化学振荡反应

化学振荡反应

我们所熟悉的化学反应一般总是反应物的浓度随时间的增加下降，产物的浓度随时间的增加而上升。但是，在有些化学反应体系中，某些物质的浓度随时间的增加发生周期性的变化，这类反应称为化学振荡反应。由于它类似于钟表的周期性，所以又称它为化学钟，以示它与生物钟的密切关系。

化学体系振荡现象的描述可追溯到很早以前。阿·斯·菲克尼尔发现了化学电池能发生振荡电流；1832年洛森希尔德发现放在玻璃瓶内水中的黄磷周期性地放光，这种周期性放光依赖于瓶塞漏气的情况；1896年李塞根发现著名的李塞根环（空间振荡）；1899年，奥斯特瓦尔德指出：铁丝溶解在硝酸溶液中会产生类似神经兴奋的现象，因此有“铁神经”之说；1903年布内迪胥和威马依尔指出：双氧水在金属汞表面上的分解反应有类似心脏跳动的现象存在，因此有“汞心脏”之说。这些大多为多相反应中的振荡现象。这里再介绍一个化学振荡反应的例子：

在一个装有搅拌装置的烧杯中，首先将丙二酸和硝酸铈铵搿于硝酸中。开始溶液呈黄色，几分钟后变清。在溶液变清之后加入溴化钠，溶液的颜色就会在黄色和无色之间振荡，振荡周期约为1分钟。如果另外加入几毫升亚铁灵试剂，则溶液的颜色会在红色和蓝色之间振荡，可持续1小时左右。

在振荡反应研究发展的同时，科学家对振荡反应的机理也进行了探索。美国生态学家洛特卡和意大利数学家沃尔特拉，最初为模拟生态现象而提出了动力学模型，自然界有些动物的数量并不总是单调地变化，而是随着时间振荡。

例如，在亚德利亚海中有两种鱼类常常交替出现。如果将X和Y看作这两种鱼类，A是某种营养物质，则上述模型可代表鱼X吃了营养物质A而增殖，鱼Y吃了鱼X而增殖，同时鱼Y会自然死亡变成Z。此模型也可以模拟其他生态过程，假如A是草，X是鹿，Y是狼，而Z是死狼（肥料）。鹿吃草而生鹿，狼吃鹿又生狼，同时狼还会死。这样的例子不胜枚举。

振荡现象在生物化学中的例子也很多，如动物心脏有节律地跳动，在新陈代谢过程中占重要地位的糖酵解反应，许多中间化合物和酶的浓度是随时间而呈周期性变化的，所谓的生物钟也是生物振荡现象。生物的有序不仅表现在时间上，也表现在空间特性上，例如许多树叶的形状、蝴蝶翅膀上的花纹，动物皮毛都呈现出很漂亮的规则图案。

经过科学家的不懈努力，现已基本探索清楚一个化学振荡反应应该具备四个条件：

（1）开放体系。为了获得持续的恒定周期和振幅的振荡反应，环境必须以一定的速度向体系供应某些物质和能量。

（2）远离平衡态。只有远离平衡态时才可能出现时空有序的自组织现象即振荡反应。

（3）有反馈存在。在整个振荡反应的反应序列中，至少有一步的产物对它本身或前面某步反应物的生成速度产生加速或抑制的影响。

（4）双稳态。也就是说，在所谓约束的一组相同的外部条件下，该体系能够在两种不同的稳定态中存在或它具有多重定态。因此，与多重定态相联系的滞后现象，往往成为化学振荡反应体系具备的性质。

还有与振荡反应有密切关系的另一类现象，即所谓“混沌”现象。所谓“化学混沌”是指在化学反应中各种物质浓度既不达到稳定值也不作周期性振荡，而是以似乎随机的方式作增减变化。这种“混沌”行为的存在和振荡反应的事实一样，在化学界也引起了很大的争论。数学家们对它也很感兴趣。如果“化学混沌”是反应动力学的真正属性的话，则它们可能是数学研究上称之为奇异吸引的实例。

化学振荡反应广泛存在于化学工业、酿造工业、石油化学工业和生化反应体系中。这类反应在理论上有重要意义，在实践上有广泛应用前景，是值得不断探索的领域。