사용자:Myakumyaku/연습장

샬레 내에서 진행되는 벨루소프-자보틴스키 반응. 80초, 160초의 시간이 지남에 따라 동심원 모양의 패턴이 퍼져 가는 모습을 관찰할 수 있다.

[[ファイル:BZ voltage plot.png|thumb|300px|은과 초산은을 전극으로 사용한 반전지를 사용하여 측정한 BZ 반응의 전기적 퍼텐셜의 변화]]벨루소프-자보틴스키 반응(틀:Lang-en-short, 줄여서 BZ 반응이라고도 부른다)이란 세륨 염 등의 금속 염과 브롬화물 이온을 촉매로써 말론산 등의 카르복실산을 브롬산 염으로 보다 브롬화하는 화학 반응이다. 계 내에 존재하는 몇 가지 물질의 농도가 주기적으로 변화한다비선형적 진동 반응의 대표적인 예로서 알려져 있다. 이 반응 등의 진동 반응은 평형 열역학의 이론이 성립하지 않는 비평형 열역학(영어판) 분야의 대표적인 예이다. 반응 용액의 색이 수십 초 정도의 주기로 변화하는 점이 학교 실험에 적격이기 때문에 자주 이용되고 있다. 요오드를 사용한 것과 같이 진동 반응인 브릭스-라우셔 반응과 BZ 반응에서 촉매로써 트리스(바이피리딘) 루테늄(II) 염화물을 사용했을 때는 빛의 영향 하에서는 자기조직화가 일어난다. 또한 이 반응은 리제강 고리 현상과도 크게 유사하다는 것이다.

발견

벨루소프(왼쪽)과 자보틴스키(오른쪽)

소련의 보리스 벨루소프가 구연산 회로의 연구를 하고 있을 때, 황산 산성 구연산과 브롬산 칼륨을 황산 세륨(IV) 및 말론산의 존재 하에 반응시키면 반응 용액의 색이 무색과 황색의 사이를 주기적으로 변화하고 게다가 그 결과 세륨(IV)염(Ce⁴⁺)과 세륨(III)염(Ce³⁺)의 농도비가 진동하는 것을 1951년에 발견해 냈다. 이것은 Ce⁴⁺가 말론산에 의해 환원되나, 곧 브롬산 이온(BrO₃^-)에 의해 산화되어 Ce⁴⁺로 되돌아가기 때문이다. 그러나 당시는 화학 반응은 최적적인 평형 상태를 향해 진행되는 법이라고 생각되고 있어, 이러한 주기적인 현상이 있다고 받아들여지지 않았기 때문에 논문은 수리되지 않았다. 그 후 1959년에 짧은 보고가 동료 평가 없이 학술지에 발표되었으나 널리 알려지지는 않았다.

아나톨 자보틴스키가 1961년에 이 반응을 재발견했다. 이 반응에 흥미를 가졌던 자보틴스키는 1964년 경부터 상세한 검토를 했고, 구연산 대신 말론산을 써도 같은 반응이 일어난다는 것과 세륨 이외에 철이나 망간의 염도 이 반응을 촉매한다는 것을 보고했다. 1968년에 프라하에서 열린 생물학회에서 이들 결과가 발표되어 널리 이 반응이 알려지게 되었다. 벨루소프는 1970년에 사망했으나 후에 재평가되어 1980년 자보틴스키와 함께 레닌 상을 수여받았다.

서잉글랜드 대학의 컴퓨터 과학자、앤드류 아다마츠키는 BZ반응을 이용한 액체의 논리회로를 개발했다고 보고되어 있다. 또 세포를 자기 작성한 신경의 성질을 사용한 "습기찬 컴퓨터"의 개발이 진행되고 있다.

반응 모습

BZ반응으로 가능한 패턴의 컴퓨터 시뮬레이션

현재 BZ 반응을 일으키기 위한 혼합 용액이 많이 고안되어 화학의 서적과 웹 사이트에 게재되어 있다. 페난트롤린의 배위 화합물인 페로인은 지시약으로써 자주 사용된다.

