Временные диссипативные структуры

Примером временной диссипативной структуры является химическая система, в которой протекает так называемая реакция Белоусова–Жаботинского. Если система отклонилась от равновесия, но остается к нему близкой, то возвращение к равновесию происходит плавно, без колебаний, по экспоненциальному закону.

Если речь идет о стационарном состоянии, близком к равновесному, то отклонившаяся от стационарного состояния система возвращается в это состояние по тому же самому закону.

Но вдали от равновесия, как мы видели, возникают диссипативные пространственные и временные структуры, неравновесный порядок. В ряде случаев такой порядок может состоять в появлении колебаний и волн. Это особенно эффектно выглядит в химических диссипативных системах.

В открытой химической системе, далекой от равновесия, возможны колебания концентрации реагентов. Наблюдается периодическая, химическая реакция в растворе перекиси водорода Н2О2, йодноватой кислоты HIO3 и серной кислоты H2SO4.

В реакции происходит периодическое выделение и поглощение йода — соответственно в восстановительной и окислительной реакциях:

5Н ₂О ₂ + 2HIO 3 → 5O 2 + I 2 + 6H 2O

5H O + I → 2HIO + 4H O.

Но наиболее удивительное явление — возникновение периодического изменения окраски химического раствора — открыл Б. П. Белоусов в 1951 г. В смеси лимонной кислоты, бромата калия KBrO3 и сульфата церия Ce(SO4)2, растворенной в разбавленной серной кислоте, наблюдается строго периодическое изменение цвета (красный и синий).

Колебания окраски происходят с периодом около 4 мин и продолжаются до тех пор, пока не израсходуются все реагенты, т. е. пока система далека от термодинамического равновесия. В указанном явлении по сути проявляется существование “химических часов”.

Суть описываемого явления заключается в том, что изменение окраски определяется периодическими изменениями концентрации трехвалентного или четырехвалентного иона церия.

В упрощенной схеме реакция Белоусова–Жаботинского состоит из двух стадий. На первой стадии трехвалентный ион церия окисляется бромноватой кислотой и превращается в четырехвалентный ион: Сe³⁺ ⎯H⎯BʳO⎯3  Ce⁴⁺, а на второй стадии ион Сe⁴⁺ восстанавливается органическим соединением — малоновой кислотой (МК) снова в трехвалентный ион: Ce⁴⁺ ⎯М⎯К Ce³⁺.

В результате изменения концентрации различных ионов церия наблюдается либо синий (избыток иона Сe⁴⁺), либо красный (избыток иона Сe³⁺) цвет. На рисунке показаны колебания концентрации иона четырехвалентного церия.

Существуют также другие нелинейные химические реакции, идущие в тонких слоях, приводящие к образованию пространственно-временных структур, которые имеют вид кольцевых или спиральных волн.

Возникновение таких структур в нелинейных химических реакциях связано с локальными флуктуациями концентраций и диффузией реагентов.