кристаллов. В этом случае говорят о процессе самодезорганизации.
x |
x+ |
|
x0
0 |
λ |
x–
Рис. 11.7. Симметричная бифуркация в диссипативной динамической системе.
11.3. Самоорганизация в химических реакциях
Наглядным примером образования пространственных, временных или пространственно-временных структур в ходе протекания химических реакций может служить так называемая реакция Белоусова–Жаботинского. Эта реакция была открыта в 1951 году химиком-экспериментатором Б.П.Белоусовым, а механизм её протекания был детально исследован в 1964 году А.М.Жаботинским, поэтому подобные реакции стали называть именами этих двух учёных. Рассмотрим на качественном уровне суть этой реакции.
Реакция Белоусова–Жаботинского протекает в растворе, состоящем из сульфата церия Ce2(SO4)3, малоновой кислоты CH2(COOH)2, серной кислоты H2SO4 и бромата калия KBrO3. В раствор добавляют несколько капель ферроина, играющего роль индикатора в окислительно-восстановительных реакциях. Протекающие в системе процессы можно наблюдать невооружённым глазом благодаря окрашивающему действию ферроина, дающему красный цвет при избытке ионов Ce3+ и голубой при избытке ионов Ce4+.
Как только раствор приготовлен, в нём начинаются удивительные превращения. В какой-то момент времени вся система внезапно окрашивается в голубой цвет, что указывает на избыток в растворе ионов Ce4+. Спустя некоторое время (от нескольких секунд до сотен секунд в зависимости от концентрации реагентов) голубой цвет сменяется красным, указывая на избыток ионов Ce3+. Этот процесс так и продолжается: голубой, красный, голубой, красный и т. д. – ритмическая смена цвета с идеально регулируемым периодом и амплитудой, зависящими лишь от параметров и тем самым являющимися собственными характеристиками системы. Эти колебания можно рассматривать как химические часы – устройство для измерения времени с помощью внутренней динамики системы. В открытой системе при прокачке раствора через реактор с определённой скоростью химические часы будут работать неограниченное время.
Однако, если раствор налить, например, в вертикально расположенную пробирку, то по истечении некоторого числа колебаний, определяемого концентрацией реагентов, спонтанно возникают неоднородности концентрации и
образуются устойчивые пространственные структуры в виде чередующихся красных и синих слоёв, поддерживающихся в течение многих минут. Поскольку реакция идёт в замкнутой системе, то через некоторое время вследствие процессов диссипации химической энергии реакция прекращается, и в системе устанавливается химическое равновесие.
В случае, когда реакция Белоусова–Жаботинского протекает без перемешивания раствора, можно наблюдать регулярные пространственно-временные картины в виде распространяющихся волн (рис. 11.8). Показанные на рисунке волны созданы в тонком слое реагирующего вещества. Они бывают двух видов: кольце-
а |
б |
в
Рис. 11.8. Распространение химических волн в двумерной системе Белоусова–Жаботинского: а – волны с кольцевыми фронтами;
б – спиральные волны; в – многозаходная спираль.
вые (а), имеющие почти цилиндрическую симметрию относительно оси, перпендикулярной поверхности слоя, и спиральные волны (б), вращающиеся в пространстве по или