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[[File:Bzr fotos.jpg|thumb|300px|B-Z反应液随时间变化的图片。]]

'''B-Z反应'''（'''Belousov-Zhabotinsky反应'''），也称'''BZ反应'''、'''B-Z振荡反应'''（'''BZR'''），是一类著名的[[化学振荡反应]]，也是[[非平衡态热力學|非平衡热力学]]的经典例子。它有很多版本，其中最常见的反应是[[铈]]作催化剂时，[[丙二酸]]在[[稀硫酸]]水溶液中被[[溴酸盐]]氧化的反应，方程式如下：

<math>2H^++3CH_2(COOH)_2+2BrO_3^- \rightarrow 2BrCH(COOH)_2+3CO_2+4H_2O\,</math> 

[[File:BZ voltage plot.png|thumb|right|B-Z反应电极电势曲线图，使用的是银电极，Ag/AgNO<sub>3</sub>半电池。]]
[[File:BZGraphScheme.png|thumb|right|B-Z反应概图]]

== 历史 ==
这个反应首先在20世纪50年代由前苏联Belousov（别洛索夫）在研究[[三羧酸循环]]时发现，最初的催化剂是Ce<sup>4+</sup>/Ce<sup>3+</sup>，还原剂是[[柠檬酸]]。反应液在无色和黄色两种状态之间发生周期性的振荡，振荡频率随温度升高而增加。这一时期普遍认为化学振荡反应是不可能发生的，别洛索夫的这一结果也自然不受重视，两次投稿都以“无法解释机理”及“不可能”的原因而被退了回来，最后只得发表在一个不知名的期刊上，使得别洛索夫本人的信心大大受挫。生物化学家Schnoll曾劝别洛索夫继续他的研究，但劝说并不奏效，别洛索夫还是执意宣布从此淡出科学研究，并将这个反应的原始资料交给了Schnoll。<ref>Belousov B. P., ''A periodic reaction and its mechanism'', in ''Collection of short papers on radiation medicine for 1958'', Med. Publ., Moscow, 1959. </ref><ref>Belousov B. P., ''A periodic reaction and its mechanism'', in Field, R. J. and Burger, M., Eds, ''Oscillations and traveling waves in chemical systems''. Wiley, New York, 1985. </ref>1961年，前苏联的生物物理学毕业生扎鲍廷斯基（Zhabotinsky）在Schnoll的指导下重新研究了这个反应，用[[丙二酸]]代替了柠檬酸，并且对这个反应的机理作了一些解释。<ref>A. M. Zhabotinsky. Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе (исследование кинетики реакции Белоусова). [Periodic processes of malonic acid oxidation in a liquid phase.] Биофизика [Biofizika], 9:306–311, 1964.</ref>

1969年，[[伊利亚·普里高津|普里高津]]提出[[耗散结构理论]]，它清楚地解释了振荡反应发生的原因，使B-Z反应重新回归研究的焦点。它认为，在体系远离[[平衡态]]时，即处于[[非平衡非线性]]状态时，无序均匀态并不一定稳定。由于自身的[[非线性动力学]]机制，无序均匀态可以失去稳定性，而产生宏观时空有序结构，也就是耗散结构。1971年，Field、Körös、Noyes等人对反应机理作了更进一步的阐明，提出了[[俄勒冈模型]]（FKN），用以解释B-Z反应的很多性质。它十分复杂，包含18个[[基元反应]]，因而只有借助近似方法才能解出此类问题。

==现象==
反应溶液出现两种颜色交替。如果溶液深度较浅，还会发生类似波的[[干涉 (物理学)|干涉]]的现象，两种颜色的波交替扩散。与[[电磁波]]不同，相同颜色的波接触后会消失。
== 原理 ==
[[Image:The Belousov-Zhabotinsky Reaction.gif|250px|thumb|right|有盖培养皿中B-Z反应的计算机模拟]]
对B-Z反应机理的解释有很多种。在一个版本中，总反应包含两个过程A和B，A过程是双[[电子转移]]的离子反应，B过程涉及[[自由基]]和[[单电子转移]]。<math>Br^-\,</math>浓度超过临界浓度时主要发生A过程，低于临界浓度时主要发生B过程。溴离子是这里的控制物种：A过程中消耗溴离子生成溴单质，使溴离子浓度降低，低于临界浓度时主要发生B过程。B过程中溴酸根离子氧化金属离子，也生成溴单质。而后（亦有人称此为C过程）溴单质和高价金属离子氧化有机底物，得到还原态金属离子和溴离子，使溴离子浓度升高，再次发生A过程。因此体系在A、B、（C）过程之间反复振荡。封闭系统内这样的振荡可持续上千次，反应过程中不需补充反应物，因此这类反应为[[化学波]]的研究提供了很大方便。<ref>Field, R. J. and Burger, M., Eds, ''Oscillations and traveling waves in chemical systems''. Wiley, New York, 1985. </ref><ref>Epstein, I. R. and Showalter, K., ''Nonlinear chemical dynamics: Oscillations, patterns, and chaos'', J. Phys. Chem. '''100''', 13132-47 (1996). </ref><ref>Epstein, I. R. and Pojman, J. A., ''An introduction to nonlinear chemical dynamics: oscillations, waves, patterns, and chaos''. Oxford University Press, New York, 1998.</ref><ref>Taylor, A. F., ''Mechanism and phenomenology of an oscillating chemical reaction'', Progr. React. Kinet. Mech. 27, 247-325 (2002). </ref>

A过程的总反应：<math>BrO_3^-+5Br^-+6H^+ \rightarrow 3Br_2+3H_2O\,</math>

分步：
:<math>BrO_3^-+Br^-+2H^+ \rightarrow HBrO_2+HOBr\,</math>
:<math>HBrO_2+Br^-+H^+ \rightarrow 2HOBr\,</math>
:<math>HOBr+Br^-+H^+ \rightarrow Br_2+H_2O\,</math>

