Реакция Белоусова-Жаботинского

СОДЕРЖАНИЕ

  I.ВВЕДЕНИЕ

  II.ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕАКЦИИ

  III.ЗНАЧЕНИЕ РЕАКЦИИ БЕЛОУСОВА

  IV.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  V.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

  Автоколебательная реакция Белоусова-Жаботинского очень широко известна не только в научном мире. Ее знают как школьники и студенты, так и просто любознательные люди. Стакан с красно-лиловой жидкостью вдруг становится ярко-синим, а потом снова красно-лиловым. И снова синим. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски. Образуются сложные узоры, круги, спирали, вихри, или все приобретает совершенно хаотический вид.

  Эта реакция известна уже более 40 лет. Ее открыл в 1951 году Борис Павлович Белоусов [1,2].

Анатолию Марковичу  Жаботинскому принадлежит решающий вклад в изучение этой реакции, в  то, что это замечательное явление  стало общенаучным достоянием [3]. Реакция именуется почетным образом  двумя инициалами: BZ-reaction (Belousov-Zhabotinsky).

Открытие Б.П. Белоусова  практически завершило почти 150-летний поиск колебательных режимов  в химических процессах. Периодические  процессы вообще - одна из основ для построения теорий в самых различных отраслях. Периодичность - регулярное повторение чего-либо во времени и (или) в пространстве убеждает нас в познаваемости мира, в причинной обусловленности явлений. В сущности, периодичность основа мировоззрения детерминизма. Понимание ее природы позволяет предсказывать события, скажем, затмения или появление комет. А такие предсказания главное доказательство силы науки.

  История реакции Белоусова-Жаботинского – яркая иллюстрация старой загадки: что было раньше курица или яйцо? Что первично: феномен, требующий теоретического объяснения, или теория, предсказывающая появление неизвестного ранее феномена? На самом деле, это "порочный круг". Мы замечаем и объявляем феноменом лишь то, что понимаем, для чего уже существует теория. Но для построения теории должен быть "заказ" - наличие необъясненного феномена.

Разрыв этого порочного  круга требует огромных интеллектуальных и нравственных усилий исследователя  первопроходца. Инерция "здравого смысла" причина множества трагических  судеб, печальной "традиции посмертной славы", когда замечательные открытия оказываются преждевременными, не признанными  при жизни их авторов.

Открытие Белоусова  в этом ряду. Оно наглядно демонстрирует  эту трудность восприятия "очевидности", того, что в буквальном смысле слова  видно очам и, тем не менее, не видится  окружающими.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ РЕАКЦИИ

  Старая Москва, конец прошлого века. Семья банковского служащего: отец, Павел Николаевич, и мать, Наталья Дмитриевна, воспитывающие шестерых сыновей. Старший, Александр, 17 лет, уже революционер. Планы увлекательные: взрывать, стрелять, скрываться. Он пропитан Марксом и упорно его изучает.

  Саша Белоусов, вдохновленный идеей мировой справедливости, нашел прекрасную аудиторию в своих братьях, всех вовлек в революционную работу, в том числе и 12-летнего Бориса. А революционная работа, очевидно, была связана с химией. Химия - самая лучшая наука для ниспровержения существующего строя учит делать бомбы. Лабораторию соорудили прямо на чердаке московского дома на Малой Полянке. Братья были увлечены по-настоящему. Делать бомбы в 12 лет это же наслаждение! Да еще испытывать их! И чтобы не знала мама!  

В 1905 году, во время 1-й  русской революции, Саша Белоусов, связанный  с верхушкой большевистской фракции, возглавил бригаду боевиков. Когда  революция была задавлена, Александру удалось скрыться. Он был арестован  через год, но сумел бежать из сибирской  ссылки.

Матери вскоре предложили: либо всех сошлем в Сибирь, либо отправляйтесь  в эмиграцию. Естественно, она предпочла  Швейцарию. Выехали в большевистскую колонию, ведь брат был большевиком. Борис оказался в окружении большевиков  там, где "в тяжелых условиях эмиграции" они готовили то, что потом устроили.

  Александр Павлович стал экономистом. Во время войны он завершал работу над книгой по экономике, оставаясь в Ленинграде. И умер в блокаду, а книга его погибла.

