطة، بدلاً من المواد المتفاعلة البادئة أو المنتجات النهائية. ولا يتحول ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الستريك في هذا التفاعل، وهذا مستحيل بالفعل. لم يأخذ المراجعون في الاعتبار أنه على الرغم من أن النظام بعيد عن التوازن، إلا أن العديد من الأشياء الرائعة قد تحدث فيه. إن المسارات التفصيلية للنظام من الحالة الأولية إلى الحالة النهائية يمكن أن تكون معقدة للغاية. فقط في العقود الأخيرة تمت معالجة هذه المشاكل من خلال الديناميكا الحرارية للأنظمة البعيدة عن التوازن. أصبح هذا العلم الجديد أساسًا لعلم جديد - التآزر (نظرية التنظيم الذاتي).

رد فعل بيلوسوف، كما هو مذكور أعلاه، تمت دراسته بالتفصيل من قبل أ.م.زابوتنسكي وزملاؤه. استبدلوا حامض الستريك بحمض المالونيك. ولا يصاحب أكسدة حمض المالونيك تكوين فقاعات ثاني أكسيد الكربون، لذلك يمكن تسجيل التغير في لون المحلول دون تدخل من الأجهزة الكهروضوئية، وتبين فيما بعد أن الفيروين يعمل كمحفز لهذا التفاعل حتى بدون السيريوم. B. P. لاحظ بيلوسوف بالفعل في تجاربه الأولى خاصية رائعة أخرى لرد فعله: عندما يتوقف التحريك، ينتشر تغير اللون في المحلول في موجات. أصبح انتشار الاهتزازات الكيميائية في الفضاء واضحًا بشكل خاص عندما كان في عام 1970 A. M. Zhabotinsky و A. سكب N. Zaikin خليط التفاعل في طبقة رقيقة في طبق بيتري. تتشكل أشكال غريبة في الكأس - دوائر متحدة المركز، ولوالب، و"دوامات"، تنتشر بسرعة حوالي 1 مم/دقيقة. الموجات الكيميائية لها عدد من الخصائص غير العادية. لذلك، عندما تصطدمان، تنطفئان ولا يمكن أن يمر كل منهما بالآخر.

دراسات التركيز
الاهتزازات قبل اكتشاف التفاعل بواسطة B. P. Belousov

ولكن كما يذهب التاريخ، فإن اكتشاف بي بي بيلوسوف لم يكن بأي حال من الأحوال الأول من نوعه في العلوم العالمية. "اتضح أن أحد المنشورات الأولى عن الاهتزازات الكيميائية يعود تاريخها إلى عام 1828. حيث قدم T. Fechner نتائج دراسة اهتزازات التفاعل الكهروكيميائي. والأكثر إثارة للاهتمام هو عمل M. Rosenskiöld، الذي يعود تاريخه إلى 1834. لاحظ مؤلفها بالصدفة أن قارورة صغيرة تحتوي على القليل من الفوسفور، تنبعث منها ضوء شديد في الظلام. لم يكن هناك ما يثير الدهشة في حقيقة توهج الفوسفور، لكن حقيقة أن هذا التوهج يتكرر بانتظام كل ثانية سبع كانت مثيرة للاهتمام. وبعد مرور أربعين عامًا، واصل الفرنسي إم. جوبيرت (1874) هذه التجارب باستخدام "القارورة الخافتة". وتمكن من ملاحظة التكوين الدوري لـ "السحب المضيئة" في أنبوب الاختبار. وبعد عشرين عامًا، قام العالم الألماني أ. زينتنرشفير أيضًا بدراسة تأثير ضغط الهواء على ومضات الفوسفور الدورية. في تجاربه، بدأت فترة التوهجات عند 20 ثانية وتناقصت مع انخفاض الضغط.

ترتبط صفحة مشرقة بشكل خاص في تاريخ الاهتزازات الكيميائية بما يسمى بحلقات Liesegang. في عام 1896، اكتشف الكيميائي الألماني ر. ليسغانغ، أثناء تجاربه على المواد الكيميائية الضوئية، أنه إذا تم إسقاط اللازورد على لوح زجاجي مطلي بجيلاتين يحتوي على الكروم، فإن منتج التفاعل المترسب يقع على الطبق في دوائر متحدة المركز. أصبح Liesegang مفتونًا بهذه الظاهرة وقضى ما يقرب من نصف قرن في البحث عنها. كما تم العثور على تطبيقه العملي. في الفن التطبيقي، تم استخدام حلقات Liesegang لتزيين المنتجات المختلفة باليشب المقلد والملكيت والعقيق وما إلى ذلك. واقترح Liesegang نفسه تقنية صنع اللؤلؤ الاصطناعي.

قائمة هذه الأمثلة يمكن أن تستمر. بعد ذلك، تم اكتشاف تفاعلات اهتزازية عند السطح البيني بين المرحلتين. وأشهر هذه التفاعلات هي التفاعلات التي تحدث في واجهة المحلول المعدني، والتي تلقت أسماء محددة - "العصب الحديدي" و"القلب الزئبقي". أولها - تفاعل إذابة الحديد (السلك) في حمض النيتريك - حصل على اسمه بسبب تشابهه الخارجي مع ديناميكيات العصب المثار، الذي لاحظه V. F. Ostwald. أما النوع الثاني، أو بالأحرى أحد أشكاله، فهو تفاعل تحلل H2O2 على سطح الزئبق المعدني. في التفاعل، يحدث تكوين دوري وانحلال لفيلم أكسيد على سطح الزئبق. تتسبب التقلبات في التوتر السطحي للزئبق في حدوث نبضات إيقاعية للقطرة تشبه نبضات القلب. لكن كل هذه التفاعلات لم تجتذب اهتماما خاصا من الكيميائيين، لأن الأفكار حول مسار التفاعل الكيميائي كانت لا تزال غامضة تماما.

فقط في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. نشأت الديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية، والتي أرست الأساس للاهتمام الخاص بالتفاعلات الاهتزازية وطرق تحليلها.

النموذج الرياضي من تأليف أ. لوتكوي

تم نشر النظرية الرياضية للتذبذبات في الأنظمة المشابهة للتفاعلات الكيميائية في عام 1910 من قبل أ. لوتكا - حيث كتب نظامًا للمعادلات التفاضلية، والذي أعقبه إمكانية وجود أنظمة دورية. نظر لوتكا في تفاعل "الفرائس"، مثل الحيوانات العاشبة، و"الحيوانات المفترسة" (X وY) التي تأكلها. تأكل الحيوانات المفترسة الضحايا وتتكاثر - يزداد تركيز Y، ولكن إلى حد معين، عندما ينخفض ​​\u200b\u200bعدد الضحايا بشكل حاد وتموت الحيوانات المفترسة من الجوع - يتناقص تركيز Y. ثم يبدأ الضحايا الباقين على قيد الحياة في التكاثر - يزداد تركيز X. ثم تتكاثر الحيوانات المفترسة الباقية أيضًا، ويزداد تركيز Y مرة أخرى، وهكذا عدة مرات. ويلاحظ تقلبات دورية في تركيز الكواشف. من الواضح أن شرط مثل هذه التقلبات غير المقيدة (طويلة الأمد) هو وفرة العشب - غذاء الضحايا. تم تحسين معادلات الدرج بواسطة V. Volterra. وقد تم تطوير النظرية الحديثة للتذبذبات من قبل الفيزيائيين الروس L. I. Mandelstam، A. A. Andronov، A. A. Vitt، S. E. Khaikin، D. أ. فرانك كامينيتسكي. لذلك بالنسبة للفيزيائيين والرياضيين، كان اكتشاف بيلوسوفان مفاجئًا للغاية.

دراسة آلية التفاعلات التذبذبية.

الآلية التفصيلية لرد فعل بيلوسوف لا تزال غير معروفة بالكامل. في الأعمال الأولى بدا أن عدد المنتجات الوسيطة كان صغيراً. لشرح طبيعة الاهتزازات، كان يكفي أن نتخيل كيف يتكون حمض البرومومالونيك لأول مرة من حمض الإسماعيلونيك، ومع تفاعل إضافي، يتم تحويل KBrO3 إلى KBr. يمنع البرانيون المزيد من أكسدة حمض البرومومالونيك، ويتراكم الشكل المؤكسد للمحفز (السيريوم رباعي التكافؤ أو الحديديك مع الفينانثرولين). ونتيجة لذلك، يتوقف تراكم Br--، وتستأنف أكسدة حمض البرومومالونيك... ومن الواضح الآن أن مثل هذه الآلية ما زالت بعيدة عن الاكتمال. وقد بلغ عدد المنتجات الوسيطة أربعين منتجا، والدراسة مستمرة.

في عام 1972، أظهر ر. نويس وزملاؤه أن تفاعل بيلوسوف-زابوتينسكي هو نتيجة لعشرة تفاعلات على الأقل يمكن دمجها في ثلاث مجموعات - A، B، وC.

أولاً (مجموعة التفاعل A)، يتفاعل أيون البرومات مع أيون البروميد في وجود H+ لتكوين أحماض البروميد وهيبوبرومات:

BrO-3+ Br-- + 2H+ = HBrO2 + HOBr (أ1)

حمض الهيببروميك:

HBrO2+ Br-- + H+ = 2HOBr (أ2)

يتفاعل حمض الهيبوبروميك بدوره مع أيون البروميد مكونًا البروم الحر:

HOBr + Br--+ H+ = Br2 + H2O (أ3)

تتم معالجة حمض المالونيك بالبروم الحر:

Br2+ CH2(COOH)2 = BrCH(COOH)2 + Br--+ H+ (أ4)

ونتيجة لكل هذه التفاعلات تتم بروم حمض المالونيك مع البروم الحر:

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

المعنى الكيميائي لهذه المجموعة من التفاعلات ذو شقين: تدمير أيون البروميد وتخليق حمض البرومومالونيك.

