Una reacción de Belousov–Zhabotinsky , o reacción BZ , es una de una clase de reacciones que sirven como un ejemplo clásico de termodinámica de no equilibrio , lo que resulta en el establecimiento de un oscilador químico no lineal . 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 que 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 caóticamente . [1] En este sentido, proporcionan un modelo químico interesante de los fenómenos biológicos de no equilibrio [2] ; como tal, los modelos matemáticos y las simulaciones de las reacciones BZ en sí mismas son de interés teórico, mostrando el fenómeno como un orden inducido por ruido . [3]
Un aspecto esencial de la reacción BZ es su denominada "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 ser excitadas hasta alcanzar 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 relación de concentración de los iones de cerio (IV) y cerio (III) oscilaba, lo que hacía que el color de la solución oscilara entre una solución amarilla y una solución incolora. Esto se debe a que los iones de cerio (IV) se reducen por el ácido malónico a iones de cerio (III), que luego se oxidan de nuevo a iones de cerio (IV) por los iones de bromato (V).
Belousov intentó publicar sus hallazgos en dos ocasiones, pero fue rechazado por no poder explicarlos a satisfacción de los editores de las revistas a las que los presentó. [4] El bioquímico soviético Simon El'evich Shnoll alentó a Belousov a continuar con sus esfuerzos para publicar sus resultados. En 1959, su trabajo finalmente fue publicado en una revista menos respetable y sin reseñas científicas. [5]
Después de la publicación de Belousov, Shnoll le dio 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 se difundieron ampliamente y no se conocieron en Occidente hasta una conferencia en Praga en 1968.
En la literatura química y en la web se encuentran disponibles varios cócteles de BZ. La ferroína , un complejo de fenantrolina y hierro , es un indicador común . Estas reacciones, si se llevan a cabo en placas de Petri , dan como resultado la formación de manchas de color, que se transforman en una serie de anillos concéntricos en expansión o quizás espirales en expansión similares a los patrones generados por un autómata celular cíclico . Los colores desaparecen si se agitan las placas 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 puertas lógicas líquidas utilizando 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 de tipo 1 de Chomsky . [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 los 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 numerosos 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, lo que da 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 al resolver las ecuaciones de difusión de la reacción para una reacción que genera tanto un inhibidor de la reacción como un promotor de la reacción, de los cuales los dos se difunden a través del medio a diferentes velocidades. [15]
Una de las variantes más comunes de esta reacción utiliza ácido malónico (CH2 ( CO2H ) 2 ) como ácido y bromato de potasio (KBrO3 ) como fuente de bromo. La ecuación general es: [14]
Existen muchas variantes de la reacción. El único componente 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 ejecuta en una microemulsión .
