Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №292

с углубленным изучением математики

Фрунзенского района Санкт-Петербурга

Исследовательская работа

по дисциплине химия

на тему: «Реакции колебательного режима – как принцип самоорганизации»

Выполнил:

ученик 11 класса «Б»

Ефимов Денис Александрович

преподаватель, к.п.н:

Пятышева Мария Викторовна

Санкт-Петербург

2015 год

Содержание:

§1. Введение………………………………………………4 стр.

§2. История открытия реакций

колебательного режима…………………………………..5-8 стр.

§3. Колебательные реакции – повод к

развитию неравновесной термодинамики………………8 стр.

§4. Синергетика – теория самоорганизации…………….9-10 стр.

§5. Общие положения о периодических реакциях……..10-11 стр.

§6. Математическая модель механизма

колебательных реакций…………………………………..11-15 стр.

6.1 Модель Жаботинского-Корзухина………….11 стр.

6.2 Понятие орегонатора…………………………11-12 стр.

6.3 Понятие брюсселятора……………………….12-14 стр.

6.4 Расширенный орегонатор……………………14-15 стр.

6.5 Графическая схема……………………………15 стр.

§8. Изучение полного реакционного

механизма на примере реакций

Белоусова-Жуковского……………………………………15-19 стр.

§9. Проведение и исследование

реакции колебательного режима…………………………20-23 стр.

§10. Изучение и получение колец Лизеганга…………....23-26 стр.

§11. Исследования, включающие

работу на приборе NanoEducator LE…………………….26-29 стр.

11.1 Прибор NanoEducator LE……………………...26-27 стр.

11.2 Изучение реакции Белоусова-Жаботинского..27-28 стр.

11.3 Исследование колец Лизеганга………………29 стр.

§12. Значение открытия колебательных

реакций, концентрационных колец

и их целевое применение…………………………………30 стр.

§13. Выводы………………………………………………..31 стр.

§14. Приложение. Список рецептов некоторых

периодических реакций…………………………………..31-32 стр.

§15. Библиографический список…………………………32-33 стр.

«Быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет

Там все, что здесь в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет»

Валерий Брюсов

§1. Введение

Для настоящего исследования была выбрана одна из обширного множества колебательных реакций - реакция Белоусова-Жаботинского. Это одна из самых известных реакций химии. Ее исследованиями занимаются множество учёных и групп различных дисциплин и направлений во всем мире: математике, химии, физике, биологии (исследования продолжаются и в настоящее время). Обнаружены многочисленные аналоги исследуемой реакции в различных химических системах. Опубликованы тысячи книг и статей, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций.

Колебательные реакции широко используются в медицине, программировании, физике сред, технике и других сферах. Поэтому целью работы является изучение реакций колебательного режима на примере реакции Белоусова-Жаботинского. Для достижения поставленной предполагается решить следующие задачи:

- изучить историю открытия реакций колебательного режима;

- рассмотреть синергетику и неравновесную термодинамику;

- ввести определение и приложение колебательных реакций, подкрепленное математическими моделями и реакционным механизмом;

- исследовать концентрационные структуры – структуры Лизеганга;

- воссоздать реакцию Белоусова-Жаботинского и приготовить кольца Лизеганга;

- провести актуальное изучение реакции и структур на приборе NanoEducator LE (ранее подобное исследование в литературе замечено не было);

- исследовать значения открытия колебательных реакций для жизнедеятельности человека, науки и техники.

§2. История открытия реакций колебательного режима

Роберт Бойль (1627-1691)
Научная сфера:	Физик, химик
Известен как:	закон Бойля-Мариотта, один из основателей современной химии

Реакции колебательного режима известны людям, по крайней мере, с XVIII века. Во всяком случае, с XVIII века это явление описано в истории химии. Разберемся с историей открытия колебательных реакций. Впервые, по ныне имеющимся данным, колебательную химическую реакцию, проявляющуюся в виде периодических вспышек свечения при окисления паров фосфора, наблюдал Роберт Бойль в конце XVIII века.

Рис.1

Уже через 50 лет в 1828 году были открыты периодические реакции на границе раздела двух фаз. Из них наиболее известны реакции, на границе металл – раствор, получившее названия «железный нерв» и «ртутное сердце». Первое из них – реакция растворения железа (железной проволоке преимущественно) в азотной кислоте (концентрированной):

Fe + 6HNO₃Fe(NO₃)₃ + 3H₂O +3NO₂.