  В Цюрихе Борису надо было платить за обучение. Была другая возможность обучаться бесплатно, но без диплома, со справкой о прослушанных курсах. Не сохранилось никаких документальных подтверждений, но, как я понял, в это время его главное увлечение, по-прежнему, химия. Когда началась мировая война, он приехал в Россию добровольно призываться в армию. Но его не взяли - не хватило веса.

  Оставалась химия. Сейчас говорят, в России было три великих химика: Ломоносов, Менделеев и Ипатьев. Ипатьев, создатель теоретических основ промышленной химии, в 30-м году, предвидя арест, сумел уехать за границу и поселился в США. В Америке ему посвящены труды, симпозиумы и т.п. В России же его почти не знают. Белоусов поступил на работу в химическую лабораторию металлургического завода Гужона (в советское время завод "Серп и Молот"), идейно руководимой Ипатьевым. Поступить к Ипатьеву в лабораторию означало заняться военной химией. Борис Павлович усовершенствовал там свое образование и стал настоящим военным химиком.

  Еще до революции он разрабатывал способы борьбы с отравляющими веществами, думал над особыми составами для противогазов. После революции стал военным, с 23-го года по рекомендации академика П.П.Лазарева преподавал химию командирам Красной Армии в Высшей Военно-химической школе РККА, читает курс лекций по общей и специальной химии в школе Усовершенствования командного состава РККА, а в 1933 году становится старшим преподавателем Военно-химической академии имени К.Е. Ворошилова. Однако основное содержание его жизни - научные исследования. Он автор множества научных трудов. Но в силу их специфики ни одной строчки трудов Белоусова, даже их краткого изложения, никогда и нигде не было опубликовано. Все шло в виде закрытых инструкций, приказов с грифом "совершенно секретно". В секретном отзыве академика Александра Николаевича Теренина отмечается, что: "... Б.П.Белоусовым начато совершеннно новое направление газового анализа, заключающееся в изменении цвета пленочных гелей при сорбции ими активных газов. Задача заключалась в создании специфических и универсальных индикаторов на вредные газообразные соединения, с обнаружением их в исключительно малых концентрациях. Эта задача была блестяще выполнена ... был разработан ряд оптических приборов, позволяющих автоматически или полуавтоматически производить качественный анализ воздуха на вредные газы... В этой группе работ Б.П.Белоусов проявил себя как ученый, по-новому ставящий проблему и решающий ее совершенно оригинальным путем. Помимо этих исследований, Б.П. Белоусову принадлежит ряд столь же оригинальных и интересных научных работ, которые не оставляют сомнения в том, что он безусловно заслуживает присуждения ему степени доктора химических наук без защиты диссертации".

  Его произвели в комбриги высокое для химика военное звание, эквивалентное званию генерал-майора. В период массовых репрессий 1937-38-го годов были арестованы и убиты очень многие кадровые военные в званиях от майора и выше, погибли многие сослуживцы и друзья Белоусова. Его не арестовали, может быть, потому, что еще в 35-м он ушел из армии в долгосрочный отпуск, а после 1938 г. в отставку?

  Борис Павлович стал работать в секретном медицинском институте, где занимались, в основном, токсикологией. Сначала был заведующим лабораторией. Потом спохватились, что нет университетского диплома, и перевели на должность старшего лаборанта, не освободив от обязанностей заведующего лабораторией. По многим качествам он оставался военным человеком. Раздражала новая среда, сложные взаимоотношения, с эмоциями, чувствами, обидами. Характер у него всегда был непростой, а с годами стал совсем сложный.

  Директор института, тем не менее, понимал, с кем имеет дело. Сейчас этого не постичь, но тогда все главные, и не очень главные, бумаги имели подпись Сталина. Синим толстым карандашом. На это же имя было написано письмо о том, что в секретном нашем учреждении работает заслуженный человек, зарплата у него низкая, как у старшего лаборанта, поскольку не имеет диплома о высшем образовании, а на самом деле он заведует лабораторией. На этом письме Сталин начертал: "Платить, как заведующему лабораторией, доктору наук, пока занимает должность". Толстым синим карандашом. Недруги примолкли: сам Сталин велит платить. Длилось это, правда, недолго, Сталин вскоре умер. В эти годы главной стала лучевая проблема, противолучевые средства. У Белоусова были замечательные открытия в области противолучевых препаратов.

