奇妙的化学振荡反应，本文主要内容关键词为：奇妙论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
[实验]配制三种溶液
A.102.5mL30％的双氧水溶液稀释至250mL。
B.10.7gKIO[,3]加10mL 2mol／L的硫酸，稀释至250mL
C.取0.075g淀粉溶于少量热水并加3.9g丙二酸和0.845g硫酸锰稀释至250mL
用三支量筒分别量取A、B、C各50mL同时加入至洁净的250mL烧杯，用玻璃棒略搅拌后静置。
你认为会出现什么样的现象呢？
让我暂停一下，来强调这种现象多么出乎意料。假设我们有两种分子，一种是“琥珀色”，一种是“蓝色”。由于分子的混乱运动，我们可以想象在给定瞬间有较多“琥珀色”位于容器某一区域，过一会儿，有较多“蓝色”聚集等等。这样，我们观察到的溶液呈现“黑或灰色”，有可能偶然而不规则闪现“琥珀色”或“蓝色”。但是，事实并非如此，在这里，系统开始完全无色，然后它突然把颜色改变为琥珀色，然后又改变为无色（相当短暂），迅速又改变为蓝色，溶液的颜色就在琥珀色与蓝色之间振荡，并且所有这些改变都以有规则的时间间隔发生，维持着一个恒定周期自动变化。
这个反应是1960年初期被发现的“别罗索夫－柴波廷斯基”反应，简称B－Z反应。相似的反应模式还有俄冈器、布鲁塞尔器，但要更复杂些，稍后还要提到。这些反应被称为“化学钟”。
在上面的实验里存在着这样的5个反应：
丙二酸的加入是为了以I[3-]的形式“贮存”I[,2]，以增大I[,2] 的溶解度。这样能延长变色时间周期和循环次数。我曾做过加热实验，在加热情况下，产生的I[,2]很快以碘气的形式挥发使反应中断。 显然蓝色是由碘分子与淀粉溶液作用的结果。溴和氯的衍生物是可以代替碘化物的，但“显色剂”不同，这时用试亚铁灵（硫酸亚铁二氮杂菲），在适当的催化剂如铈、锰或试亚铁灵的存在下有机酸（丙二酸）被溴酸盐氧化。5个反应累加结果发现是H[,2]O[,2]→H[,2]O＋O[,2]↑。如果向反应器中不断加入溴酸盐、丙二酸、双氧水反应物，同时产物通过溢流管不断离开反应器，这样可以使化学钟无限期走下去。
上述所说的振荡可称之为“时间振荡”，更令人不可思议的是“空间振荡”。在培养皿中倒入薄薄的一层B－Z反应物，放入不与之反应的颗粒，如沙粒或1厘米左右的牙签尖端等。 慢慢会产生以这些点为中心的同心圆花纹，以与底色不同的颜色呈环状向外扩展。这个实验我用的是溴的衍生物，观察到的图像好像一串规则间隔的白色环带，贯彻于静止的红色混合物中，环带很狭窄，中间呈明显的白色，两缘弥散，移动速度约每秒1毫米，直至扩散到全部为白色。 这种空间的周期性变化称为“化学波”。
“化学钟”和“化学波”很早就被发现过，但它被早期科学家所厌恶，它们不是他们希望的平衡态。对于化学反应是怎样发生的，我们从书上学到的是这样一种看法：在空间中浮动的分子彼此碰撞，当发生“反应碰撞”时，以新的形式再现，无疑这是无序的行为，但化学钟和化学波呢，所有的分子以一定的时间间隔，同时改变了它们的化学性质。布鲁塞尔器和B－Z反应中聪明地利用计算机来模拟化学波及溴或碘离子的浓度，这样的坐标图非常漂亮地显示着类似正弦曲线一样的严格的规则性，这是否意味它们分子之间具有一种“通讯”手段呢？问题是描述它的参数是宏观的，不是分子间距的10[-10]米的数量级，而是10[-2] 米的数量级。时间的尺度也不同，它们不是分子的时间（某种分子具有10[-25]秒左右的一种振荡周期），而是数秒、 数分钟甚至数小时（我所做的ABC实验中每种颜色持续时间约17秒，溴衍生物则约2分钟， ABC的反应至结束用了几分钟，而溴衍生物则花了好几个小时才结束）。在“化学钟”和“化学波”中，系统作为一个整体，体系中的分子自己组织起来形成时空上的一致行动，这与分子生物学相遇了。在生物学中也有催化剂，它们甚至更有效，那是些特殊的蛋白质即“酶”。我们学过在某些酶的参与下ATP与ADP可以互相转化。一些生化实验已经发现，与葡萄糖被分解循环过程中有关ATP与ADP的浓度方面存在着时间性的振荡，并且发现几种关键酶控制的反应也是在远离平衡的条件下进行的。至于空间方面，则有著名的“阿米巴聚集”。
伊·普里戈金的《从混沌到有序》指出，这些分子的自组织结构与平衡态物理学定律，以及玻耳兹曼有序性原理存在很大矛盾。化学钟、化学波向传统化学提出了挑战。普里戈金在对物理、化学和生物有序现象的系统研究基础上，提出了一种全新的理论。其理论基本观点是：一个与周围环境有物质、能量、信息交换的开放系统在远离平衡的非平衡状态，一旦对系统进行微小的扰动或系统自身的波动，使某个性质的变化超过一定限度，系统便可能发生突破，会由原来的无序混沌状态变成时间、空间等方面有序的新状况。这一理论很快受到各门学科的重视，对科学界产生了很大的影响，更是指出了化学发展的必然趋势——非平衡态化学。这就是“耗散结构”理论。
化学振荡反应的发现大概可以一直追溯到19世纪，但却长期被单调的科学思潮所压抑。若不是化学钟、化学波被观察到了，那么也许永远也没有人像普朗克预计光子、泡利预言中微子那样意识到有这么一种奇妙的反应。我以普里戈金的话作为结尾：
我们相信，实验对话是人类文化的一个不可逆的成就。它组成了科学成果的可传授性和可再生性的基础。尽管自然是部分地被容许讲话的，然而它一旦表达了它自己，就不再另有异议：自然从不说谎。