B-Z振荡反应

B-Z振荡反应

一、实验目的：

了解非平衡态热力学，理解生命的产生。

二、实验原理: 普力高津1969年提出耗散结构理论，其主要内容为：一个远离平衡态的非线性的开放系统（不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的）通过与外界交换能量和物质通过涨落，在系统内部某个参量的变化达到一定的数值时，系统可能发生突变。由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。 三、名词解释

1.远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。 2.非线性是指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。 3.开放系统是指与外界环境有物质、能量和信息交换的系统。与开放系统相对立的有封闭系统（一个不能和环境发生物质交流但能发生能量交流的系统）。在客观世界中封闭系统的存在是相对的，而开放系统的存在是绝对的。 4.涨落是大量微观粒子的一种统计平均行为，是大量微观粒子如分子、原子、电子等无规则热运动的结果。涨落的相对值通常很小，但在有些现象中仍可观察到，并且可能有很重要的影响。 5.突变从达尔文的自然选择学说可以看出，生物在繁衍后代的过程中，会产生各种各样的可遗传的变异，这些可遗传的变异为生物进化提供了原材料。现代遗传学的研究表明，可遗传的变异来源于基因突变、基因重组和染色体变异。其中，基因突变和染色体变异常称为突变。

四、试剂：

A溶液： 120g丙二酸+2000ml水+120ml浓硫酸+8g硝酸铁胺 B溶液： 100g溴酸钾+2000ml水 C溶液： 邻菲罗啉亚铁指示剂 0.7gFeso4+0.5g邻菲罗啉+100ml水

五、实验步骤：

1、首先用自来水和蒸馏水洗净烧杯和培养皿 切记：用量筒加试剂。

2、浓度振荡现象的观察：在100ml烧杯中加入8mlA和8mlB混匀观察溶液颜色变化：无——黄——无。加入1mlc观察溶液颜色变化：红——蓝——红——蓝„„记录周期6次。 3、空间化学波现象观察：在培养皿上加入6mlA、6mlB和3mlC混合均匀，将其放在桌面上，下衬一张白纸，静置、等待，观察各种同心圆图案，拍照。