실험이 페트리 접시에 시행하는 경우, 주기적셀룰러 오토매톤의 패턴과 유사한 동심원 모양과 나선상의 색 패턴이 나타난다.

螺旋が振動する現象は自然界の他のところでも観察できる。例えば土の中に棲むアメーバの一種、 のコロニーに見られる。BZ反応の場合、化学物質同士が反応し、周期は分単位であるが、アメーバの場合は単細胞生物の行動によって変化が起こり、その周期は1日より長く、年単位に及ぶこともある。

나선이 진동하는 현상은 자연계의 다른 곳에서도 관찰할 수 있다. 예를 들면 땅 속에 서식하는 아메바의 일종인데, 이는 닥티오스텔리움디스코이디엄의 콜로니에 나타난다. . BZ 반응은 화학 물질끼리 반응하여 분 단위 주기이지만, 아메바는 단세포 생물의 행동에 의해 변화가 일어나 그 주기는 1일보다 길고 연 단위에 이르는 것도 있다.

용액이 뒤섞이면 한 번 색이 사라지나, 잠깐 있으면 다시 나타난다. 이 패턴은 산회제 또는 환원제의 어느쪽이든 없어질 때 까지 계속된다. 또 마그네틱 교반기를 사용하여 비커에 실험을 하면 색이 주기적으로 변화한다.

개관

말론산에 있어서 반응은 이하의 반응식으로 표현된다.

フェロインを用いたBZ反応系の時間変化

反応液の色の変化は触媒となっている金属塩の酸化還元反応に伴うものであり、用いた金属種によってその色は異なる。セリウム塩では無色と黄色に変化するが、フェロイン（鉄のフェナントロリン錯体）を用いると赤と青の間で変化する。反応液を良く撹拌した状態では一定の時間ごとに反応液全体の色の変化が起こる。一方、反応液をシャーレのような浅い容器に静置した状態におくと、まず数箇所に色の変化した点が現れ、そこから同心円に色の変化が広がっていく様子が観察できる。ダーツの的のように見えることからターゲットパターンと呼ばれる。このような熱平衡に無い状態で時間的、空間的な規則性が生成する(散逸構造)現象は生体においてしばしば見られることから、その方面からの興味が持たれた。

2008年には部活動で実験を行った茨城県立水戸第二高等学校の教師と生徒が、それまで反応が終了したとされていた赤色で変化が止まった状態で後片付けをせず試薬を放置して下校した結果、液が黄色に変化したことを報告した。この反応は条件によって、最後の赤色で止まった後、5～20時間放置すると反応が再開する。この発見は「Rebirth of a dead Belousov-Zhabotinsky oscillator.（長時間停止したBZ振動の復活）」として纏められ専門誌に掲載された。

機構

この反応の詳細な機構については、1972年にリチャード・フィールド、エンドレ・コロス、リチャード・ノイエスによって提案されたFKNメカニズムで良く説明される。このメカニズムは18のステップに分かれるが、大まかには以下のようなものである。

まず臭素酸塩と臭化物イオンが反応して最終的に臭素が発生するプロセスA

が始まる。最初にプロセスAを開始させるための臭化物イオンは系内に不純物として存在するものが利用される。臭素酸塩は臭化物イオンによって亜臭素酸、次亜臭素酸、臭素と順次還元されていく。プロセスAは系内に存在している臭化物イオンが消費されつくすと停止する。

