Una reacción de Belousov-Zhabotinsky , o reacción BZ , es una de una clase de reacciones que sirven como un ejemplo clásico de termodinámica de no equilibrio , lo que resulta en el establecimiento de un oscilador químico no lineal . El único elemento común en estos osciladores es la inclusión de bromo y un ácido. Las reacciones son importantes para la química teórica porque muestran que las reacciones químicas no tienen que estar dominadas por el comportamiento termodinámico de equilibrio . Estas reacciones están lejos del equilibrio y permanecen así durante un período de tiempo significativo y evolucionan caóticamente . [1]En este sentido, proporcionan un modelo químico interesante de fenómenos biológicos de desequilibrio [ aclaración necesaria ] ; como tales, los modelos matemáticos y las simulaciones de las reacciones BZ en sí son de interés teórico, mostrando el fenómeno como un orden inducido por ruido . [2]
Un aspecto esencial de la reacción BZ es su denominada "excitabilidad"; bajo la influencia de los estímulos, los patrones se desarrollan en lo que de otro modo sería un medio perfectamente inactivo. Algunas reacciones de reloj, como las de Briggs-Rauscher y BZ, que utilizan cloruro de tris (bipiridina) rutenio (II) como catalizador, pueden excitarse en una actividad autoorganizada a través de la influencia de la luz.
Historia
El descubrimiento del fenómeno se le atribuye a Boris Belousov . En 1951, mientras trataba de encontrar el análogo no orgánico del ciclo de Krebs , observó que en una mezcla de bromato de potasio , sulfato de cerio (IV) , ácido malónico y ácido cítrico en ácido sulfúrico diluido , la relación de concentración del Los iones de cerio (IV) y cerio (III) oscilaron, haciendo que el color de la solución oscile entre una solución amarilla y una solución incolora. Esto se debe a que el ácido malónico reduce los iones de cerio (IV) a iones de cerio (III), que luego se oxidan de nuevo a iones de cerio (IV) por los iones de bromato (V).
Belousov hizo dos intentos de publicar su hallazgo, pero fue rechazado por no poder explicar sus resultados a satisfacción de los editores de las revistas a las que presentó sus resultados. [3] El bioquímico soviético Simon El'evich Shnoll animó a Belousov a continuar sus esfuerzos para publicar sus resultados. En 1959, su trabajo fue finalmente publicado en una revista no revisada menos respetable. [4]
Después de la publicación de Belousov, Shnoll entregó el proyecto en 1961 a un estudiante de posgrado, Anatol Zhabotinsky , quien investigó la secuencia de reacción en detalle; [5] sin embargo, los resultados del trabajo de estos hombres todavía no se difundieron ampliamente y no se conocieron en Occidente hasta una conferencia en Praga en 1968.
Varios cócteles BZ están disponibles en la literatura química y en la web. La ferroína , un complejo de fenantrolina y hierro , es un indicador común . Estas reacciones, si se llevan a cabo en placas de Petri , dan como resultado la formación de manchas de color en primer lugar. Estos puntos crecen en una serie de anillos concéntricos en expansión o quizás espirales en expansión similares a los patrones generados por un autómata celular cíclico . Los colores desaparecen si se sacuden los platos y luego reaparecen. Las ondas continúan hasta que se consumen los reactivos. La reacción también se puede realizar en un vaso de precipitados utilizando un agitador magnético .
Andrew Adamatzky , [6] un científico informático de la Universidad del Oeste de Inglaterra , informó sobre puertas lógicas líquidas utilizando la reacción BZ. [7] La reacción BZ también ha sido utilizada por Juan Pérez-Mercader y su grupo en la Universidad de Harvard para crear una máquina de Turing completamente química, capaz de reconocer un lenguaje Chomsky tipo 1 . [8]
En otras partes de la naturaleza aparecen patrones espirales oscilatorios sorprendentemente similares, a escalas espaciales y temporales muy diferentes, por ejemplo, el patrón de crecimiento de Dictyostelium discoideum , una colonia de amebas que habita en el suelo . [9] En la reacción BZ, el tamaño de los elementos que interactúan es molecular y la escala de tiempo de la reacción es de minutos. En el caso de la ameba del suelo, el tamaño de los elementos es típico de los organismos unicelulares y los tiempos involucrados son del orden de días a años.
Los investigadores también están explorando la creación de una "computadora húmeda", utilizando "células" de creación propia y otras técnicas para imitar ciertas propiedades de las neuronas . [10]
Mecanismo químico
El mecanismo de esta reacción es muy complejo y se cree que implica alrededor de 18 pasos diferentes que han sido objeto de varios trabajos de investigación. [11] [12]
De manera similar a la reacción de Briggs-Rauscher , ocurren dos procesos clave (ambos autocatalíticos ); el proceso A genera bromo molecular, dando el color rojo, y el proceso B consume el bromo para dar iones bromuro. [13]
Una de las variaciones más comunes de esta reacción utiliza ácido malónico (CH 2 (CO 2 H) 2 ) como ácido y bromato de potasio (KBrO 3 ) como fuente de bromo. La ecuación general es: [13]
- 3 CH 2 (CO 2 H) 2 + 4 BrO-
3→ 4 Br - + 9 CO 2 + 6 H 2 O
Variantes
Existen muchas variantes de la reacción. El único químico clave es el oxidante de bromato. El ion catalizador suele ser cerio, pero también puede ser manganeso o complejos de hierro, rutenio, cobalto, cobre, cromo, plata, níquel y osmio. Se pueden usar muchos reductores diferentes. (Zhabotinsky, 1964b; Field y Burger, 1985) [14]
Se pueden observar muchos patrones diferentes cuando la reacción se realiza en una microemulsión .