六、结果与讨论：

1、颜色变化记录：

周期 变化 1 2 3 4 5 6

红—蓝 93s 90s 89s 91s 90s 92s

蓝—红 39s 40s 43s 40s 41s 42s

2、培养皿中的溶液先呈均匀的红色，片刻后出现均匀的蓝点，并呈环状向外扩散，形成各种同心圆式图案。

七、参考：

1.B-Z振荡反应的发现

BZ反应是以两个俄罗斯科学家的名字命名的。B.P.Belousov发现了该反

应，而A.M.Zhabotinsky继续了Belousov的工作。20世纪50年代，Belousov

在寻找类似于三羧酸循环的无机反应过程时发现含有溴酸盐、柠檬酸、硫酸和

铈离子的溶液进行反应时，反应物浓度呈现出周期振荡的性质，并且发现不扰

动的反应溶液中存在移动的波。1961年，莫斯科国生物物理学研究生

Zhabotinsky用丙二酸代替柠檬酸，得到了更为清晰化学表述。之后人们就把

有机酸和溴酸盐发生的类似反应称为B-Z反应。 化学振荡反应是具有非线性动力学微分速率方程，是在开放体系中进行的

远离平衡的一类反应。体系与外界环境交换物质和能量的同时，通过采用适当

的有序结构状态耗散环境传来的物质和能量。这类反应与通常的化学反应不

同，它并非总是趋向于平衡态的。

2．B-Z反应的组成

它是由3个不同的反应组成的化学振荡反应。每个反应都有不同的分子和

离子，当加入特定的化学成分后，首先触发第一个反应，所产生的生成物可以

触发第二个反应，随后第二个反应的生成物又可以触发第三个反应，第三反应

的生成物再触发第一个反应，由此循环往复。更为迷人的是，各个不同的反应

会产生不同的颜色，因此可以形成红蓝交替的波。

3．B-Z振荡反应的研究

3.1.B-Z反应研究方法 测定、研究BZ化学振荡反应可采用离子选择性电极法、分光光度法和电化学等方法。 3.2.B-Z反应研究意义

B-Z反应的实验结果极大地推动了非线性动力学理论的发展。B-Z反应

的重要性在于利用它可以解决一些数学难题，尤其是一些现在的计算机难以解

决的问题。比如，迷宫最短路径问题。用传统的计算机解这一问题必须要穷尽

所有的路径，然后再进行比较，这需要耗费大量的时间。而利用BZ反应则不

同。由于波在传播和扩散时，总是走最短的路径。只要利用照相机，记录下波

的运动轨迹，就可以解决这一难题。而1972年， Field.和Noyes提出BZ反应

的FKN机理，他们用约20个化学方程式解释反应的动力学机制.接着他们将

FKN机理化简为含三个变量的Oregonator模型。现在这一领域的科学家还常常

用此模型解释化学振荡体系的行为。此外也发展了一些模型，它们与特定的实

验结果吻合的很好，并且发现具有非线性动力学作用的化学反应具有特别的时

空动力学行为，包括浓度的周期变化和混沌状态、化学波的形成与传导、稳定

的空间图案（Turing pattern）等等。

4.B-Z反应研究的发展历程

1921年，伯克利加州大学的布雷(Bray，William)在用碘作催化剂使过氧

化氢分解为水和氧气时，第一次发现了振荡式的化学反应。但依据经典热力学

第二定律，认为任何化学反应只能走向退化的平衡态，因而当时的化学家否定

了这个发现。

1952年，英国数学家图灵通过数学计算的方法，在理论上预见了化学振

荡这类现象的可能性。1958年，俄国化学家别洛索夫(Belousov) 和扎鲍廷斯

基(Zhabotinskii)首次报道了以金属铈作催化剂，柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时可呈现化学振荡现象：溶液在无色和淡黄色两种状态间进行着规则的