プロセスAにおいて中間生成物である亜臭素酸が生成すると、還元型の金属塩による臭素酸塩の次亜臭素酸への還元プロセスB

が起こるようになる。このプロセスBは、臭素酸塩と亜臭素酸が反応して2分子の二酸化臭素が生成し、それが金属塩によって還元されて2分子の亜臭素酸となる段階を含む自触媒反応である（これはブリッグス・ラウシャー反応も同様である）。プロセスAが進行している間は亜臭素酸はプロセスAで臭素へ還元されて消費されるためプロセスBの反応速度は極めてゆっくりとしか進行しない。しかし、臭化物イオンが無くなりプロセスAが停止すると亜臭素酸がネズミ算式に増加し、それとともにプロセスBの反応速度は急激に上昇する。これにより溶液の還元型の金属塩は急激に酸化型へと変化し、溶液の色が変化する。

一方、プロセスAで生成した臭素とマロン酸が反応してブロモマロン酸となる。

また、マロン酸とブロモマロン酸は酸化型の金属塩によって酸化されてギ酸と二酸化炭素となり、還元型の金属塩と臭化物イオンが再生される。

臭化物イオンが再生されるとプロセスAが再開するため亜臭素酸が臭素まで還元されプロセスBが停止する。還元型の金属塩のプロセスBでの消費が無くなる結果、再び反応液の色はもとに戻っていく。再びプロセスAで臭化物イオンが消費しつくされるとプロセスBの速度が急激に増加し、反応液の色の変化が繰り返される。

1974年にフィールドとノイエスは、より簡略化した5つの反応過程からなる計算化学的なモデルを提唱した。これは彼らが所属していたオレゴン大学と振動反応を意味するOscillatorからオレゴネータ（Oregonator）と呼ばれる。

• ${\rm {BrO_{3}^{-}+Br^{-}+2H^{+}\longrightarrow HBrO_{2}+HOBr}}$
• ${\rm {HBrO_{2}+Br^{-}+H^{+}\longrightarrow 2HOBr}}$
• ${\rm {BrO_{3}^{-}+HBrO_{2}+2Ce^{3+}+3H^{+}\longrightarrow 2HBrO_{2}+2Ce^{4+}+H_{2}O}}$
• ${\rm {2HBrO_{2}\longrightarrow BrO_{3}^{-}+HOBr}}$
• ${\rm {HOOCCH2COOH+Ce^{4+}\longrightarrow fBr^{-}}}$

参考文献

• Pabian, R. K.; Zarins, A. 《Banded Agates, Origins and Inclusions》. Educational Circular 12. University of Nebraska-Lincoln.  CS1 관리 - 여러 이름 (링크)
• Ichino, T.; Asahi, T.; Kitahata, H.; Magome, N. Konstantin Agladze, K.; Yoshikawa, K. (2008). “Microfreight Delivered by Chemical Waves” (PDF). 《틀:仮リンク》 112 (8): 3032–3035. doi:10.1021/jp7097922.  CS1 관리 - 여러 이름 (링크)

関連項目

• ブリッグス・ラウシャー反応
• セル・オートマトン
• 散逸
• 自励振動
• 自己組織化
• アラン・チューリング

外部リンク

• 高校生によるBelouzov－Zhabotinsky反応の新しい現象の発見― 長時間停止したBZ振動の復活 ― - 物性研究・電子版
• Interactive Science Experiment Showcasing the BZ Reaction (A-Level)틀:リンク切れ
• A Survey Article on the Mathematics of the BZ Reaction
• The Scholarpedia article on the Belousov-Zhabotinsky reaction
• The Belousov–Zhabotinski Reaction
• The Belousov–Zhabotinsky Reaction
• The Phenomenology of the Belousov–Zhabotinsky Reaction, with pictures
• Video of BZ reaction
• The Belousov–Zhabotinski Reaction (PDF)
• Paper cargo surfs chemical waves — BZ反応の誘導による振動が小さな物体を動かす、ニュー・サイエンティスト, 2008年2月18日
• The home page of Anatol M. Zhabotinsky
• Simulating Belousov-Zhabotinsky Reactions in Pixel Bender Flash PlayerでのBZ反応のシミュレーション

• (일본어) 『ベロウソフジャボチンスキー反応』 - Kotobank