تفاعلات المجموعة ب ممكنة فقط في غياب (تركيز منخفض) لأيون البروميد. عندما يتفاعل أيون البرومات مع حمض البروموس، يتكون الجذر BrO2.

BrO-3+ HBrO2 + H+ > 2BrO2 + H2O (ب1)

يتفاعل BrO2 مع السيريوم (III)، ويؤكسده إلى السيريوم (IV)، ويتم اختزاله إلى بروميد:

BrO2+ Ce3+ + H+ > HBrO2 + Ce4+ (ب2)

يتحلل حمض البروميك إلى أيون البرومات وحمض الهيببروميك:

2HBrO2> BrO-3 +HOBr + H+ (ب3)

برومات حمض الهيبوبروميك وحمض المالونيك:

HOBr + CH2(COOH)2> BrCH(COOH)2 + H2O (ب4)

نتيجة لتفاعلات المجموعة B، يتم تشكيل حمض البرومومالونيك والسيريوم رباعي التكافؤ.

يتم تمثيل التقلبات في تركيزات المكونات الرئيسية للتفاعل: حمض البروميك والفيرين - في مساحة الطور كخط مغلق (دورة الحد).

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

السيريوم (IV) المتكون في هذه التفاعلات (تفاعلات المجموعة ب):

6Ce4++ CH2(COOH)2 + 2H2O > 6Ce3+ +HCOOH + 2CO2 +6H+ (في1)

4Ce4++ BrCH(COOH)2 + 2H2O > Br-- + 4Ce3++ HCOOH + 2CO2 + 5H+ (في2)

المعنى الكيميائي لهذه المجموعة من التفاعلات هو تكوين أيون البروميد، والذي يكون أكثر كثافة كلما زاد تركيز حمض البرومومالونيك. تؤدي الزيادة في تركيز أيون البروميد إلى توقف (تباطؤ حاد) في أكسدة السيريوم (III) إلى السيريوم (IV). في الدراسات الحديثة، عادة ما يتم استبدال السيريوم بالفيروين.

من هذا التسلسل (غير الكامل) لمراحل تفاعل بيلوسوف-زابوتنسكي، من الواضح مدى تعقيد هذا النظام. وبالتالي، يكفي أن نأخذ في الاعتبار التغير في تركيز جميع المكونات الوسيطة التريباسية للتفاعل HBrO2 (حمض البروميك)، Br- والفيروين (أو السيريوم).

الخطوة الأولىفي التفاعل - نتيجة لتفاعل التحفيز الذاتي، يتكون حمض البروموس (عملية سريعة تشبه الانفجار)، ويتحول الفيروين إلى فيرين (الشكل المؤكسد للفيروين).

الخطوة الثانية– نتيجة التفاعل مع المكون العضوي، يبدأ الفيرين بالتحول ببطء مرة أخرى إلى فيروين، وفي نفس الوقت يبدأ تكوين أيون البروميد.

خطوة ثالثة– يعتبر أيون البروميد مثبط فعال لتفاعل التحفيز الذاتي (الخطوة الأولى). ونتيجة لذلك، يتوقف تكوين حمض البروميك ويتحلل بسرعة.

الخطوة الرابعة– اكتملت عملية تحلل الفيريين، التي بدأت في الخطوة 2؛ تتم إزالة أيون البروميد من النظام. ونتيجة لذلك، يعود النظام إلى الحالة التي كان عليها قبل الخطوة الأولى، وتتكرر العملية بشكل دوري. هناك العديد من النماذج الرياضية (أنظمة المعادلات التفاضلية) التي تصف هذا التفاعل والتقلبات في تركيز كواشفه وأنماط انتشار موجات التركيز.

الجزء التجريبي:

تفاعل حامض الستريك مع برومات البوتاسيوم:

الكواشف:

1. كمرقم 4(برمنجنات البوتاسيوم).

2. KBrO3(برومات البوتاسيوم أو برومات البوتاسيوم).

3. H2SO4(مركزة).

4. حامض الستريك.

5. الماء المقطر.

تقدم: تم إذابة جزء موزون من حامض الستريك – 2 في 6 مل من H2O. تمت إضافة جزء موزون من برومات البوتاسيوم إلى المحلول الناتج - تمت إضافة 0.2 جم و0.7 مل من حمض الكبريتيك المركز، ثم تمت إضافة 0.04 جم من برمنجنات البوتاسيوم وتم رفع حجم المحلول الناتج إلى 10 مل بالماء المقطر. تخلط جيدا حتى تذوب الكواشف تماما.

الملاحظات: مباشرة بعد إضافة KMnO4، اكتسب المحلول اللون الأرجواني وبدأ في "الغليان". وبعد 25 ثانية، ومع الغليان الشديد، بدأ لون المحلول يتغير إلى اللون البني. مع تقدم التفاعل، يضيء المحلول تدريجيًا - حتى اللون الأصفر الفاتح. بعد 3 دقائق و 45 ثانية، يبدأ المحلول في سواد حاد (على غرار انتشار سائل عالي الكثافة)، وبعد 40 ثانية، يصبح المحلول بنيًا تمامًا مرة أخرى. ثم يتكرر كل شيء لمدة 4.5 دقيقة - 5 دقائق. بعد فترة طويلة إلى حد ما، يبدأ التفاعل في التباطؤ، ثم يتوقف تماما (الحل الأصفر).

/>تفاعلات الأكسدة والاختزال التذبذبية:

الكواشف:

1. الحديدSO4. 7H2Oبلوري الحديد (II) كبريتات سباعي هيدرات أو

الحديد (NH4)2(SO4)2.6H2O (ملح موهر)سداسي هيدرات كبريتات الأمونيوم-

الحديد (الثاني)

2. سي (NO3) 3.6H2Oنترات السيريوم (III) سداسي هيدرات

3. KBrمحلول مائي من بروميد البوتاسيوم (2 مول/لتر، أو 12 جم لكل 50 مل ماء)

4. KBrO3محلول مشبع من برومات البوتاسيوم (حوالي 10 جم لكل 100 مل من الماء)

5. H2SO4حامض الكبريتيك المركز

6. CH2(كوه)2محلول مائي من حمض المالونيك (5 مول/لتر، أو 52 جم في

100 مل ماء)

7. C12H8N2(فين) س-فينانثرولين

8. الماء المقطر

الأواني الفخارية وأدوات المائدة: بوليلوكس مع حاجز، لوح زجاجي مقاس 25 × 25 سم، طبق بتري، دورق حجمي 100 مل، دورق مخروطي 250 مل مع سدادة أرضية، ستة ماصات، سحاحة، قضيب زجاجي، غسيل، ورق ترشيح.

وصف التجربة: لإثبات التجربة، تم إعداد الحلول A وB مسبقًا.

حل أ – محلول الفيروين – مركب الحديد (II) مع أو-فينانثرولين (فين). أضف 0.70 جم من سباعي هيدرات كبريتات الحديد الثنائي (أو 0.99 جم من ملح موهر) و1.49 جم من o-فينانثرولين في دورق حجمي سعة 100 مل، واضبط حجم المحلول إلى العلامة مع الماء واخلط. يكتسب المحلول اللون الأحمر بسبب تكوين مركب الحديد الفينانثرولين (II):

الحديد2++3 فين = 2+

حل ب – محلول حمض البرومومالونيك (يحضر مباشرة قبل التظاهرة). يتم إدخال 3.3 مل من محلول بروميد البوتاسيوم، و5 مل من محلول حمض المالونيك، و5 مل من حمض الكبريتيك المركز في دورق مخروطي مزود بسدادة أرضية. تتم معايرة المحلول الناتج من السحاحة بمحلول مشبع من برومات البوتاسيوم مع التحريك بعد إضافة كل جزء من المعايرة، مع التأكد من اختفاء اللون البني بسبب إطلاق البروم في تفاعل تخفيف موازي:

BrO3–+ 5Br– + 6H+ = 3Br2 + 3H2O

3Br2+ 2CH2(COOH)2 + 2H2O = BrCH(COOH)2+ HCOOH + CO2 + 5HBr

يجب أن يكون الحجم الإجمالي لمحلول برومات البوتاسيوم المستخدم في المعايرة حوالي 7.5 مل، ويكون حمض البرومومالونيك الناتج غير مستقر، ولكن يمكن تخزينه لبعض الوقت عند درجة حرارة 5100 درجة مئوية.

