非平衡非线性问题是自然科学领域中普遍存在的问题,大量的研究工作正在进行。研究的主要问题是:体系在远离平衡态下,由于本身的非线性动力学机制而产生宏观时空有序结构,称为耗散结构。最典型的耗散结构是BZ体系的时空有序结构,所谓BZ体系是指由溴酸盐,有机物在酸性介质中,在有(或无)金属离子催化下构成的体系。它是由苏联科学家Belousov发现,后经Zhabotinski发现而得名。
1972年,R.J.Fiela、E.Koros、R.Noyes等人通过实验对BZ振荡反应作出了解释。其主要思想是:体系中存在着两个受溴离子浓度控制过程A和B,当 高于临界浓度 时发生A过程,当 低于 时发生B过程。也就是说 起着开关作用,它控制着从A到B过程,再由B到A过程的转变。在A过程,由化学反应 降低,当 到达 时,B过程发生。在B过程中,[ ]再生,当 到达 时,A过程发生,这样体系就在A过程,B过程间往复振荡。下面用 体系为例加以说明。
当 足够高时,发生下列A过程:
(1)
(2)
其中第一步是速率控制步,当达到准定态时,
当 低时,发生下列B过程 被氧
(3)
(4)
(5)
反应(3)是速度控制步,反应经(3)、(4)将自催化产生HBrO2,达到准定态时
由反应(2)和(3)可以看出: 和 是竞争HBrO2的。当 时,自催化过程,(3)不可能发生。自催化是BZ振荡反应中必不可少的步骤。否则该振荡不能发生。 的临界浓度为:
的再生可通过下列过程实现:
(6)
该体系的总反应为
(7)
振荡的控制物种是
详见《物理化学实验》(孙尔康,徐维清,邱金恒编。南京大学出版。1998年4月第一版第68页“BZ振荡反应”)