Una reacción de Belousov-Zhabotinsky , o reacción BZ , pertenece a una clase de reacciones que sirven como ejemplo clásico de termodinámica de no equilibrio , lo que da como resultado el establecimiento de un oscilador químico no lineal [ se necesita desambiguación ] . El único elemento común en estos osciladores es la inclusión de bromo y un ácido. Las reacciones son importantes para la química teórica porque muestran que las reacciones químicas no tienen por qué estar dominadas por el comportamiento termodinámico de equilibrio . Estas reacciones están lejos del equilibrio y permanecen así durante un período de tiempo significativo y evolucionan de manera caótica . [1] En este sentido, proporcionan un interesante modelo químico de fenómenos biológicos de desequilibrio [2] ; como tales, los modelos matemáticos y las simulaciones de las reacciones BZ en sí son de interés teórico, ya que muestran el fenómeno como un orden inducido por el ruido . [3]
Un aspecto esencial de la reacción BZ es la llamada "excitabilidad"; Bajo la influencia de estímulos, se desarrollan patrones en lo que de otro modo sería un medio perfectamente inactivo. Algunas reacciones de reloj, como Briggs-Rauscher y BZ, que utilizan cloruro de tris (bipiridina) rutenio (II) como catalizador, pueden excitarse hacia una actividad autoorganizada mediante la influencia de la luz.
El descubrimiento del fenómeno se atribuye a Boris Belousov . En 1951, mientras intentaba encontrar el análogo no orgánico del ciclo de Krebs , observó que en una mezcla de bromato de potasio , sulfato de cerio (IV) , ácido malónico y ácido cítrico en ácido sulfúrico diluido , la proporción de concentración del Los iones cerio (IV) y cerio (III) oscilaron, lo que provocó que el color de la solución oscilara entre una solución amarilla y una solución incolora. Esto se debe a que el ácido malónico reduce los iones cerio (IV) a iones cerio (III), que luego se oxidan nuevamente a iones cerio (IV) mediante iones bromato (V).
Belousov hizo dos intentos de publicar su hallazgo, pero fue rechazado porque no podía explicar sus resultados a satisfacción de los editores de las revistas a las que los envió. [4] El bioquímico soviético Simon El'evich Shnoll animó a Belousov a continuar sus esfuerzos para publicar sus resultados. En 1959, su trabajo finalmente se publicó en una revista menos respetable y sin reseñas. [5]
Después de la publicación de Belousov, Shnoll entregó el proyecto en 1961 a un estudiante de posgrado, Anatol Zhabotinsky , quien investigó la secuencia de reacción en detalle; [6] sin embargo, los resultados del trabajo de estos hombres todavía no fueron ampliamente difundidos y no se conocieron en Occidente hasta una conferencia en Praga en 1968.
Varios cócteles BZ están disponibles en la literatura química y en la web. La ferroína , un complejo de fenantrolina y hierro , es un indicador común . Estas reacciones, si se llevan a cabo en placas de Petri , dan lugar en primer lugar a la formación de manchas coloreadas. Estos puntos crecen hasta convertirse en una serie de anillos concéntricos en expansión o quizás en espirales en expansión similares a los patrones generados por un autómata celular cíclico . Los colores desaparecen si se agita la vajilla y luego reaparecen. Las ondas continúan hasta que se consumen los reactivos. La reacción también se puede realizar en un vaso de precipitados utilizando un agitador magnético .
Andrew Adamatzky , [7] un científico informático de la Universidad del Oeste de Inglaterra , informó sobre las puertas lógicas líquidas que utilizan la reacción BZ. [8] La reacción BZ también ha sido utilizada por Juan Pérez-Mercader y su grupo en la Universidad de Harvard para crear una máquina de Turing completamente química, capaz de reconocer un lenguaje Chomsky tipo 1 . [9]
Patrones espirales oscilatorios sorprendentemente similares aparecen en otras partes de la naturaleza, en escalas espaciales y temporales muy diferentes, por ejemplo el patrón de crecimiento de Dictyostelium discoideum , una colonia de amebas que habita en el suelo. [10] En la reacción BZ, el tamaño de los elementos que interactúan es molecular y la escala de tiempo de la reacción es de minutos. En el caso de la ameba del suelo, el tamaño de los elementos es típico de organismos unicelulares y los tiempos involucrados son del orden de días a años.
Los investigadores también están explorando la creación de una "computadora húmeda" , utilizando "células" autocreadas y otras técnicas para imitar ciertas propiedades de las neuronas . [11]
El mecanismo de esta reacción es muy complejo y se cree que implica alrededor de 18 pasos diferentes que han sido objeto de varios artículos de investigación. [12] [13]
De manera similar a la reacción de Briggs-Rauscher , ocurren dos procesos clave (ambos autocatalíticos ); El proceso A genera bromo molecular, dando el color rojo, y el proceso B consume el bromo para dar iones bromuro. [14] Teóricamente, la reacción se asemeja al patrón de Turing ideal , un sistema que surge cualitativamente de resolver las ecuaciones de difusión de reacción para una reacción que genera tanto un inhibidor de reacción como un promotor de reacción, de los cuales los dos se difunden a través del medio a diferentes velocidades. [15]
Una de las variaciones más comunes de esta reacción utiliza ácido malónico (CH 2 (CO 2 H) 2 ) como ácido y bromato de potasio (KBrO 3 ) como fuente de bromo. La ecuación general es: [14]
Existen muchas variantes de la reacción. El único químico clave es el oxidante bromato. El ion catalizador suele ser cerio, pero también puede ser manganeso o complejos de hierro, rutenio, cobalto, cobre, cromo, plata, níquel y osmio. Se pueden utilizar muchos reductores diferentes. (Zhabotinsky, 1964b; Field y Burger, 1985) [16]
Se pueden observar muchos patrones diferentes cuando la reacción se realiza en una microemulsión .