لتوضيح التجربة بشكل مباشر، يتم وضع طبق بتري على لوح زجاجي يغطي النافذة المضيئة للبوليلوكس، حيث يتم وضع 10 مل من محلول مشبع من برومات البوتاسيوم، و4 مل من محلول حمض البرومومالونيك، و1.5 مل من محلول الفيروين. تتم إضافتها على التوالي باستخدام الماصات. وفي غضون دقائق قليلة، تظهر بقع زرقاء على الخلفية الحمراء بسبب تكوين مركب الحديد فينانثرولين (III). 3+ نتيجة لأكسدة مركب الحديد (II) المقابل:

62++ 6H3O+ + BrO3– = 63++ 9H2O + Br–

هذه العملية تتسارع ذاتيا. المجمع الناتج 3+ أكسدة حمض البرومومالونيك لتكوين أيونات البروميد:

43++ BrCH(COOH)2 + 7H2O =

= 2CO2+ 5H3O+ + Br– + HCOOH + 42+

أيونات البروميد المنطلقة هي مثبطات لتفاعل أكسدة معقدات الحديد (II) مع أيونات البرومات فقط عندما يكون تركيز الأيونات المعقدة 2+ عندما يصبح عاليا بما فيه الكفاية، يتم التغلب على النشاط المثبط لأيونات البروميد، ويتحول المحلول إلى اللون الأزرق بسبب تكوين مركب الحديد (III). تتكرر العملية مراراً وتكراراً، فيتغير لون المحلول دورياً من الأزرق إلى الوردي، أو العكس. يبدأ تغير اللون بظهور بقع زرقاء على خلفية وردية، تتباعد منها موجات اللون متحدة المركز في كل الاتجاهات. وبمرور الوقت، يتناقص معدل تغير اللون، وفي النهاية تتلاشى العملية. في هذه الحالة، يمكنك ملاحظة ظهور "النقاط السوداء" على الشاشة - إسقاطات من فقاعات ثاني أكسيد الكربون المنبعثة.

يمكن توسيع نطاق الألوان عن طريق إضافة عدة بلورات من نترات سداسي هيدرات السيريوم (III) إلى طبق بيتري. سي (NO3)3. 6H2O.بعد ذلك، بالإضافة إلى اللونين الأزرق والوردي، يمكنك ملاحظة اللون الأصفر (بسبب تكوين مركبات السيريوم (IV)) أو اللون الأخضر (بسبب تداخل اللونين الأصفر والأزرق):

6Ce3++ BrO3– + 15H2O = 62++ Br– + 6H3O+

42++ BrCH(COOH)2 + 3H3O+ =

= 2CO2+ Br– + HCOOH + 4Ce3++ · 9H2O

عند تسخينه، يزداد معدل التفاعلات ويتسارع تغير اللون.

ملحوظة. الفينانثرولين هو مركب حلقي غير متجانس يحتوي على ذرتين نيتروجين تمتلكان أزواجًا وحيدة من الإلكترونات وقادرة على التنسيق. في مركبات معقدة مع الحديد يا- يلعب الفينانثرولين دور المركب الثنائي المسنن ويشكل معقدات قوية من النوع المخلبي.

خاتمة.

حتى الآن، اتخذ رد فعل بيلوسوف-زابوتنسكي مكانه الصحيح في العلوم العالمية. تُعقد في كل عام عدة مؤتمرات دولية حول ديناميكيات الأنظمة الكيميائية غير الخطية في جميع أنحاء العالم، وتُسمع عبارة "تفاعل BZ" (اختصار: تفاعلات بيلوسوف-زابوتنسكي) في عشرات المؤتمرات الأخرى المخصصة لمشاكل في الفيزياء، والكيمياء، والبيولوجيا.

إن دراسة رد فعل Belousov-Zhabotinsky، كما أنا مقتنع، ذات أهمية كبيرة، لأنها وجدت تطبيقا في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا. يستخدم هذا التفاعل كنموذج لدراسة اضطراب خطير في القلب - عدم انتظام ضربات القلب والرجفان. ومؤخرًا، بدأت التجارب بتعديل هذا التفاعل حساسًا للضوء، حيث تعتمد ديناميكيات هذا النظام على شدة الضوء. اتضح أن مثل هذا التفاعل يمكن استخدامه كآلة حاسوبية لتخزين ومعالجة الصور. يمكن أن يكون التعديل الحساس للضوء لتفاعل بيلوسوف-زابوتنسكي بمثابة نموذج أولي لمجمع حاسوبي قد يحل محل أجهزة الكمبيوتر.

من ناحية أخرى، تعد التفاعلات الكيميائية التذبذبية مثالا صارخا على التنظيم الذاتي في الطبيعة خارج الحياة، وبهذا المعنى ليس هناك أهمية علمية طبيعية فحسب، بل أيضا أهمية فلسفية. إن التغيرات الأساسية في العلوم الطبيعية، والتي أدت إلى ظهور ما يسمى بنظرية التنظيم الذاتي، ترجع إلى حد كبير إلى الزخم الأولي الذي أعطاه لها العلماء الروس في مطلع الخمسينيات والستينيات من القرن العشرين، عندما اكتشف بيلوسوف تفاعل الأكسدة والاختزال الكيميائي. وفي الوقت نفسه، تم اكتشاف تشبيهات مذهلة؛ واتضح أن العديد من الظواهر الطبيعية، بدءًا من تكوين المجرات إلى الأعاصير والأعاصير ولعب الضوء على الأسطح العاكسة، هي في الواقع عمليات تنظيم ذاتي. يمكن أن تكون ذات طبيعة مختلفة تمامًا: كيميائية، ميكانيكية، بصرية، كهربائية، إلخ.

وبالتالي، فإن البحث التطبيقي يكتسب أهمية متزايدة، على سبيل المثال، في مجال نمذجة الوسائل البديلة لمعالجة المعلومات (على وجه الخصوص، تحليل الفسيفساء المعقدة مع تدرج سطوع الكائنات). اتجاه جديد آخر للبحث التطبيقي هو دراسة خصائص البلمرة في نظام BZh أو ما شابه ذلك.

التنظيم المكاني والزماني المعقد الذي أظهره نظام BZ في غياب الاختلاط، مع مرور الوقت، تم العثور على تشابهات في الطبيعة، في الأنظمة البيولوجية (على سبيل المثال: العمليات الدورية لعملية التمثيل الغذائي الخلوي، وموجات النشاط في أنسجة القلب وفي أنسجة المخ، العمليات التي تحدث على مستوى النظم غير البيئية)، في مجالها الجديد - التآزر (نظرية التنظيم الذاتي)، وكذلك العمل التجريبي بدأ تطوير النظرية الحديثة للأنظمة الديناميكية. على الرغم من أن الكثير من هذه التفاعلات مفهومة بالفعل في الوقت الحالي، إلا أن الأسباب المسببة للعمليات الكيميائية التذبذبية تظل غير واضحة.

تعد حركية التفاعلات التذبذبية حاليًا فرعًا سريع التطور من المعرفة التي نشأت عند تقاطع الكيمياء والبيولوجيا والطب والفيزياء والرياضيات. كان من المثير جدًا بالنسبة لي أن أتعرف على مثل هذه الخصائص غير العادية والمستحيلة للوهلة الأولى للمادة الحية. لكن ما أذهلني أكثر هو أن مثل هذا الاكتشاف المهم والمثير للإعجاب لم يدركه الآخرون لسنوات عديدة، ولم يفهمه العقول العظيمة في ذلك الوقت. اتبع هذا الاكتشاف مسارًا غريبًا، وفي النهاية احتل مكانه الصحيح في العلوم العالمية. تثبت إمكانية حدوث رد فعل كهذا مرة أخرى أنه لا يزال هناك الكثير من الأشياء غير المعروفة وغير المدروسة في عالمنا.

طلب.

وصفات لبعض التفاعلات التذبذبية

الوصفة 1:من الضروري تحضير محاليل المواد التالية بناءً على تركيزاتها النهائية: حمض المالونيك 0.2 م؛ برومات الصوديوم 0.3 م؛ حمض الكبريتيك 0.3 م؛ يمكن استبدال Ferroin 0.005 M. Ferroin بالمنغنيز ثنائي التكافؤ أو كبريتات السيريوم ثلاثي التكافؤ، لكن شدة اللون ستكون أضعف بكثير. يجب سكب حوالي 5 مل من محلول جميع المكونات في طبق بتري بحيث يكون سمك الطبقة السائلة 0.5-1 مم. وبعد 3-8 دقائق (فترة انتقالية)، يمكن ملاحظة الاهتزازات والموجات الكيميائية.

الوصفة 2:صب المحاليل التالية في كفيت مسطح وشفاف في طبقات (1 مل):

- KBrO3(0.2 مول/لتر)

- حمض المالونيك (0.3 مول/لتر)

- فيروين (0.003 مول/لتر)

- H2SO4(0.3 مول/لتر)

ضع الكوفيت على ورقة بيضاء. يمكن تغيير معدل التفاعل بإضافة قلوي أو حمض.

الوصفة 3:الحلول المطلوبة:

- حامض الستريك (40 جم في 160 مل H2O)

- H2SO4(1:3).

وأيضا بالمرفقات:

- KBrO3(16 جم)

- Ce2(SO4)3(3-3.5 جم)

سخني محلول حامض الستريك إلى درجة حرارة 40 - 50 درجة مئوية، ثم اسكب عينة من KBrO3. ضع الزجاج على قطعة من الورق الأبيض وأضف عينة من Ce2(SO4)3 وبضعة مل من H2SO4. يبدأ فوراً حدوث تناوب الألوان: أصفر > عديم اللون > أصفر، بفترة تتراوح بين 1-2 دقيقة.

الوصفة 4:الحلول المطلوبة:

- H2O2(50 مل 30%)

- مكتب الاستثمار الكويتي3(7.17 جم في 50 مل ماء)

- حمض الهيدروكلوريك4(30 مل محلول مخفف)

- حمض المالونيك (3 جم في 50 مل H2O) ووزنه:

- منسو4(1 جرام) وقليل من النشا.

صب كل شيء في كوب واحد (200-250 مل)، أضف جزءًا، وحركه بقضيب زجاجي. هناك تناوب في اللون: عديم اللون > أصفر > أزرق.

فهرس.

1. علييف ر.، شنول س. E. "التفاعلات الكيميائية التذبذبية." الحركية والحفز. 1998. رقم 3. ص130-133.