Ver también
- Autowave
- Reverberador Autowave
- Reacción de Briggs-Rauscher
- Disipación
- Medio excitante
- Orden inducido por ruido
- Patrones en la naturaleza
- Reacción-difusión
- Autooscilación
- Autoorganización
- Alan Turing, quien predijo matemáticamente reacciones químicas oscilantes a principios de la década de 1950.
- Brusselator
- Oregonator
Referencias
- ^ Hudson, JL; Mankin, JC (1981). "Caos en la reacción Belousov-Zhabotinskii". J. Chem. Phys . 74 (11): 6171–6177. doi : 10.1063 / 1.441007 .
- ^ Matsumoto, K .; Tsuda, I. (1983). "Orden inducida por ruido". J Stat Phys . 31 (1): 87–106. doi : 10.1007 / BF01010923 . S2CID 189855973 .
- ^ Winfree, AT (1984). "La prehistoria del oscilador Belousov-Zhabotinsky". Revista de educación química . 61 (8): 661–663. Código Bibliográfico : 1984JChEd..61..661W . doi : 10.1021 / ed061p661 .
- ^ BP Belousov (1959). "Периодически действующая реакция и ее механизм" [Reacción de acción periódica y su mecanismo]. Сборник рефератов по радиационной медицине . 147 : 145.
- ^ AM Zhabotinsky (1964). "Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе" [Proceso periódico de oxidación de la solución de ácido malónico]. Биофизика . 9 : 306–311.
- ^ "Andy Adamatzky" . Universidad del Oeste de Inglaterra, Bristol. Archivado desde el original el 12 de abril de 2019 . Consultado el 23 de octubre de 2006 .
- ^ Motoike, Ikuko N .; Adamatzky, Andrew (2005). "Puertas lógicas de tres valores en medios excitables de reacción-difusión". Caos, solitones y fractales . 24 (1): 107-14. Código bibliográfico : 2005CSF .... 24..107M . doi : 10.1016 / j.chaos.2004.07.021 .
- ^ Dueñas-Díez M, Pérez-Mercader J (2019). "Cómo computa la química: reconocimiento de lenguaje por autómatas químicos no bioquímicos. De autómatas finitos a máquinas de Turing" . iScience . 19 : 514-526. doi : 10.1016 / j.isci.2019.08.007 . PMC 6710637 . PMID 31442667 .
- ^ "Galería de imágenes" . Departamento de Biofísica, Universidad Otto-von-Guericke de Magdeburgo.
- ^ Palmer, J. (11 de enero de 2010). "Computadora química que imita las neuronas que se van a crear" . BBC (Noticias científicas) .
- ^ Field, Richard J .; Foersterling, Horst Dieter (1986). "Sobre las constantes de velocidad de la química de oxibromina con iones de cerio en el mecanismo de Field-Körös-Noyes de la reacción de Belousov-Zhabotinskii: El equilibrio HBrO 2 + BrO 3 - + H + → 2 BrO 2 • + H 2 O". La Revista de Química Física . 90 (21): 5400-7. doi : 10.1021 / j100412a101 .
- ^ Sirimungkala, Atchara; Försterling, Horst-Dieter; Dlask, Vladimir; Field, Richard J. (1999). "Reacciones de bromación importantes en el mecanismo del sistema Belousov-Zhabotinsky". El Journal of Physical Chemistry A . 103 (8): 1038–43. Código Bibliográfico : 1999JPCA..103.1038S . doi : 10.1021 / jp9825213 .
- ^ a b Lister, Ted (1995). Demostraciones de química clásica (PDF) . Londres: División de Educación, Royal Society of Chemistry. págs. 3–4. ISBN 978-1-870343-38-1. Archivado desde el original (PDF) el 16 de agosto de 2014.
- ^ Zhabotinsky, Anatol (2007). "Reacción de Belousov-Zhabotinsky" . Scholarpedia . 2 (9): 1435. doi : 10.4249 / scholarpedia.1435 .
Otras lecturas
- Strogatz, S. (2003). SYNC, la ciencia emergente del orden espontáneo . Hyperion. págs. 212–216, 219. ISBN 0-7868-6844-9.
- Pabian, RK; Zarins, A. Ágatas en bandas, orígenes e inclusiones . Circular Educativa. 12 . Universidad de Nebraska-Lincoln.
- Ichino, T .; Asahi, T .; Kitahata, H .; Magome, N .; Agladze, K .; Yoshikawa, K. (2008). "Microfreight entregado por ondas químicas". Journal of Physical Chemistry C . 112 (8): 3032–5. doi : 10.1021 / jp7097922 .
enlaces externos
- Experimento científico interactivo que muestra la reacción de BZ (nivel A) [ enlace muerto permanente ]
- Un artículo de encuesta sobre las matemáticas de la reacción BZ
- El artículo de Scholarpedia sobre la reacción de Belousov-Zhabotinsky
- La reacción de Belousov-Zhabotinski
- La reacción de Belousov-Zhabotinsky
- Fenomenología de la reacción de Belousov-Zhabotinsky, con imágenes
- Reacción y explicación de BZ en la tabla periódica de videos
- La reacción de Belousov-Zhabotinski (archivo PDF)
- "La carga de papel navega por ondas químicas" : las ondas químicas oscilantes inducidas por reacciones BZ pueden propulsar objetos pequeños, New Scientist , 18 de febrero de 2008
- La página de inicio de Anatol M. Zhabotinsky
- Simulación de reacciones de Belousov-Zhabotinsky en Pixel Bender Una simulación de la reacción de Belousov-Zhabotinsky que se ejecuta dentro de Flash Player