B过程的总反应：<math>2BrO_3^-+12H^++10Ce^{3+} \rightarrow Br_2+6H_2O+10Ce^{4+}\,</math>

分步：
:<math>BrO_3^-+HBrO_2+H^+ \rightarrow 2BrO_2 \cdot +H_2O\,</math>
:<math>BrO_2 \cdot +Ce^{3+}+H^+ \rightarrow HBrO_2+Ce^{4+}\,</math>，以上涉及[[亚溴酸]]的两步为[[自催化]]步骤
:<math>2HBrO_2 \rightarrow HOBr+BrO_3^-+H^+\,</math>
:<math>2HOBr \rightarrow HBrO_2+Br^-+H^+\,</math>
:<math>HOBr+Br^-+H^+ \rightarrow Br_2+H_2O\,</math>

Ce<sup>4+</sup>与Br<sub>2</sub>氧化丙二酸，例如：
:<math>Br_2+CH_2(COOH)_2 \rightarrow BrCH(COOH)_2+Br^-+H^+\,</math>

==俄勒冈振子==
[[File:Oregonator Maple plot.png|thumb|right|350px|俄勒冈振子图]]
R.M.Noyes和R.J.Fields在1974年提出一个五步的简化机理，称为[[俄勒冈振子方程|俄勒冈振子]](Oregonator)，是由[[俄勒冈大学]]（Oregon）与振荡器（Oscillator）形成的组合词。该机理表示如下。

* <math>BrO_3^- + Br^- + 2H^+ \rightarrow HBrO_2 + HOBr\,</math>
* <math>HBrO_2 + Br^- + H^+ \rightarrow 2HOBr\,</math>
* <math>BrO_3^- + HBrO_2 + H^+ \rightarrow 2HBrO_2 + 2Ce^{4+}\,</math>
* <math>2HBrO_2 \rightarrow BrO_3^- + HOBr\,</math>
* <math>HOOCCH_2COOH + Ce^{4+} \rightarrow fBr^-\,</math>

反应的底物包括[[溴酸盐]]、[[硫酸铈铵]]（或[[硫酸高铈]]）、[[丙二酸]]和[[稀硫酸]]，其中不可改变的底物是溴酸盐。金属离子一般为Ce或Mn（用[[硫酸锰]]作原料），但也可以是Fe、Ru、Co、Cu、Cr、Ag、Ni、Os形成的配离子。丙二酸也可以用其他还原剂替代。

反应器皿必须干净，试剂也需要尽量纯净，尤其是[[溴酸钾]]。其他卤素形成的含氧酸盐及阴离子，例如[[氯离子]]，会对反应产生干扰。

B-Z反应通常加入[[邻二氮菲亚铁离子]]（ferroin）作指示剂，它是[[邻二氮菲]]与亚铁离子的配合物，在还原态为红色，氧化态为蓝色。四价铈离子为黄色，三价铈离子无色，因此综合起来的效果是：氧化态绿色，还原态红色。

== 参见 ==
* [[俄勒冈振子方程]]
* [[激发介质]]
* [[Briggs-Rauscher反应]]
{{commons|Belousov-Zhabotinsky reaction|B-Z反应}}

== 参考资料 ==
<div class="references-small">
<references />
</div>
{{refbegin}}
* Pabian and Zarins, "Banded Agates; Origins and inclusions", University of Nebraska-Lincoln, Educational circular #12.
{{refend}}

== 外部链接 ==
* 一些关于B-Z反应的英文网站：[http://www.scholarpedia.org/article/Belousov-Zhabotinsky_reaction]{{Wayback|url=http://www.scholarpedia.org/article/Belousov-Zhabotinsky_reaction |date=20081007045307 }}、[https://wayback.archive-it.org/all/20080119231534/http://staff.science.nus.edu.sg/~parwani/c1/node65.html]、[https://web.archive.org/web/20121231011212/http://online.redwoods.cc.ca.us/instruct/darnold/deproj/Sp98/Gabe/]、[https://web.archive.org/web/20050213233704/http://ed.augie.edu/~awaspaas/inorg/bz.pdf]、[http://www.edu365.cat/aulanet/comsoc/treballsrecerca/treballs_03_04/treb_publicats/Oscillating%20reactions/bz_exp.pdf 反应机理]{{dead link|date=2017年11月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}，图片：[http://www.chem.leeds.ac.uk/chaos/pic_gal.html]{{Wayback|url=http://www.chem.leeds.ac.uk/chaos/pic_gal.html |date=20081025022312 }}，视频：[http://youtube.com/watch?v=g3JbDybzYqk&feature=related]{{Wayback|url=http://youtube.com/watch?v=g3JbDybzYqk&feature=related |date=20120823084104 }}
* B-Z振荡反应实验：[http://swuhx.cqdowell.com/files.video/video/20080517174328-B-Z振荡反应.pdf]{{Wayback|url=http://swuhx.cqdowell.com/files.video/video/20080517174328-B-Z%E6%8C%AF%E8%8D%A1%E5%8F%8D%E5%BA%94.pdf |date=20190603171217 }}、[https://web.archive.org/web/20111020145105/http://public.whut.edu.cn/wlhxyd/index/main.files/xiti/syyx/exp18.html]、[http://211.64.32.2/dzxyhxx/xsys/wuhua/wuji.files/jiaoan/15.doc]{{dead link|date=2017年11月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}{{zh icon}}

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[[Category:化学反应]]
[[Category:化学动力学]]
[[Category:非平衡态热力學]]