2. شنول إس إي المعرفة قوة. 1994. رقم 3. ص 62-71.

3. Zhabotinsky A. M. تركيز التذبذبات الذاتية. م: ناوكا، 1974.

4. Garel D.، Garel O. التفاعلات الكيميائية التذبذبية / Transl. من الانجليزية م.:

5. Dubnischeva T. Ya مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة. نوفوسي-

بيرسك: يوكيا، 1997، الصفحات من 683 إلى 697.

6. مفاهيم العلوم الطبيعية الحديثة. إد. في إن لافرينينكو،

في بي راتنيكوفا، م.: UNITY-DANA، 1999، الصفحات من 78 إلى 87.

7. فافيلين بي.في."التذبذبات الذاتية في الأنظمة الكيميائية ذات الطور السائل."

بريرودا، 2000، رقم 5، ص 19-25.

اهتزازي، المناطق التي ستكون هناك فترات زمنية. الاتصالات وسرعة النهر تتقلب. التقلبات م.ب. دورية، في هذه الحالة يمكن تمثيل قيم c(t) المتأرجحة (t - time) بسلسلة فورييه:

حيث a n، b n هي معاملات تمدد الدالة c(t) في rad (اتساع المكونات التوافقية الفردية)، A n هي اتساع معقد،ث - تردد التذبذب (ط - وحدة وهمية). بشكل عام، يمكن أن تتغير سعة وترددات التذبذبات بمرور الوقت (تذبذبات مخمدة أو متزايدة أو معدلة). سوف تحدث تقلبات. كون. قد تكون غير دورية أو لها طيف مستمر. سوف تحدث تقلبات. كون. - ظاهرة نادرة نسبيا لوحظت أثناء بعض العمليات المعقدة. الكيمياء الابتدائية. المناطق هي الاسترخاء. العمليات التي تضمن اتباع نهج رتيب لنظام التفاعل للحالة الديناميكية الحرارية. . لحدوث التذبذبات أثناء التجانس. متحاور يتطلب r-tion وجود فترات. كون. والتفاعل بينهم . هناك حالات ثابتة، حيث تكون الفواصل الزمنية c(i) i-th. كون. لا يعتمد على الوقت (مع i =c 0 i). بالنسبة للانحرافات الصغيرة للنظام عن الحالة الثابتة، يتم وصف التغيير مع i بمجموع الأُسيات ذات المؤشرات المعقدة:

الكميات l i = g i +i w اتصلت صفة مميزة أعداد. في عدم التذبذب. الأنظمة المستدامةل أنا سلبي وحقيقي (ز ط<0, w أنا = 0). في هذه الحالات، عادة بدلا من ذلكل أستخدم الأزمنةر =1/ ل أنا. إذا كانت الحالة الثابتة قريبة بدرجة كافية من الحالة الديناميكية الحرارية. (علاقات أونساجر المتبادلة راضية، انظر)، ثم كل شيءل أنا حقيقي وسلبي (). في هذه الحالة، يقترب النظام من حالة السكون دون تذبذبات. في الأنظمة شديدة عدم التوازنل يمكنني أن أصبح أرقامًا معقدة، وهو ما يتوافق مع ظهور التذبذبات حول حالة ثابتة. عند قيم معينة لمعلمات نظام غير متوازن بشدة (الأولي، t-ry، وما إلى ذلك)، قد تفقد الحالة الثابتة الاستقرار. يعد فقدان استقرار الحالة الثابتة حالة خاصة من التشعب، أي. يتغير عند قيمة (تشعب) معينة لـ k.-l. رقم أو نوع المعلمة ديسمبر. الحركية أوضاع النظام. هناك حالتان أبسط من تشعب الحالة الثابتة المستقرة. في الحالة الأولى واحدةل أصبح إيجابيا. علاوة على ذلك، عند نقطة التشعب (ل i = 0) تصبح الحالة المستقرة في البداية غير مستقرة أو تندمج مع الحالة الثابتة غير المستقرة وتختفي، وينتقل النظام إلى حالة مستقرة جديدة. في فضاء المعلمات بالقرب من هذا التشعب توجد منطقة حيث يحتوي النظام على ثلاث حالات ثابتة على الأقل، اثنتان منها مستقرة وواحدة غير مستقرة. وفي الحالة الثانية يعمل. جزء من خاصية واحدة معقدة. تصبح الأرقام إيجابية. وفي هذه الحالة تنشأ تذبذبات مستقرة في محيط الحالة الثابتة التي فقدت الاستقرار. بعد اجتياز نقطة التشعب، مع مزيد من التغييرات في معلمة الكمية، يمكن أن تتغير خصائص التذبذبات (التردد، السعة، وما إلى ذلك) بشكل كبير، ولكن الجودة. يتم الحفاظ على نوع سلوك النظام. في الكيمياء. الأنظمة، يمكن أن ينشأ عدم الاستقرار نتيجة لتسريع النهر من خلال منتجاته أو أنواع أخرى، أو الركيزة أو التثبيط المتقاطع (انظر)، وتنافس المواد الأصلية على المواد الوسيطة. كون. وما إلى ذلك وهلم جرا. في غير متساوي الحرارة الأنظمة، يمكن أن يكون سبب عدم الاستقرار هو التسارع الذاتي للطاردة للحرارة. مراحل r-tion، وفي الكهروكيميائية. r-tions الاعتماد الأسي لسرعة r-tion on. ظهور أبسط حالات عدم الاستقرار والحركية المقابلة لها. يمكن شرح حالات النظام بسهولة باستخدام مثال التفاعل الأنزيمي مع اثنين S 1 و S 2، أحدهما على سبيل المثال. S 1، يمنع E:
S 01 د S 1 S 02 د S 2 S 1 + E 1 د S 1 E S 1 E + S 2 د S 1 E : ص ق 1 ه+س 1 د س 1 ق 1 ه
يمكن أن يدخل S 1 وS 2 إلى النظام من الخارج (على سبيل المثال، بسبب التدفق في مفاعل التدفق أو من خلاله) أو يتشكل نتيجة للتجانس البطيء. r-tions S 0iد سي أنا (ط = 1،2)؛ تتم أيضًا إزالة المنتج P، مما لا يؤثر على سير العملية. S 1 E، S 1 S 2 E و S 1 S 1 E - مجمعات الركيزة الإنزيمية؛ يحدث بسبب تكوين مجمع غير نشط S 1 S 1 E. يوجد في هذا النظام 6 ديناميكيات. المتغيرات: و، [E] وتحلل. أشكال مجمعات الإنزيم والركيزة، و[E] + ++ = e - كاملة. عادة ه<< и e<<, поэтому можно применить и представить фермент-субстратных комплексов как алгебраич. ф-ции . В результате поведение системы можно описать двумя дифференц. ур-ниями относительно и . Удобно использовать безразмерные переменные ق 1 =/ ك 1 و ق 2 =/K 2 (K 1 و K 2 - ميكايليس)، المعلمات 1 و أ 2- معدلات الوصول وكذلك مجموعات الأبعاد من المراحل الابتدائيةه، ب، ز، د، ( والزمن بلا أبعادر . ثم التفاضل المعادلات تأخذ الشكل:


دعونا نفكر في الحالة التي يكون فيها لهذا النظام حالتان ثابتتان مستقرتان - نظام ثنائي الاستقرار، أو الزناد. لوأ2 >> أ1/هـ ، أي. سرعة r-tion S 02د سرعة S2 عالية جدًا مقارنة بسرعة S01د S 1 وسرعة التفاعل الأنزيمي فهي ثابتة وتساوي . في هذه الحالة، يتم وصف سلوك النظام بمعادلة واحدة فقط (3.1). التبعيات دق ل / د ر من ق 1 بقيم مختلفةأ 1 مبينة في الشكل. 1، أ. منحنيات متقطعة تتوافق مع bifurcats. قيمه المعاملأ-أ"1 و أ :1، والمنحنيات بينهما تتقاطع مع الإحداثي الإحداثي ثلاث مرات. تتوافق نقاط التقاطع مع الحالات الثابتةق 01 و ق 02 و ق 03 1 ، المتوسط ​​الذيق 1 02 غير مستقر ويفصل بين مناطق الجذب الدول المستقرةق 1 01


أرز. 1. النظام الأنزيمي مع ثلاث حالات ثابتة (المحفز البيوكيميائي):أ الاعتماد على السرعة دق 1 / د ر التغييرات في S 1 بلا أبعاد، من قيمته (ق 1 ) مع التحلل السرعات (أ 1 ) الإيصالات ; يشير الخط المنقط إلى المنحنيات المقابلة للتشعبات. قيمأ "1" و"1" ؛6 - الاعتماد على القيم الثابتةق 0 1 من 1 ; ق 1 01 و ق 1 0 3 مستقر، ق 1 0 2- حالات الثبات غير المستقرة.

