Időben és térben periodikus jelenségek kémiai rendszerekben

Oszcilláló reakciók

Az oszcilláló reakciók olyan kémiai reakciók amelyek során egyes köztitermékek koncentrációja periodikusan változik. Kádreaktorban, ahol egy adott mennyiségű reaktáns áll rendelkezésre, természetszerűleg csak tranziens oszcilláció alakulhat ki. Nyitott reaktort (CSTR) alkalmazva, ahol a reaktánsokat folyamatosan betápláljuk és a reakcióelegy feleslegét elvezetjük, csillapítatlan oszcilláció is előállítható, sőt ilyen körülmények között egyéb érdekes dinamikai jelenségek (pl. bistabilitás, káosz) is megfigyelhető. Az 1,4-ciklohexándion - bromát reakció az úgynevezett nemkatalizált bromátoszcillátorok családjába tartozik. Az elnevezés arra utal, hogy a brómvegyületek reakció adják az oszcilláció kialakulásában alapvető fontosságú pozitív visszacsatolást (autokatalízist). Ellentétben a család klasszikus képviselőjével a Belouszov-Zsabotyinszkíj reakcióval (bromát - malonsav - katalizátor), ebben az esetben fém-katalizátor (pl. Ce(IV), Mn(II), ferroin) nélkül is koncentráció oszcilláció figyelhető meg. Megvizsgálva az 1,4-ciklohexándion oxidációját ebben a reakcióban, azt tapasztaltuk, hogy 2-bróm-1,4-ciklohexándion és 1,4-hidrokinon köztiterméken át végül is 1,4-benzokinon keletkezik. Az 1,4-hidrokinonnak az autokatalízisben míg a párhuzamosan keletkező bromidionoknak a negatív visszacsatolásban van fontos szerepe. Az 1,4-ciklohexándion - bromát - ferroin rendszer viselkedését, az ebben a rendszerben megfigyelhető kémiai hullámok tulajdonságait számos kutatócsoport vizsgálja. Az érdeklődés egyik fő oka, hogy amint az előbb bemutatott reakció mechanizmus is mutatta, ebben a reakcióban a szerves szubsztrátum oxidációját nem kíséri szén-dioxid fejlődés. Más szubsztrátumoknál pl. malonsav a reakció során keletkező buborékok megzavarják a kémiai hullámok kialakulását.
Érdeklődőknek:


Mintázatképződés reakció-diffúzió rendszerekben

A reakció-diffúzió rendszerekben kialakuló kémiai hullámok és stacionárius mintázatok kísérletes tanulmányozására nyitott gélreaktorokat használunk. Ebben a gél (vagy más porózus anyag) egy jól kevert, folytonosan táplált reaktorba (CSTR) merül. A gélben, ahol a konvekció zavaró hatása nem jelentkezik, a nemlineáris kémiai reakció és a diffúzió összjátéka folytán különféle mintázatok alakulhatnak ki. Alain Turing angol matematikus 1951-ben megmutatta, hogy egy aktivátor-inhibitor rendszerben ahol az aktivátor fluxusa (mozgékonysága, diffúziója) kisebb mint az inhibitoré stacionárius mintázatok alakulhatnak ki. Az elmúlt évek eredményei alapján kidolgoztunk egy szisztematikus módszert, amelynek segítségével reakció-diffúzió mintázatok állítothatók elő megfelelő tulajdonságú reakciók felhasználásával. A módszert sikerrel alkalmaztuk a jodátion-szulfition-tiokarbamid, a hidrogén-peroxid-szulfition-[hexaciano-ferrát(II)]-ion, hidrogén-peroxid-szulfition-hidrogén-karbonátion és a bromátion-szulfition-[hexaciano-ferrát(II)]-ion rendszerekben.
Érdeklődőknek:


Periodikus jelenségek kemomechanikai rendszerekben

A kemomechanikai rendszerekben a cél a kémiai energia mechanikai munkává alakítása. Az ilyen rendszerek két fő építőeleme: egy nemlineáris kémia reakció és egy kemoreszponzív (intelligens) gél. A kémiai energiát egy autokalitikus vagy egy oszcilláló reakció adhatja. A kemoreszponzív anyag pedig lehet egy hidrogél, például N-izopropilakrilamid-akrilsav kopolimer gél, amely savas közegben (pH=4 alatt) összezsugorodik, míg magasabb pH-án duzzadt állapotba kerül. Mikro- vagy nanoméretű géleket vizsgálva meghatározó szerepet jásztik a folyamatban a kolloidstabilitás is, amelyet például felületaktív anyagok adagolásával tudunk szabályozni. Mindezeket együttesen figyelembe véve előállíthatók robuosztusan működő, autonóm, periodikus térfogatváltozást mutató kemomechanikai rendszerek. Külön érdekesek azok a pulzáló rendszerek ahol maga a kémiai reakció nem mutat periodikus viselkedést, azaz a ritmikus folyamat csak a gél térfogatváltozása által kiváltott visszacsatolás miatt alakulhat ki.
For details see


Fontosabb eredmények

 

ResearcherID GoogleScholarID ORCID ResearchGate


Contacts:

Eötvös University, Institute of Chemistry

1518 Budapest 112, P.O. Box 32.

e-mail: szalai.istvan@chem.elte.hu

tel.: +36-1-3722500 / 1902 or 1234

fax: +36-1-372-25-92