周期振荡。该反应即被称为Belousov- Zhabotinskii反应，简称B-Z反应。

1969年，现代动力学奠基人普里戈金提出耗散结构理论，人们才清楚的

认识到振荡反应产生的原因：当体系远离平衡态时，即在非平衡非线性区，无

序的均匀态并不总是稳定的。在特定的动力学条件下，无序的均匀定态可以失

去稳定性，产生时空有序的状态，这种状态称之为耗散结构。例如浓度随时间

有序的变化(化学振荡)，浓度随时间和空间有序的变化(化学波)等。耗散结构

理论的建立为振荡反应提供了理论基础，从此，振荡反应赢得了重视，它的研

究得到了迅速发展。

化学振荡是一类机理非常复杂的化学过程，Field、Koros、Noyes三位

科学家经过四年的努力，于1972年提出俄勒冈（FKN）模型，用来解释并描述

B-Z振荡反应的很多性质。该模型包括20个基元反应步骤，其中三个有关的变

量通过三个非线性微分方程组成的方程组联系起来，该模型如此复杂以至20世

纪的数学尚不能一般地解出这类问题，只能引入各种近似方法。

上个世纪90年代中安德鲁意识到，BZ反应有更重要的应用，那就是可

以用于化学处理器。为此，他组织起一个专门的班子，并开发了两个化学处理

器的概念模型。一个模型可以模仿人类的手臂与大脑的反馈活动。另一个由两

个BZ反应组成，可以在一个布满家具的房间内自动移动到目的地。虽然这两个

概念模型表现还不错，安德鲁却意识到，如果要让化学处理器处理更为复杂的

运算过程，必须要有逻辑门。

去年，安德鲁的研究取得重大突破。他把BZ混合物放到卤化银薄胶层

上，由于卤化物可以起到化学阻滞剂的作用，胶层可以延缓波的传播速度。这

样，BZ反应就不会形成完整的圆形波，只是形成了小段的圆弧，并且沿直线进

行传播，安德鲁将之称为BZ弹。BZ弹更多地表现出准粒子的特性，而不是波

的特性，其表现与撞球相似。实验中，安德鲁发现，两个BZ弹在特定的角度相

撞时，只在特定的方向产生唯一的输出。如果仅有一个输入，则在该方向没有

输出。这样安德鲁就研究出了逻辑与。此后，他又相继研究出逻辑或、逻辑非

以及逻辑互斥，这就为安德鲁的化学处理器奠定了坚实的基础。化学处理器是

生物组织器官和电子设备之间的一座桥梁。无论最终能不能实现，这都将为科

学发展作出巨大贡献。

5.B-Z反应的研究对人们的启发

5．1．它让人们的传统观念有了很大的突破

化学耗散结构理论的建立，在思想方法上给人以深刻启迪，突破了传统

观念，获得了更为全面的科学认识，促进了科学思维方法的发展。

（1）物理学和生物学规律的统一过去认为，物理学克劳修斯的热力学第

二定律和生物学达尔文的进化论在反映自然规律方面是相互矛盾的。前者

认为一个孤立的物理体系总是趋于熵增加的方向，即从有序趋向无序，从

高级趋向低级，不断退化；后者认为生物体系居于主导地位的方向总是从

无序趋向有序，从低级趋向高级，不断进化。现在耗散结构理论告诉我

们，二者并不矛盾，达尔文进化论也符合热力学第二定律。因为生物体系

之所以能从无序趋向有序，根本的原因在于它是一个开放体系，能够不断

地从环境向体系输入有效的物质和能量即负熵流，从而抵消了体系内无效

能即正熵量的增加，直至实现有序。人们对于热力学理论就可以有一个更

广泛和全面的理解，并大体上说明了为什么在一个熵递增的环境里，像人

类这样具有高度有序结构的生物能够从混乱中出现，从而破除了百年来人

们关于热力学第二定律只能破坏有序的传统观念，或只能是朝着无序状态

单调地退化的一个代名词的不全面认识。

（2）平衡态和非平衡态的并重。过去人们多只侧重于平衡态的研究，诸

如对于热平衡、相平衡、电离平衡、化学平衡等平衡规律的研究，似乎只

有平衡态才能体现出事物的规律性，而对于非平衡态研究则有所忽视。现

在，耗散结构理论告诉我们，非平衡态却恰恰正是产生自组织有序结构的

一个不可缺少的必要条件，非平衡才是有序之源，必须给予足够重视。此

外，宇宙万物种种生动诱人的现象绝大多数都是处于非平衡态而不是平衡

态。因此，在重视平衡态研究的同时也重视非平衡态研究，就会更加接近

自然界的实际，取得更好效果。

（3）无序自发向有序的转化。过去认为从无序到有序是不能自发转化

的，否则就违了热力学第二定律。现在耗散结构理论告诉我们，这种自发

转化是可能的，而转化条件实际上也就是依靠开放体系从环境向体系输入

的负熵流等形成自组织有序结构的四个条件。它们能把体系内亿万个分子

一一准确地安排在特定位置上，并按照确定的时空变化协同动作，发挥作

用。这样，耗散结构理论就找到了过去认为不可能存在的从无序自发转化

为有序的转化机制与条件，第一次全面掌握了无序和有序之间的双向转化

规律。具体说就是在一定条件下，在封闭的平衡体系中将是自发地从有序

趋向无序；在开放的非平衡体系中将是自发地从无序趋向有序，从而揭示

了无序和有序转化同体系的封闭与开放、平衡与不平衡等条件的联系，建

立了更为全面的自然观和科学观，促进了科学和哲学的发展。此外，对于

宇宙的未来，依靠远离平衡的开放体系的条件，就可以正如恩格斯所预言

的那样：放射到宇宙空间中去的热，能够重新集结和活动起来。从无序趋

向有序，使体系重新得到“活性”。这就进一步批判了克劳修斯从热力学

第二定律片面外推导出的热寂说，即宇宙不会导致完全热静止或完全无

序，从而有力捍卫了辩证唯物主义的自然观。