و ق 1 0 3. على منحنى الاعتماد الثابتس 1 0 من 1 (الشكل 1، ب) المنطقة ذات ثلاث حالات ثابتة تقع في الفاصل الزمني (أ "1، أ "" 1). لتغييرات المعلمات البطيئة للأمام والخلفأ 1 يتحرك النظام على طول مسارات مختلفة، أي. التباطؤ. تجدر الإشارة إلى أنه يمكن الحصول على الاستقرارية الموصوفة في نظام يحتوي على محلول أحادي الركيزة، والذي يتصرف بشكل مشابه لمحلول مكون من ركيزتين مع محلول ثابت. واحد من . لكي يصبح النظام الذي يحتوي على متغير واحد وثنائي الاستقرار متذبذبًا، من الضروري تحويل المعلمة إلى متغير بطيء. في النظام الأنزيمي مع اثنين من هذه المعلمات، بطبيعة الحال، الثانيةس 2. وفي هذه الحالة، يجب استخدام المعادلتين (3) لوصف النظام. التغييرات النسبية في S2 (د /) سيكون بطيئًا مقارنة بالتغيرات النسبية في S l إذا >>. عند المرور إلى معلمات بلا أبعاد، يأخذ هذا الشرط النموذج التالي:أ 1 ~ أ 2 ~1، ه <<1. На фазовой плоскости с координатами ق 1، ق في الشكل 2، يتم تحديد سلوك النظام نوعيًا من خلال الموضع النسبي لمنحنيات الخط المتساوي، حيث تكون المشتقات dق 1 / د ر و د ق 2 / د ر تساوي 0 (الشكل 2، أ). تتوافق نقاط التقاطع ذات الخطوط المتساوية الصفرية مع الحالات الثابتة للنظام. يُظهر الخط المنقط موضع الخط المتساوي الفارغ dق 1 / د ر =0 أثناء التشعب، مصحوبًا بظهور تذبذبات مستقرة (تذبذبات ذاتية) ذات سعة صغيرة. تتوافق هذه التذبذبات مع مسار مغلق للنظام - ما يسمى. دورة الحد. تُظهر الخطوط الصلبة خطوطًا متساوية فارغة في موقف بعيد عن التشعب، عندما تكون الحالة الثابتة الوحيدة للنظام (النقطة O في الشكل 2، أ) غير مستقرة إلى حد كبير ومحاطة بدورة حدود ABCD. تتوافق حركة النظام خلال هذه الدورة الحدية مع التذبذبات الذاتيةق 1 و ق 2 بسعة كبيرة (انظر الشكل 2، ب).


أرز. 2. التذبذبات الذاتية (التذبذبات المستقرة) في النظام الأنزيمي النموذجي: مستوى الطور في الإحداثياتق 1 - ق 2 مع خطوط متساوية فارغة دق 1 /د ر =0، د ق 2 /د ر =0; يُظهر الخط المنقط موضع الخط المتساوي الفارغ dق 1 / د ر =0، الموافق للتذبذبات. التشعبات، ودورة حد صغيرة تحيط بالحالة الثابتة غير المستقرة O، ABCD دورة الحد الكبيرة؛ ب - التذبذبات الذاتيةق 1 و ق 2 المقابلة لدورة الحد الكبير ABCD.

خلال الفترات الدورية التذبذبية لوحظت. الغواصين الاهتزازات. الأشكال: الجيوب الأنفية، مسننة، مستطيلة، وما إلى ذلك؛ التضمين وشبه الدوري والعشوائية. تتراوح فترات معظم الموجات التذبذبية من أجزاء من الثانية إلى عشرات الدقائق. تشمل الاهتزازات ذات الطور السائل، على سبيل المثال، H 2 O 2 و S 2 O 4 2-، التحلل. في مركبات الهالوجين والأكسجين، و. تمت دراسة Belousov-Zhabotinsky جيدًا، حيث تم وضعه في محلول مائي، حيث يقوم HBrO 3 بأكسدة التحلل بشكل متغير. ORG. كونيتيكت، وخاصة حمض المالونيك. تم اكتشاف ودراسة الاهتزازات الاهتزازية في الطور الغازي في وجود ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون ومركبات أخرى. وفي جميع الأحوال، سواء المراحل الحجمية للتفاعل وانكسار وتنوي السلاسل الموجودة على جدران المفاعل، وكذلك تسارع التفاعل بسبب تسخين النظام نتيجة طارد للحرارة المراحل (الحرارية). الحركية الحرارية البحتة ممكنة. التذبذبات الذاتية، عندما تكون الحرارة هي السبب الوحيد لعدم الاستقرار. أبسط نموذج للحركية الحرارية. التذبذبات في مفاعل التدفق لها الشكل: V 0: في : ف + س. هنا تدخل المادة B إلى مفاعل التدفق المثالي، حيث يحدث تفاعل طارد للحرارة أحادي الجزيء. حل التفكك تتم إزالة الحرارة المتولدة من خلال جدار المفاعل. يتم وصف حركية هذا التفاعل من خلال تفاضلين. المعادلات المتعلقة بـ B ودرجة الحرارة T داخل المفاعل:


حيث يتم إعطاء [B 0 ] عند مدخل المفاعل، T 0 هي درجة حرارة جدار المفاعل، k هو المعامل. معدل تحديث التفاعل الخليط في المفاعل، ح - معامل. السرعة، Q - التأثير الحراري لـ r-tion، C r - عند ثابت،ص - الكثافة، E و A -

ديدينيف يوري

كان السبب وراء بدء هذا العمل هو مقال "التفاعلات التذبذبية في الكيمياء" بقلم S. P. موشتاكوف من جامعة ساراتوف الحكومية التي تحمل اسم تشيرنيشفسكي، والذي نُشر في مجلة سوروس التعليمية رقم 7 لعام 1997. في دورة الكيمياء المدرسية لا يوجد حتى ذكر لوجود هذا النوع من التفاعل، ويطلق عليهم أيضًا تفاعلات بيلوسوف-زابوتنسكي. الغرض من هذا العمل هو جذب أقصى قدر من انتباه الطلاب إلى موضوع الكيمياء، أي ليس فقط البحث عن شذرات متحمسة للكيمياء، ولكن أيضًا محاولة إيقاظ القدرات الخفية لدى الطلاب والتي لم تتجلى بشكل علني الى الآن. لإثارة اهتمامهم، غرس حب الكيمياء باعتبارها واحدة من العلوم الأكثر إثارة للاهتمام والجميلة في عصرنا، والتي تخفي الإمكانات الهائلة للمواد غير المستكشفة، والقدرة على إنشاء مواد جديدة غير معروفة. يمكننا أن نقول بثقة أن مدرسة كازان للكيميائيين هي واحدة من أقوى المدارس في روسيا، وبالتالي نود أن يتم تجديدها بأشخاص شباب وحيويين ومتحمسين يمكنهم غرس حب الكيمياء في الآخرين.

تحميل:

معاينة:

المؤتمر الطلابي الروسي المفتوح

"الشباب، العلم، الثقافة"

قسم الكيمياء

دراسة التفاعلات الكيميائية الاهتزازية

ديدينيف يوري

المدرسة الثانوية رقم 105 الصف الحادي عشر قازان

المستشار العلمي:

مينولين ر.ر.، مدرس فئة التأهيل الثاني

أوبنينسك 2005

الرموز والمختصرات صفحة 3

صفحة المقدمة 4

الفصل 1. تاريخ ظهور العمليات وآفاقها صفحة 5

1.1. تاريخ الكشف عن العمليات التذبذبية صفحة 5

1.2. التاريخ الحديث لبحوث العمليات ص5

1.3. الآفاق الممكنة لتطبيق العمليات صفحة 6

الفصل 2. التنبؤ النظري لإمكانية حدوث رد فعل صفحة 7

2.1. خصائص المكونات الرئيسية لصفحة التفاعل 7

2.2. النماذج الرياضية الأولى. أنظمة الدرج صفحة 7

الفصل 3. الجزء التجريبي صفحة 9

3.1. تحضير برومات البوتاسيوم (الكاليومبرومات) ص10

4+ صفحة 10

3.3. إعداد وتنفيذ التفاعل التذبذبي صفحة 11

الفصل 4. الاستنتاج ص 14

الأدب ص18

الملحق ص 19

الشكل 1 صفحة 19

الشكل 2 ص 20

أسطورة

1. بي زد - بيلوسوف - جابوتنسكي

2. لا - حامض الستريك

3. MK - حمض المالونيك

4. BMK – حمض البرومامالونيك

5. انظر – انظر

6. الشكل. - رسم

7. الحد الأقصى - الحد الأقصى

8. دقيقة – الحد الأدنى

مقدمة

كان السبب وراء بدء هذا العمل هو مقال "التفاعلات التذبذبية في الكيمياء" بقلم S. P. موشتاكوف من جامعة ساراتوف الحكومية التي تحمل اسم تشيرنيشفسكي، والذي نُشر في مجلة سوروس التعليمية رقم 7 لعام 1997. في دورة الكيمياء المدرسية لا يوجد حتى ذكر لوجود هذا النوع من التفاعل، ويطلق عليهم أيضًا تفاعلات بيلوسوف-زابوتنسكي.