Она получила свое название из-за внешнего сходства с динамикой возбужденного нерва (в концентрированной азотной кислоте проволока начинает дергаться). Вторая реакция (конечно, один из ее вариантов), - реакция разложения пероксида водорода на металлической ртути: Hg + H₂O₂ HgO + H₂O.

В ходе этой реакции наблюдается пульсация капли ртути, напоминавшая биение сердца. Это было обусловлено колебаниями поверхностного натяжения ртути. [2]

Лишь в 1910 году американский математик Альфред Лодка теоретически предсказал возможность концентрационных колебаний в чисто гомогенных системах. Он составил математическую модель (система дифференциальных уравнений в частных производных). В основу лег закон действующих масс. Только в 1921 году эта модель была доказана практически. [14]

Альфред Лотка

Род деятельности:	математик и статистик
Дата рождения:	2 марта 1880
Место рождения:	Лемберг, Австро-Венгрия
Дата смерти:	5 декабря 1949 (69 лет)

Рис. 2

Борис Павлович Белоусов

Дата рождения:	7 (19) февраля 1893
Дата смерти:	12 июня 1970 (77 лет)
Известен как:	первооткрыватель реакции Белоусова-Жаботинского

Борис Павлович Белоусов проводил исследования цикла Кребса, пытаясь найти его неорганический аналог. В результате одного из экспериментов в 1951 году, а именно окисления лимонной кислоты броматом калия  в кислотной среде (pH<7) в присутствии катализатора — ионов церия Ce⁺³, он обнаружил автоколебания. Течение реакции менялось со временем, что проявлялось периодическим изменением цвета раствора от бесцветного (Ce⁺³) к жёлтому (Ce⁺⁴) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора ферроина. Сообщение Белоусова об открытии было встречено в советских научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Статью Белоусова отклоняли 8 лет. В последствие она была напечатана. [9]

Рис. 3

Дальнейшее развитие исследований

этой реакции произошло в 1961

году, когда советский профессор Симон

Эльевич Шноль предложил своему

аспиранту Анатолию Жаботинскому

Симон Эльевич Шноль

Дата рождения: 21 марта 1930

Научная сфера: физика, химия

исследовать механизм реакции,

которую получил Борис Павлович

Белоусов. От приглашения проводить

совместные исследования Белоусов

отказался, хотя выражал

удовлетворение тем, что его работа

продолжена. Группа Жаботинского

провела подробные исследования реакции, включая её различные варианты. [13]

Анатолий Маркович Жаботинский

Дата рождения:	17 января 1938
Дата смерти:	16 сентября 2008 (70 лет)
Научная сфера:	биофизика, физическая химия

В 1969 году А. М. Жаботинский с коллегами обнаружили, что если реагирующую смесь разместить тонким плоским слоем, в нём возникают волны изменения концентрации, которые видны невооружённым глазом в присутствии индикаторов. [10]

Рис. 5

Значительно позже, в 1974 году, профессором химии и биологии Аризонского университета (США) Артуром Т. Уинфри были открыты пространственно-временные структуры в не перемешиваемой системе Белоусова-Жаботинского (далее БЖ), возникающие и существующие в виде различных двух- и трехмерных пространственных рисунков (например, концентрических колец, спиралей, волновых фронтов и т.п.). С тех пор интерес к системам без перемешивания постоянно растет и в последнее время в большой мере не остается только академическим, но и указывает на перспективность исследований в данном направлении. Так, все больший удельный вес приобретают исследования прикладной направленности, например, в области моделирования альтернативных средств обработки информации (в частности, анализ сложных мозаик с градацией яркости объектов). Еще одним новым направлением прикладных исследований является изучение особенностей полимеризации в среде Белоусова-Жаботинского или сходных с ней (Бриггса-Раушера, Брея-Либавски и т.п.).[1] Сложной пространственно-временной организации, проявляемой системой БЖ в отсутствие перемешивания, со временем нашлись аналогии в природе, в биологических системах (например, изучение фибрилляции сердечной мышцы с точки зрения рассмотрения миокарда как самоорганизующейся биологической системы). Это оказало значительное влияние на развитие синергетики и представления о поведении различных сложных систем. [9]