化学中的自组织反应及其应用前景黄闻新,韩妙华,林凤映(海南师范学院化学系,海南海口571158)摘　要:简要介绍了化学振荡反应研究的重要史实,并用耗散结构论的基本论点,分析了化学振荡产生的必要条件,在此基础上进一步阐明了振荡反应的实质.关键词:化学振荡;耗散结构;自组织反应;远离平衡态;非线性作用中图分类号:O661. 3 　　　文献标识码:A普通的化学反应以研究平衡态线性化学作为宗旨,如电离平衡、沉淀平衡和配合平衡等,F.W.Ostwald 因创立化学平衡理论而获得1919 年诺贝尔化学奖. 该理论认为,参加反应的亿万分子是以混沌无序的形式随机地相互碰撞,进行无规则的热运动,直到反应物全部耗尽的;而反应后各生成物分子也是无序地均匀混杂着,达到一种极限状态. 而这种状态的不随时空变化的特性,是由熵增加原理(Clausius ,1850) 决定的. 然而,化学的基本规律是非平衡非线性特性[1 ] ,在有些反应体系中,某几个组分或中间产物的浓度能随时间、空间发生有序的周期性变化,这种新的反应现象,称为化学振荡反应(chemical oscilltine rection) [2 ] . 这样一个开放、远离平衡的非线性反应系统,在一定的条件下,可以自发地组织成时空有序结构,呈现出类似于生命特征的自组织现象( self - organization phenomena) [3 ] . 这一发现以及I. Prigogine 的耗散结构论(dissipative structures theory) [4 ,5 ] 的建立,不仅具有重大的理论意义和实际价值,而且也向我们提出许多哲学思考. 这是一个值得关注的当代化学发展的前沿领域[3 ] .1 　化学振荡研究的突破———均相体系振荡反应的发现早在19 世纪,化学家就发现了振荡现象. 1873 年,G. Lippmann 报道了一个有趣的“汞心脏”实验1 发现了“铁神经”(Ostwald ,1899) ,Liesegang Ring(空间振荡) [6 ,7 ] ,化学电池产生振荡电流等. 由于这些振荡现象都是在多相体系中发现的,因此人们曾以为化学振荡只有在非均相条件下才能发生,以致未能真正揭示出反应的本质.1921 年,美国化学家W. C.Bray 在做双氧水被碘化物与碘酸耦联催化分解实验(即2H2O2→2H2O + O2 ↑) 时,首次发现了均相溶液化学振荡的周期现象. 当时人们仍然认为,这种魔术般的“古怪行为”是在跟热力学第二定律开玩笑[8 ] ,是由于实验操作低劣或某种干扰所致.1958 年,前苏联化学家B. P.Belousov 在均相体系中发现的第二个振荡反应,使人们的认识产生了根本性变化. 以Ce (SO4 ) 2 (Ce4 + —Ce3 + 离子耦联) 为催化剂,用KBrO3 氧化柠檬酸. 当把反应物和生成物的浓度控制在远离平衡态时,发现Ce4 + 离子的黄色时而出现,时而消失,呈现出具有一定节奏的“化学钟”现象. 周期为30 s. 必须不断地加入反应物和取出生成物,以保持体系处于远离平衡态,否则其振荡寿命只能维持50 min ,在达到化学平衡后消失.Cr3 + BrO3-Ce4 + 柠檬酸Ce3 +(无色) 　　(黄色) 　　(无色)1964 年,前苏化学家A.M. Zhatinsky 进一步研究了这个实验,并证明用铁盐(或锰盐) 代替铈盐为催化剂,以丙二酸代替柠檬酸被KBrO3 氧化,如CH2 (COOH) 2 - KBrO3 - Fe (phen) 32 + -H2SO4 振荡体系,从而出现了更加鲜明的时而变蓝、时而变红的化学振荡现象,其反应式为:5CH2 (COOH) 2 + 3BrO3- + 3H+ Fe (phen) 32 +H2SO43BrCH(COOH) 2 + 2HCOOH + 4CO2 ↑+ 5H2O特别是还发现了在培养皿中产生漂亮的红蓝相间(不同部位溶液浓度不均匀) 的空间有序结构[8 ] . 从此,这类反应统称Belousov - Zhabotinsky 反应,简称B - Z 反应(T. Tyson ,1976) . 至此,化学振荡反应才得到了公认.近年来,人们不仅深入研究了B - Z、B - R(T. S. Briggs ,W. C. Rauscher. 1973) 、B - L (W. C.Bray ,H.A.Liebhfsky. 1931) 等化学振荡反应,而且还成功地设计出了亚氯酸盐、溴酸盐等新的化学振荡器[9 ] . 与此同时,人们还以极大的兴趣,对化学中复杂的自组织现象进行大量研究,构造出很多具有丰富非线性行为的化学反应模型.

生物起源于生物

fdjkvhdjhgf

化学中的自组织反应及其应用前景