الغرض من هذا العمل هو جذب أقصى قدر من انتباه الطلاب إلى موضوع الكيمياء، أي ليس فقط البحث عن شذرات متحمسة للكيمياء، ولكن أيضًا محاولة إيقاظ القدرات الخفية لدى الطلاب والتي لم تتجلى بشكل علني الى الآن. لإثارة اهتمامهم، غرس حب الكيمياء باعتبارها واحدة من العلوم الأكثر إثارة للاهتمام والجميلة في عصرنا، والتي تخفي الإمكانات الهائلة للمواد غير المستكشفة، والقدرة على إنشاء مواد جديدة غير معروفة. يمكننا أن نقول بثقة أن مدرسة كازان للكيميائيين هي واحدة من أقوى المدارس في روسيا، وبالتالي نود أن يتم تجديدها بأشخاص شباب وحيويين ومتحمسين يمكنهم غرس حب الكيمياء في الآخرين. ولذلك وضعنا لأنفسنا المهام التالية:

1. أعطِ خلفية مختصرة عن اكتشاف تفاعلات الاهتزاز

2. إعطاء الأساس النظري لآليات تفاعلات الاهتزاز

3. إجراء التوليفات للحصول على المكونات الضرورية من الكواشف الكيميائية المتوفرة

4. تنفيذ رد فعل الاهتزاز

الفصل 1. تاريخ المظهر والآفاق المحتملة

1.1. تاريخ الكشف عن العمليات التذبذبية

لأول مرة، لاحظ روبرت بويل تفاعلا كيميائيا متذبذبا، يتجلى في شكل ومضات دورية أثناء أكسدة بخار الفوسفور، في نهاية القرن السابع عشر. ثم تم وصف هذه الفاشيات المتكررة بشكل متكرر من قبل العديد من الباحثين. وفي القرن التاسع عشر، تم اكتشاف تفاعلات تذبذبية أخرى. ومع ذلك، فإنها لم تجتذب الكثير من الاهتمام، لأن الحركية الكيميائية كعلم لم تكن موجودة بعد. فقط ظهور الديناميكا الحرارية والحركية الكيميائية هو الذي أدى إلى ظهور اهتمام خاص بالتفاعلات الاهتزازية وطرق تحليلها. تم إجراء التنبؤات حول إمكانية حدوث اهتزازات في الأنظمة الكيميائية منذ عام 1910 على أساس النماذج الرياضية التي وضعها أ. لوتكا. في عام 1921، نشر دبليو براي مقالًا وصف فيه أول تفاعل متذبذب في الطور السائل بتفاصيل كافية. أدرك براي العلاقة بين اكتشافه وتوقعات لوتكا. ومع ذلك، فإن عمله لم يجذب الاهتمام لمدة 40 عامًا تقريبًا. أحد أسباب هذه اللامبالاة هو المستوى المنخفض إلى حد ما لتطوير طرق دراسة آليات التفاعلات الكيميائية المعقدة. سبب آخر هو الاعتقاد السائد بأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يحظر مثل هذه التقلبات حتى بعيدًا عن التوازن. في الواقع، اعتقد معظم الكيميائيين أن تقلبات التركيز في الأنظمة المتجانسة المغلقة مستحيلة، وبعبارة أخرى، لم تكن هناك تقلبات كيميائية بحتة.

1.2. التاريخ الحديث لدراسات العمليات التذبذبية

بدأت الأبحاث حول التفاعلات الكيميائية التذبذبية في الطور السائل في عام 1951، عندما اكتشف بي بي بيلوسوف تقلبات في تركيزات أشكال السيريوم المؤكسدة والمخفضة في تفاعل حامض الستريك مع البرومات. يتغير المحلول بانتظام من عديم اللون إلى الأصفر (بسبب CeIV)، ثم مرة أخرى إلى عديم اللون (CeIII)، وما إلى ذلك. أجرى بيلوسوف دراسة مفصلة إلى حد ما لهذا التفاعل، وعلى وجه الخصوص، أظهر أن فترة التذبذبات تتناقص بشكل كبير مع زيادة حموضة الوسط ودرجة الحرارة. كان التفاعل مناسبًا للدراسات المختبرية. يمكن ملاحظة التذبذبات بصريًا بسهولة، وكانت فترة حدوثها في حدود 10-100 ثانية، بالتزامن مع المقياس الزمني الطبيعي للمراقب البشري.

في نهاية عام 1961، عمل ب.ب. واصل بيلوسوفا أ.م. Zhabotinsky، الذي حصل على تقلبات عند استخدام ليس فقط الستريك، ولكن أيضًا أحماض المالونيك والماليك كعامل اختزال في تفاعل بيلوسوف. أكون. أجرى Zhabotinsky دراسات مفصلة عن الاهتزازات في النظام الذي يحتوي على حمض المالونيك، والذي تبين أنه عامل اختزال أكثر ملاءمة، لأن التفاعل لم يكن معقدًا بسبب تطور الغاز. انتشرت أخبار هذا التفاعل المذهل في جميع أنحاء العالم، وبدأت العديد من المختبرات (في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا الغربية) في دراسة تفاعل BZ بشكل مكثف. دخلت التفاعلات التذبذبية أخيرًا إلى مختبرات الكيمياء.

1.3 الآفاق المحتملة لاستخدام العمليات التذبذبية

دعونا ننظر في احتمالات التطبيق المحتمل للعمليات الكيميائية التذبذبية. ومن السمات المميزة لهذه الأنظمة، التي لاحظها بوانكاريه في نهاية القرن التاسع عشر، حساسيتها العالية لأدنى اضطرابات خارجية. إن إجراء البحوث في هذا المجال يفتح آفاقًا هائلة لإنشاء طرق جديدة بشكل أساسي لتحليل الكميات الدقيقة من المواد.

يمكن أن يكون الأساس الكمي للتحديد التحليلي لمختلف الشوائب الدقيقة (والتأثيرات الخارجية الضعيفة) هو اعتماد تردد (فترة) التذبذبات على تركيز الكواشف أو المحفز. وبما أن قياس تردد الاهتزاز يعد من أبسط العمليات وأكثرها دقة، فيمكن استخدام التفاعلات الكيميائية ذاتية التأرجح لأغراض تحليلية.

ساعدت دراسة مفصلة لتفاعل التذبذبات المنتشرة من مركزين متباعدين مكانيًا على فهم الأنواع المختلفة من عدم انتظام ضربات القلب التي تنشأ في عضلة القلب. حاليًا، تعد حركية التفاعلات الاهتزازية فرعًا سريع التطور من المعرفة التي نشأت عند تقاطع الكيمياء والبيولوجيا والطب والفيزياء والرياضيات. لقد ثبت الآن أن الأنظمة الفوضوية يتم ملاحظتها في العديد من مجالات علم الأحياء (في الكيمياء الحيوية، والفيزياء الحيوية، ودراسة الإيقاعات الحيوية، وفي دراسة الديناميكيات السكانية، وهجرة الكائنات الحية، وما إلى ذلك)، والبيئة، وبالمعنى الأوسع لهذا الأمر. المفهوم، بعض العمليات الاجتماعية (التغير السكاني، التنمية الاقتصادية). في كثير من الحالات، يمكن للأنظمة الكيميائية الديناميكية البسيطة نسبيًا مع تغيرات تركيز محكومة بشكل صارم للمواد الكيميائية الأصلية والوسيطة أن تكون نماذج وظيفية مناسبة جدًا لدراسة العمليات الفوضوية في مجالات المعرفة الأخرى (علوم الأرض والكواكب الأخرى، فيزياء الحالة الصلبة، الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات، الميكانيكا الهندسية، الخ).

الفصل الثاني التنبؤ النظري لتفاعلات الاهتزاز

2.1. خصائص المكونات الرئيسية للتفاعل.

يجب أن يتأكسد عامل الاختزال بسهولة بواسطة الشكل المؤكسد للمحفز ويجب ألا يتفاعل مباشرة مع البرومات. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري أن تتم معالجة عامل الاختزال بسهولة بالبرومة وأن تتحلل مشتقات البروم بسهولة تامة، مما يؤدي إلى إطلاق Br. يتم استيفاء هذه المتطلبات بواسطة المواد التي تحتوي على مجموعة الميثيلين النشطة. ردود الفعل التي تنطوي على MK، BMK، وLC قريبة نوعيا.

يمكن استخدام المواد (في المقام الأول أيونات التكافؤ المتغير) القريبة من أيونات السيريوم سواء في قيمة احتمال الأكسدة أو في حركية تفاعلات الأكسدة والاختزال كمحفز.

تفاعلات الأكسدة مع الهالوجين - مركبات الأكسجين لها حركية مماثلة. ولذلك، فمن الطبيعي أن نفترض أن الكلورات واليود يمكن أن تحل محل البرومات. ومع ذلك، لا يمكن للكلورات واليودات أن تحل محل البرومات كعامل مؤكسد. تكون إمكانات الأكسدة والاختزال في تفاعلات هذه المركبات مع عوامل الاختزال المختلفة (على سبيل المثال، الهاليدات) متقاربة. ومع ذلك فإن معدلات تفاعلات الأكسدة للمحفزات المذكورة أعلاه مع اليودات والكلورات أقل بكثير من معدلات الأكسدة مع البرومات. ونتيجة لذلك، يظل البرومات هو العامل المؤكسد الوحيد في هذه الفئة من التفاعلات.

2.2. النماذج الرياضية الأولى للتفاعلات الكيميائية التذبذبية

أنظمة صينية

بدأت النمذجة الرياضية للأنظمة التذبذبية للتركيز مع عمل لوتكا (1910)، الذي اعتبر النظام:

أ اكس واي . 1.1

يوجد الخزان A، والتحويل الخطي من A إلى X، والتحويل التحفيزي التلقائي من X إلى Y، والانحدار الخطي لـ Y. تم تطبيق هذا النموذج بواسطة Lotka لوصف كل من الأنظمة الكيميائية والبيئية. يعتبر Lotka نظامًا مفتوحًا، أي.مع منذ البداية أهمل استهلاك A ولم يأخذ في الاعتبار المنتجات النهائية للتحول Y. بالإضافة إلى ذلك، وصف التحفيز الذاتي بأنه رد فعل أولي. تؤدي هذه الافتراضات إلى نظام المعادلات التالي:

س = ك 0 أ – ك 1 س ص، ص = ك 2 س ص – ك 3 ص.

في أبسط الحالات ك 2 = ك 1 . المصطلحات ك 0 أ و ك 3 يمكن وصف كل من التفاعلات الكيميائية وعمليات النقل الخطي في نظام مفتوح.

