Reacción de Belousov-Zhabotinsky - Belousov–Zhabotinsky reaction

Simulación por computadora de la reacción de Belousov-Zhabotinsky
Patrones mostrados en una placa de Petri

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 de forma caótica . En este sentido, proporcionan un modelo químico interesante de fenómenos biológicos de desequilibrio; 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 .

Gráfico del potencial del electrodo de una reacción BZ, usando electrodos de plata contra una media celda de Ag / AgNO 3

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

Una mezcla de reacción BZ agitada que muestra cambios de color a lo largo del tiempo.

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. 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 y menos respetable.

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; 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 en 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 , un científico informático de la Universidad del Oeste de Inglaterra , informó sobre puertas lógicas líquidas utilizando la reacción BZ. 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 .

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 . 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 .

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.

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. Teóricamente, la reacción se asemeja al patrón de Turing ideal , un sistema que surge cualitativamente de resolver las ecuaciones de difusión de la reacción para una reacción que genera tanto un inhibidor de reacción como un promotor de reacción, de los cuales los dos se difunden a través del medio a diferentes velocidades.

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:

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)

Se pueden observar muchos patrones diferentes cuando la reacción se realiza en una microemulsión .

Ver también

Referencias

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