Освен за злато средновековните алхимици са мечтали да създадат изкуствен човек – хомункулус. Едва през XX век учените успяват да пресъздадат “животоподобни” химически реакции. Възникването на подредени структури в еднородна среда е толкова вълнуващо, защото то ни доближава до тайната на феномена на живота. Важна стъпка в тази посока е откриването на автокаталитичната циклична химична реакция.

В срeдата на 50-те години на миналия век била открита от съветският химик Белоусов циклична химична реакция, която моментално била отречена от колегите му и сложена в графата: “такова животно няма“. Било все едно да признаят, че вечния двигател съществува.

Белоусов изследвал окисляването на лимонената киселина от калиевия бромат. Реакцията протекла в кисела среда в присъствието на йони на церий Се³⁺ и Се⁴⁺, които играели двойна роля – катализатор и цветен индикатор. Голямо е било учудването му, когато след приготвянето на хомогенен разтвор, течността в колбата започнала периодично да изменя цвета си от бледожълт в безцветен.
 

Изучаването на тази реакция било продължено от Жаботински (1964), който доказал, че като катализатор вместо церий може да се използва манган и желязо, а вместо лимонена киселина – редица органични съединения, имащи метиленова група или образуващи я при окисляване – например малонова и бромалонова киселина (BМK). С тях реакцията изглежда много по-зрелищно. Тогава разтворът в колбата с часове точно като по часовник периодично изменя цвета си в целия видим диапазон от рубиненочервено до небесносиньо.

Промяната на цвета е предизвикана от колебанията на концентрацията на Се4+. Периодът на колебанията на Се4+ ясно се делят на две части – T1 – фаза на нарастването и T2 – фаза на спад.

Самите молекули на катализатора Fе (или Се) не се изразходват по време на реакцията, а се променя съотношението на концентрацията на йоните [Fе²⁺]/[Fе³⁺] (или [Cе³⁺]/[Cе⁴⁺]). Механизмът на реакцията е сложен и съдържат десетки междинни стадии. Опростено основните стадии изглеждат така:

1. Окисляване на тривалентен церий от бромат:

Ce³⁺ Ce⁴⁺

1. Възстановяване на четиривалентен церий от малоновата киселина:

Ce⁴⁺ Ce³⁺

Продуктите от възстановяването на бромата, образуващ се на стадий 1, бромират малоновата киселина (МК). Получените бромпроизводни на малоновата киселина се разрушават с отделянето на Br^-.

Когато реакция става в добре хомогенизирана среда, колебанията продължават около час и постепено затихват, защото системата е затворена и не постъпват още вещества, необходими за протичане на реакцията.

Автовълни

На снимката, която виждате, е същата реакция на Белоусов-Жаботински, но в тънък слой течност в петри. Може да я проследите в 3 етапа. Движението на пръстеновидни и спирални вълни е още една особенност на цикличните химически реакции – така наречените автовълни. Автовълните са характерни за възбудими (активни) среди, в които съставящите ги частици могат да са в едно от състоянията: покой, възбуда и рефрактерност (затормозена възбудимост). Пример за единична вълна от този вид е огънят. В еднородна химична среда фронтът на горене се движи с постоянна скорост, независеща от началните условия, като на горенето съответства състоянието възбуда. Зад фронта на пламъка се движи зоната на рефрактерност, в която изходното вещество е изчерпано и горенето е невъзможно. В биологично активна среда (възбудени невронни мрежи, пулсиращото сърце и др.) след минаването на вълните следва процес на възстановяване, преминаващ в изходното състояние на покой.

1 2 3

Основна разлика на тези вълни от познатите ни (например, върху водната повърхност) е липсата на интерференция. Те не се отразяват от стените и други препятствия. При стреща на две автовълни не преминават една през друга, но взаимно се гасят. Автовълните възникват за сметка на нееднородността на средата: наличието на малки частици или флуктуации на концентрацията в разтвора.

Обикновено на различни участъци от повърхността едновремено се възбуждат няколко центъра, от които се разпространяват концентрични кръгове или спирали достатъчно бавно (мм/мин) като скоростта се обуславя от скоростта на дифузия на реагентите. Честотата на колебанията на автовълните, т. е. честотата на пускане на поредния кръг, възникаващи в различните центрове, могат силно да се различават. Тъй като при сблъсък на автовълните става тяхното анихилиране, то преживяват в тази борба за окръжаваща среда само най-бързите, тоест тези центрове, който по-често пулсират.

Вдясно са снимки на възникването на водещи центрове на автовълни в реакциата на Белоусов—Жаботински. Направени са през 30 сек. от колектива на самия Жаботински. Може да проследите развитието на автовълните като поставите последователно мишката върху числовата ос (време в минути).

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Разпространението на автовълни в активна среда ни откриват и някои интересни възможности и аналогии. Подобно е разпространяването на възбуждането в нервите, в сърдечния пулс и др.

Автовълните са аналогия на конкуренцията и борбата за съществуване в природата.

Хищници и жертви

Смисълът на цикличната химична реакция може да се разбере с примера за взаимодействието на зайци и лисици: увеличаването на броя на хищниците води до намаляване на популацията на жертвите и обратно. Наличието на тази обратна връзка осигурява устойчивото съществуване на екосистемите. На отношенията между хищника и жертвата съм отделила отделна тема -  Симбиозата- Модел на Волтера – Лотка.

Ако се върнем към химическите реакции, ролята на “хищници” изпълняват промеждутъчните продукти, които забавят или съвсем блокират отделните фази на процеса – инхибиторите. Ролята на “жертви” изпълняват катализаторите, които ускоряват хода на реакцията.

Компютърно моделиране

Моделът “орегонатор“, предложен от Field, Koros и Noyes (1972) се стреща напоследък доста често, защото е удобен за числен анализ. След въвеждане на безразмерни променливи, се стига до система уравнения за концентрацията на йоните на церия и автокатализатора: Параметрите и отразяват съответната структура на времената на процесите, а на x съответства безразмерната концентрация HBrO2; на y – Br-; z – Сe4+.

Източник:
Nonlinear chemical dynamics, Francesc Sagués a and Irving R. Epstein