يحتوي النموذج التالي، الذي درسه لوتكا (1920) ثم درسه فولتيرا (1931) بشكل مستقل، على تفاعلين تحفيزيين متسلسلين (يُعرف هذا النموذج على نطاق واسع في علم البيئة باسم "الفريسة المفترسة". على سبيل المثال: A هي الكمية المحددة من العشب، التي تعتبر إمداداتها لا تنضب؛ X - الكثافة السكانية للحيوانات العاشبة؛ Y - الكثافة السكانية للحيوانات المفترسة).

أ اكس واي . 1.2

بافتراض نفس الشيء بالنسبة للمخطط (1.2) كما هو الحال بالنسبة للمخطط (1.1)، حصل لوتكا وولتيرا على نظام المعادلات التالي:

س = ك 1 الفأس - ك 2 س ص، ص = ك 3 ص ص - ك 4 ص.

لاحظ أن الوصف الرياضي لهذه العمليات كان معقدًا للغاية. وليس من قبيل الصدفة أن يستمر نشر الأعمال النظرية حول التفاعلات التذبذبية حتى يومنا هذا، على الرغم من تطوير الجهاز الرياضي المقابل في نهاية القرن التاسع عشر. أدت النمذجة الرياضية إلى نتائج غير متوقعة. اتضح أن أحد أبسط المخططات الكيميائية التي تصف التذبذبات في نظام مكون من تفاعلين تحفيزيين متتاليين مطابق رياضيًا للمعادلات التي استخدمها فولتير في أوائل الثلاثينيات لوصف العمليات البيئية.

على سبيل المثال، سوف نستخدم نظامين متفاعلين، أحدهما يستمد الطاقة أو المادة أو المكونات الأخرى التي يحتاجها للتطور من الآخر (النظير الكيميائي هو تفاعل تذبذبي). وتسمى هذه المشكلة مشكلة المفترس والفريسة. من أجل الوضوح، دعونا نتخيل أن الذئاب والأرانب البرية تعيش في بيئة محدودة. في هذا النظام البيئي، ينمو العشب، الذي يغذي الأرانب، والذي بدوره هو غذاء للذئاب، وكما هو معروف، إذا كان لديك أي مجموعة من الكائنات الحية، ففي ظل الظروف المواتية، سيزداد عدد سكانها إلى أجل غير مسمى. وفي الواقع، فإن العوامل الخارجية، مثل نقص الطاقة أو الغذاء، تحد من عملية النمو هذه. كيف يحدث هذا في مثال الذئاب والأرانب البرية؟

دعونا نتخيل أنه حتى نقطة معينة، كان التفاعل بين نظامين فرعيين، أي مجموعات الذئاب والأرانب البرية، متوازنا: كان هناك ما يكفي من الأرانب البرية (مع الأخذ في الاعتبار تجديدها الطبيعي) لإطعام عدد معين من الذئاب. ثم، في اللحظة التي اعتبرت صفرًا من الوقت، بسبب بعض التقلبات، زاد عدد الأرانب البرية. أدى هذا إلى زيادة كمية الطعام للذئاب وبالتالي عددهم. كان هناك تقلب في عدد الذئاب. علاوة على ذلك، فإن عدد الذئاب والأرانب البرية سيتغير بشكل دوري مع مرور الوقت حول قيمة متوسطة (توازن). ستبدأ الذئاب التي تتغذى جيدًا في التكاثر بشكل مكثف، مما يؤدي إلى ولادة ذرية جديدة تنضج بسرعة على الطعام الوفير وتنتج ذرية جديدة. ينشأ موقف عندما لا يكون مربي الأرانب قادرًا على إطعام جميع الذئاب - يبدأ عدد الأرانب في الانخفاض، ويستمر عدد الذئاب (في الوقت الحالي) في النمو. أخيرًا، النظام البيئي مكتظ بالذئاب، والأرانب البرية لها مكان تقريبًا في الكتاب الأحمر. دعونا لا نتسرع في الاستنتاجات. بعد أن أصبحت الأرانب البرية نادرة بيئيًا، أصبحت فريسة صعبة للذئاب. يدخل النظام البيئي المرحلة التالية: لقد انخفض بالفعل عدد الأرانب البرية إلى الحد الأدنى الذي يكاد يكون بعيد المنال بالنسبة للذئاب. يبدأ عدد الأخير، بعد أن تجاوز الحد الأقصى، في الانخفاض، ويستمر هذا الانخفاض حتى يتم الوصول إلى المستوى الذي تكون فيه الأرانب قادرة على إطعام الحد الأدنى لعددها. والآن بعد أن وصل عدد الذئاب إلى الحد الأدنى، لم يعد هناك من يصطاد الأرانب البرية. تبدأ الأرانب في التكاثر، ولم تعد أعداد الذئاب الضئيلة قادرة على مواكبة ذلك. سيصل عدد الأرانب البرية قريبًا إلى المستوى الذي يمكن للعشب إطعامه. تظهر وفرة من الأرانب مرة أخرى، وكل شيء يتكرر مرة أخرى.

الفصل الثالث الجزء التجريبي الرئيسي

3.1. تخليق برومات البوتاسيوم (كاليومبرومات)

يُسكب 1050 مل من محلول 30% من KOH (تقني) مُرشح في كوب خزفي كبير ويُسكب 110 جم من البروم ببطء شديد (تحت المسودة) من قمع إسقاط بأنبوب يصل إلى القاع، مع التحريك المستمر. المحلول الناتج مشبع (تحت المسودة) بالكلور. يتم تحديد نهاية التشبع على النحو التالي. يتم تخفيف عينة المحلول (10 مل) مع 10 مل من الماء، ويتم غليها حتى تتم إزالة البروم بالكامل. 2 وCl2 (لا ينبغي أن يتحول ورق نشا اليود إلى اللون الأزرق في بخار السائل) ويضاف إليه قطرة من محلول الفينول فثالين. عند تشبعها بالكامل بالكلور، يجب ألا تتحول عينة المحلول إلى اللون الأحمر.

يتم تبريد محلول التفاعل إلى 15يا C، قم بفصل الخليط المترسب من بلورات KC1O 3 وKS1 (300-350 جم) ويقلبهم مع 150 مل من الماء لعدة ساعات. بلورات KBrO المتبقية 3 الشفط باستخدام قمع بوشنر، يغسل بـ 100 مل من الماء ويفصل. يتم الحصول على 200-240 جم من برومات البوتاسيوم الخام.

يمكن التعبير عن التوليف بمعادلات التفاعل الكيميائي التالية:

Br2 + 2KOH = KBrO + KBr + H2O

KBrO + Cl2 + 4KOH = KBrO3 + 4KCl + 2H2O

KBr + Cl2 + 6KOH = KBrO3 + 6KCl + 3H2O

3.2. الطرق الممكنة لتحضير المحفز Ce 4+

يمكنك العثور في مختبرات الكيمياء المدرسية على ثاني أكسيد السيريوم، والذي كان جزءًا من مجموعة الكيمياء المدرسية. المهمة الرئيسية هي الحصول على أي ملح السيريوم القابل للذوبان؛ في هذه الحالة، أسهل طريقة هي الحصول على كبريتات السيريوم (VI)؛ ولهذا فمن الضروري تعريض ثاني أكسيد السيريوم الموجود لحمض الكبريتيك المركز عن طريق الغليان. سيو 2 غير قابل للذوبان في الماء، لذلك من الضروري العمل مع حامض الكبريتيك مباشرة على مسحوق ثاني أكسيد السيريوم.

يمكن التعبير عن معادلة التفاعل على النحو التالي:

CeO 2 + 2H 2 SO 4 = Ce(SO 4 ) 2 + 2H 2 O

يتكون محلول أصفر ساطع من كبريتات السيريوم (VI)، والذي يمكن بعد ذلك تبخيره على طبق التبخير حتى تظهر بلورات صفراء. إذا لم يكن هناك ثاني أكسيد السيريوم، فيمكنك الحصول على أيون السيريوم القابل للذوبان بالطريقة التالية: يمكنك استخدام السيليكون من الولاعات، وتحتاج إلى تناول العديد منها وحلها في حامض الكبريتيك المركز أثناء التسخين. يحتوي السيليكون الموجود في الولاعات على مركبات السيريوم (III) و(VI). ولكن يجب الأخذ في الاعتبار أن درجة نقاء التجربة قد تتغير بسبب وجود شوائب في المكون الأصلي.

3.3. تحضير وتنفيذ التفاعل التذبذبي.

لإجراء التجربة، تم إعداد حلين. في الحالة الأولى، تم استخدام محلول كبريتات السيريوم (IV) أو نترات؛ في هذه التجربة، تم استخدام 1.0 جم من كبريتات السيريوم الطازجة، المذابة في 15 مل من الماء والمحمضة بحمض الكبريتيك. في الثانية، يذوب حامض الستريك في 10 مل من الماء الساخن ويسكب فيه برومات البوتاسيوم. لإذابة المواد تماما، يتم تسخين الخليط قليلا. يتم سكب المحاليل المعدة معًا بسرعة وخلطها بقضيب زجاجي. يظهر لون أصفر فاتح بعد 20 ثانية. يتغير إلى اللون البني الداكن، ولكن بعد 20 ثانية. يتحول إلى اللون الأصفر مرة أخرى. عند درجة حرارة 45يا يمكن ملاحظة هذا التغيير في غضون دقيقتين. ثم يصبح المحلول غائما، وتبدأ فقاعات أول أكسيد الكربون (IV) في الظهور، وتزداد الفواصل الزمنية للألوان المتناوبة للمحلول تدريجيا في تسلسل محدد بدقة: كل فاصل زمني تال هو 10 - 15 ثانية أطول من السابق، و كما تزداد درجة حرارة المحلول.