  В это время в биохимии были открыты циклические реакции: одно вещество превращается во второе, второе в третье, третье в четвертое, потом в пятое, а из него образуется опять первое.         Борис Павлович подумал, что это замечательная вещь и надо ее исследовать, что хорошо бы сделать химическую аналогию биохимических циклов.

  Вот тут-то и начинается "химия детства". Это только "живой" химик может сразу придумать. Вспомнить, что в 1905 году он брал бертоллетову соль, что ее аналог KBrO3: там хлор, а тут бром. Можно устроить реакцию, в которой исходный компонент цикла Кребса лимонная кислота будет окисляться этим аналогом бертоллетовой соли. Бром окрашен, поэтому он будет виден, когда выделится в ходе реакции. Это была удача.

  Чтобы ускорить реакцию, Борис Павлович добавил в раствор каталитические количества соли церия. Церий элемент переменной валентности, он катализирует окисление, переходя из четырех в трехвалентное состояние. В растворе, в довольно концентрированной серной кислоте, сначала действительно появилась желтая окраска, но потом почему-то исчезла и вдруг возникла снова, а потом опять исчезла... Так была открыта колебательная химическая реакция в растворе. (А желтый цвет, как позднее показал Жаботинский, не от брома, а от церия).

ЗНАЧЕНИЕ  РЕАКЦИИ БЕЛОУСОВА

  Действительно ли Б.П.Белоусов первым открыл химические колебательные реакции? Лауреат Нобелевской премии И.Пригожин считает работу Бориса Павловича научным подвигом ХХ века. Некоторым же авторам популярность BZ-reaction кажется несправедливой, а роль Белоусова преувеличенной.

  Все наблюдавшиеся до этого случаи колебаний в химических реакциях можно было объяснить пространственными эффектами, например, перепадом температуры на стенках колбы или диффузионными ограничениями скоростей реакции.

  Но главным препятствием было ... знание равновесной термодинамики. Не мог образованный человек представить себе в беспорядочном тепловом движении огромного числа молекул макроскопическую упорядоченность, все молекулы то в одном, то в другом состоянии! Будто признать существование вечного двигателя. Этого быть не может. И в самом деле не может этого быть. Не может быть вблизи состояния равновесия, а только его и рассматривала термодинамика тех лет. Однако никаких ограничений на сложные, в том числе колебательные, режимы нет для неравновесных химических систем, когда реакции еще не завершились, и концентрации реагентов не достигли равновесного уровня. Но это обстоятельство ускользало от внимания химиков.

  Всем ясно, термодинамика не просто раздел физики. Триумф равновесной термодинамики, созданной гигантами Карно, Майером, Гельмгольцем, Больцманом, Планком, Гиббсом, Нернстом, определил мировоззрение нескольких поколений исследователей.

  Потребовалось чрезвычайное интеллектуальное напряжение, чтобы вырваться из "железных оков полного знания" и исследовать поведение систем вдали от равновесия, чтобы создать термодинамику неравновесных процессов. В этом жизненный подвиг Онсагера и Пригожина. К этому времени уже существовало общее доказательство возможности колебаний в однородной, гомогенной системе, когда пространственные неоднородности несущественны. В 1910 году А.Лотка придумал систему уравнений, описывающую колебания концентраций реагентов в системе полного перемешивания, где возможен автокатализ. В этой первой модели Лотки колебания были затухающими. Через 10 лет он предложил систему с двумя последовательными автокаталитическими реакциями и в этой модели колебания уже могли быть незатухающими. Значит, колебания в гомогенном растворе в принципе возможны. Сложилась характерная для жизни нового знания ситуация: есть строгая теория Лотки-Вольтерры (колебания в гомогенных химических системах возможны), и есть общее мнение, что они невозможны, так как противоречат основам науки. Вот почему экспериментальное, бесспорное доказательство существования колебательных режимов в гомогенных растворах, в системах полного перемешивания приобрело такое большое значение. Тут следует отметить коренное различие позиций физиков и химиков. Одно из наиболее ярких достижений физики и математики XX-го века создание теории колебаний. Большие, общепризнанные заслуги принадлежат здесь советским физикам школе академика Л.И.Мандельштама. В 28-м году аспирант Мандельштама А.А. Андронов выступил на съезде русских физиков с докладом "Предельные циклы Пуанкаре и теория автоколебаний". Он не сомневался в возможности химических колебательных реакций и был инициатором направленного поиска таких реакций в эксперименте.