基本介紹
- 中文名：振盪反應
- 概述：不隨時間變化的平衡狀態
- 條件：反應必須是敞開體系且遠離平衡態
- 又名：搖擺反應
概述及歷史,原因與條件,實例,意義與套用前景,
概述及歷史
一般的化學反應，反應物和產物的濃度單調地發生變化，最終達到不隨時間變化的平衡狀態。然而在某些反應體系中，有些組分的濃度會忽高忽低，呈現周期性變化，這種現象稱為化學震盪。例如H2O2—HIO3—Mn2+—CH2(COOH)2（丙二酸）反應體系即為一例。這個反應是1960年初期被發現的“別羅索夫－柴波廷斯基”反應，簡稱B-Z反應。相似的反應模式還有俄岡器、布魯塞爾器，但要更複雜些，這些反應被稱為“化學鐘”。
化學振盪反應是具有非線性動力學微分速率方程，是在開放體系中進行的遠離平衡的一類反應。體系與外界環境交換物質和能量的同時，通過採用適當的有序結構狀態耗散環境傳來的物質和能量。這類反應與通常的化學反應不同，它並非總是趨向於平衡態。
1921年，伯克利加州大學的布雷（Bray William）在用碘作催化劑使過氧化氫分解為水和氧氣時，第一次發現了振盪式的化學反應。但依據經典熱力學第二定律，認為任何化學反應只能走向退化的平衡態，因而當時的化學家否定了這個發現。
1952年，英國數學家圖靈通過數學計算的方法，在理論上預見了化學振盪這類現象的可能性。
1958年，俄國化學家別洛索夫（Belousov）和扎鮑廷斯基（Zhabotinskii）首次報導了以金屬鈰作催化劑，檸檬酸在酸性條件下被溴酸鉀氧化時可呈現化學振盪現象：溶液在無色和淡黃色兩種狀態間進行著規則的周期振盪。該反應即被稱為Belousov-Zhabotinskii反應，簡稱B-Z反應。
1959年，B.P.Belousov首先觀察到並隨後為A.M.Zhabotinsky深入研究，丙二酸在溶液有硫酸鈰的酸性溶液中被溴酸鉀氧化的反應，隨後人么發現了一大批可呈現化學振盪反應現象的含溴酸鹽的反應系統。人們稱之為B-Z反應。
原因與條件
1977年諾貝爾獎獲得者比利時化學家Prigogine的工作最為重要。1945年提出了最小熵產生原理, 從熱力學上證明了在近離平衡時不可能發生振盪反應。這樣就促使人們去研究一些遠離平衡態的系統。1969年他領導下的布魯塞爾學派又提出了著名的耗散結構dissipative structures理論。從熱力學上證明了化學振盪反應的發生是可能的。生物體就是這樣一種體系。
所謂振盪反應（也稱搖擺反應），是指一些自催化反應有可能使反應體系中某些物質的濃度隨時間或空間發生周期性的變化，即發生化學振盪。若維持化學振盪的進行，必須不斷補充反應物，否則的話，反應的振盪即將停止。振盪現象的發生必須滿足以下條件：（a）反應必須是敞開體系且遠離平衡態；（b）反應歷程中應包含自催化的步驟；（c）體系必須能有兩個穩態存在，即具有雙穩定性。在生物化學中也存在振盪現象，如動物心臟的有節律的跳動，在新陳代謝過程中占重要地位的糖酵解反應中，許多中間化合物和酶的濃度也是隨時間而周期性的變化。所謂生物鐘也是一種振盪現象，實際上生態平衡離不開振盪現象。
實例
先配製[I]、[II]、[III]三種溶液：
[I]——400mL 30%H2O2溶液加水稀釋至1L；
[II]——(42.8gKIO3 + 40mL 2mol·L-1H2SO4)加水稀釋至1L；
[III]——(15.6g丙二酸 + 3.38gMnSO4·H2O + 0.3g澱粉)加水稀釋至1L。
把[I]、[II]、[III]溶液在攪拌下等體積混合，溶液顏色呈現“無色→藍黑色→無色→藍黑色→……”的周期性變化，亦即反應體系在兩種情況之間震盪。如果能不斷加入反應物和不斷排出產物（即保持體系遠離平衡態），其震盪將持續下去，反之震盪周期將逐漸變長，直至溶液維持藍黑色。此化學震盪的主要反應為：
5H2O2 + 2HIO3 ==I2 + 5O2↑+ 6H2O
I2的形成積集到一定濃度會使澱粉變藍，而過量的H2O2又會氧化I2：
5H2O2 + I2 == 2HIO3 + 4H2O
使澱粉溶液褪色。HIO3的形成積集到一定濃度又引發與H2O2新一輪反應的發生。所以淨反應為：
2H2O2 == O2↑+ 2H2O
其間丙二酸的作用是可與I2反應產生少量I-：