أثناء العرض التوضيحي أو بعد عرض التجربة للطلاب، يمكن شرح آلية التفاعل الكيميائي في نسخة مبسطة، أي كعملية أكسدة واختزال يلعب فيها حمض البروميك (BA) دور عامل مؤكسد، و يلعب حامض الستريك دور عامل الاختزال:

KBrO 3 + H 2 SO 4 = KH SO 4 + HBrO 3

9HBrO3 + 2C6 H8O7 = 9HBrO + 8H2O + 12CO2

9HBrO + C6 H8O7 = 9HBr + 4H2O + 6CO2

يتغير لون المحلول تحت تأثير المحفزات - مركبات السيريوم، والتي بدورها تغير أيضًا حالة الأكسدة، ولكن حتى تركيز أيوني معين، وبعد ذلك تحدث العملية العكسية.

الفصل 4. الاستنتاج

لتسهيل العرض، سننظر أولاً في رسم تخطيطي مبسط لتفاعل التذبذب الذاتي. خلال هذا التفاعل، لوحظت تقلبات في لون المحلول، بسبب التقلبات في تركيز السيريوم (VI). تظهر التقلبات في تركيز السيريوم (VI) في الشكل 2. هذه هي تذبذبات الاسترخاء، والتي تنقسم فترة (T) بوضوح إلى قسمين: T1 هي مرحلة انخفاض تركيز السيريوم (VI) وT2 هي مرحلة زيادة التركيز. وفقا لذلك، وفقا لمخطط مبسط، يتكون التفاعل من مرحلتين: في المرحلة الأولى، يتم اختزال السيريوم رباعي التكافؤ مع حامض الستريك، الشكل 1.

نعم

سي4+ سي3+ , (1)

وفي الحالة الثانية، يتأكسد السيريوم ثلاثي التكافؤ بواسطة البرومات

برو3

سي 3 + سي 4 + (2)

تتكون منتجات اختزال البرومات في الخطوة (2) بروميد LA. يتم تدمير مشتقات البروم الناتجة من LA بإطلاق أيونات البروم. يعتبر البروميد مثبطًا قويًا للتفاعل (2).

يمكن أن يكون لأي من منتجاته تأثير تحفيزي على التفاعل.

وتسمى هذه الظاهرة التحفيز الذاتي. السمة المميزة لتفاعل التحفيز الذاتي هي أنه متغير ويزداد تركيز المحفز أثناء التفاعل. ولذلك، فإن معدل تفاعل التحفيز الذاتي يزداد في الفترة الأولية وفقط في مراحل التحول الأعمق، نتيجة لانخفاض تركيز المواد الأولية، تفسح الزيادة في المعدل المجال للانخفاض.

ولا تتناقص سرعة عمليات التحفيز الذاتي مع استهلاك الكواشف، بل تزداد دون أي تعارض مع قانون فعل الكتلة. آلية التفاعلات تجعل منتجاتها الوسيطة أو النهائية لها تأثير متسارع على العملية. لذلك، تكون سرعتها في البداية صغيرة للغاية، ولكنها تزداد بعد ذلك مع زيادة تركيز منتجات التفاعل. وفقا للمصطلحات الحديثة، تشير هذه العمليات إلى العمليات ذات ردود الفعل الإيجابية. لذلك، على سبيل المثال، إذا تبين أن المنتج الوسيط أو النهائي لتفاعل متعدد المراحل هو مثبط له، فسيتم ملاحظة التثبيط الذاتي للتفاعل - وستنخفض سرعته بشكل أسرع. كيف يتناقص تركيز الكواشف الأولية.

في التفاعل عندما تتفاعل أيونات Ce4+ مع حمض الستريك، يتم تقليلها:

Ce 4+ + C 6 H 8 O 7 Ce 3+ + منتج (1)

يجب أن يتفاعل Ce3+ المتكون أثناء التفاعل مع أيون البرومات:

سي 3+ + بروم 3 سي 4+ (2)

مما يؤدي إلى توزيع ثابت للسيريوم بين حالات الأكسدة. إلا أن التفاعل (2) هو تحفيز ذاتي، وفيه يسبق مسار التسارع الذاتي فترة تحريضية، أي أن التفاعل لا يبدأ على الفور. لذلك، خلال فترة الحث، تقريبا جميع الأيونات Ce 4+ اذهب إلى Se 3+ . في هذه الحالة، لون المحلول يرجع إلى امتصاص الضوء في المنطقة المرئية من الطيف بواسطة مركب Ce 4+ مع حامض الستريك، يختفي. في نهاية فترة الحث، يحدث انتقال سريع ذاتي التسارع لأيونات Ce 3+ في سي 4+ ويستعيد المحلول لونه الأصلي.

ويمكن تفسير الطبيعة الدورية للعملية على النحو التالي. نتيجة التفاعل (1):

Ce(VI) + حامض الستريك Ce(III) + المنتج

تتشكل أيونات البروميد، مما يؤدي إلى إبطاء التفاعل (2):

Ce(III) + HBrO3 Ce(VI) + منتجات.

إلا أن تركيز البروميد في النظام يعتمد على سرعة التفاعل الذي يتم فيه استهلاك البروميد بسبب التفاعل مع البرومات

(برومو 3 + بروبر 2 ). إذا كان تركيز البروميد مرتفعًا بدرجة كافية، فإن التفاعل (2) يتوقف، نظرًا لأن Ce(VI) لا يتم تجديده أثناء أكسدة Ce(III) مع البرومات، ونتيجة لذلك، تنقطع الدورة الحفزية. عندما يصل تركيز Ce(VI)، الذي يتناقص نتيجة للتفاعل (1)، إلى أدنى قيمة ممكنة، يبدأ تركيز أيون البروميد في الانخفاض بشكل حاد. ثم يتسارع التفاعل (2) بشكل ملحوظ ويزداد تركيز Ce(VI) إلى قيمة معينة يبدأ عندها تركيز البروميد في الزيادة بسرعة، وبالتالي يبطئ التفاعل (2). ثم يتم تكرار الدورة بأكملها، الشكل 2.

بشكل عام، يمكن وصف آلية التفاعل من خلال مجموعة المعادلات التالية:

العملية أ

بروم 3 + 2Br + 3(CH2) 2C(OH)(COOH) 3 + 3H +

3BrCH(CH2)C(OH)(COOH) 3 + 3H2O

بروم 3 + ر + 2H + حمض الهيدروكلوريك 2 + HOBr

HBrO 2 + ر + H + 2HOBr

هوبر + ر + ح + ر 2 + ح 2 أو

ر 2 + (CH 2 ) 2 C(OH)(COOH) 3 BrCH(CH 2 )C(OH)(COOH) 3 + Br + H +

العملية ب

بروم 3 + 4Ce 3+ + (CH 2 ) 2 C(OH)(COOH)3 + 5H +

BrCH(CH2)C(OH)(COOH) 3 + 4Ce 4+ + 3H2O

بروم 3 + HBrO 2 + H + 2BrO 2 + H 2 O

BrO 2 + Ce 3+ + H + HBrO 2 + Ce 4+

2HBrO2BrO3 + HOBr + H +

HOBr + (CH 2 ) 2 C(OH)(COOH) 3 BrCH(CH 2 )C(OH)(COOH) 3 + H2O

بالإضافة إلى ما سبق، هناك أيضًا تفاعلات: تفاعل حامض الستريك مع أيونات السيريوم (VI) وحمض الكبريتيك (بسبب تحمض المحلول وتفكك كبريتات السيريوم (VI))، ونحن لا نصف آليات التفاعل بسبب ونظرًا لتعقيدها، فإن منتجات هذه التفاعلات هي أول أكسيد الكربون (IV)، وأول أكسيد الكربون (II)، والماء وثنائي ميثيل كيتون جزئيًا.

الآن يمكننا تعميم كل ما قيل وإعطاء تعريف للتفاعلات التذبذبية: التفاعلات التذبذبية هي عمليات دورية تتميز بتقلبات في التركيزات، وبالتالي معدلات التحويل. سبب تقلبات التركيز هو وجود ردود فعل بين المراحل الفردية للتفاعل المعقد.

ونأمل صادقين أن يجذب عملنا انتباه الكثيرين، وأن يتطور ويستمر.

مراجع

1. أكون. تقلبات تركيز تشابوتينسكي. م.: – العلوم. 1974.
2. يو.في. كارياكين ، آي. انجيلوف للمواد الكيميائية النقية. م.: – الكيمياء. 1974.
3. ب.ن. دورة ستيبانينكو في الكيمياء العضوية. م.: – المدرسة العليا . 1972.
4. على ال. ورشة عمل أوستابكيفيتش في الكيمياء غير العضوية. م.:- الثانوية العامة 1987
5. ف.ن. تجارب ألكسينسكي المسلية في الكيمياء. م: التربية، 1980.
6. مجلة سوروس التعليمية. رقم 7.1997.

طلب

[Ce4+]

م - - - - - - -

ن - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - |- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

| | |

| | |

| ت1 | ت2 |

| | |

| | ر

| ت |

| |

| |

رسم بياني 1. التذبذبات الذاتية لتركيز السيريوم (VI).

[م 4+]

الأعلى - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

دقيقة - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

[ر]

الصورة 2. اعتماد التغيرات في تركيز السيريوم (VI) على تركيز أيونات البروميد.