Oscilatii Chimice [PDF]

Zitiervorschau

OSCILAȚII

Marinescu Alexia, Calitoiu Iarina Colegiul Național de Informatica „Tudor Vianu” Bucuresti Fiind inspirate de Marie Curie, singura savantă dublu laureată a Premiului Nobel, atât în domeniul chimiei, cât și în domeniul fizicii, ne-am dorit să îmbinăm armonios studiul celor două ramuri în lucrarea noastră. Așadar, am decis să ne concentrăm conținutul lucrării asupra oscilațiilor chimice, care, în cadrul unei reacții chimice oscilante, sunt determinate de scăderea energiei libere a amestecului. Scăderea energiei este cea care produce totalitatea reacțiilor chimice, însă nu toate reacțiile chimice prezintă oscilații. Sunt necesare caracteristici specifice reacțiilor oscilante pentru a le permite să aibă un astfel de comportament neobișnuit. Aceste caracteristici apar în mecanismele lor de reacție. Calea pe care o reacție o urmează, determină modul în care concentrațiile componentelor sale se modifică. Cu cât calea reacției este mai complexă, cu atât modificările concentrațiilor sunt mai complexe. Analizând mai atent mecanismele de reacție ale tuturor substanțelor chimice oscilante, putem trage anumite concluzii, cum ar fi: - În timp ce au loc oscilațiile, amestecul chimic este departe de echilibru, deci are loc o reacție cu eliberare de energie liberă, numită reacție exergonică. - Reacția exergonică poate urma, în continuare, cel puțin două căi diferite, reacția trecând periodic de la o cale la alta. - Una dintre aceste căi produce un anumit intermediar, dar cealaltă îl consumă. Concentrația acestui intermediar funcționează ca un ,,declanșator” pentru trecerea de la o cale la cealaltă. Atunci când intermediarul are concentrația scăzută, echilibrul reacției se deplasează spre produșii de reacție, rezultând o concentrație destul de ridicată a intermediarului. În caz contrar, când intermediarul are concentrația ridicată, echilibrul chimic se deplasează spre reactanți, iar concentrația intermediarului scade, în final, aceasta ajungând la echilibru. În opinia noastră, reacțiile oscilante sunt captivante, reprezentând atât un mister, cât și o provocare. Într-un tip de reacție, un amestec de substanțe chimice trece printr-o secvență de schimbări de culoare, repetată periodic. În altul, amestecul emite repetitiv o explozie de gaz, formând spumă. Pentru a exemplifica concret aceste afirmații, vom studia reacția Belousov-Zhabotinsky. Această reacție a fost descoperită în 1951 de biofizicianul Boris Belousov, dar, deoarece chimiștii acelor vremuri respingeau ideea oscilațiilor chimice, din cauza unor concepții greșite asupra legii a doua a termodinamicii, nu au fost de acord cu publicarea invenției. Ei considerau că toate concentrațiile

chimice se deplasează direct spre echilibru, fără a forma intermediari. Totuși, un deceniu mai târziu, Anatol Zhabotinsky a reprodus teoria și i-a convins pe oamenii de știință să accepte ideea de chimie oscilantă. În 1972, mecanismul reacției BZ, cunoscut și sub numele de FKN, a fost publicat, dar, din cauza ecuațiilor prea complexe, s-a adoptat utilizarea modelului ,,Oregonator”. Deși experimentul a fost studiat în cazul unei soluții bine agitate, mult mai interesantă este observarea formării modelelor într-o soluție neagitată. Astfel, concentrațiile intermediarilor se propagă spre exterior, prin difuziune, formându-se o reacție periodică în care se pot observa inele concentrice, dacă reacția este făcută într-un vas Petri. Într-o primă reacție rapidă, bromura reduce bromatul. Odată ce concentrația bromurii scade, acidul bromos preia controlul asupra reducerii bromatului, printr-o reacție autocatalitică, formându-se mai mult acid bromos. Acest lucru se observă prin transformarea acidului bromos în acid hipobromos și bromat. Între timp, se adaugă acidul malonic care reduce bromul în bromură, restabilindu-se concentrația inițială. Cum am spus mai devreme, reacția BZ provine din mecanismul FKN:

MA, tradus din engleză, este AM (acid malonic). În continuare, vă vom prezenta modul de lucru pentru realizarea experimentului. Reactanții sunt combinați într-un pahar Berzelius, în care se adaugă bromură peste bromat, producându-se brom, care îngălbenește soluția. Apoi se pune acid malonic, care elimină încet bromul. Când soluția devine limpede din nou, se pune o picătură de 0,1% Triton X-100, pentru a facilita răspândirea soluției în vasul Petri. La sfârșit, se adaugă feroină (lichid roșu) și se amestecă. Astfel, se

va produce o oscilație în care soluția devine de culoare albastru deschis (oxidare), apoi revine la culoarea inițială de roșu închis (reducere). După ce soluția a fost turnată în vasul Petri, se amestecă din nou pentru a avea o soluție omogena. Următorul pas este de a pune capătul pozitiv (sârma de argint) al unei baterii în centrul vasului timp de 1-2 secunde. Prin ionizarea argintului, se reduce bromatul și începe declanșarea reacției. Când sârma este îndepărtată, apare un mic punct albastru, care se propaga spre exterior. Datorită concentrațiilor inițiale, oscilațiile continuă în punctele de nucleare, creând modelele prevăzute. Fiindcă este atât de aproape de un regim oscilator, reacția poate nuclea spontan, mai ales in porțiunile de neomogenitate, cum ar fi marginile vasului. Din această cauză, se declanșează unde circulare, care se produc pe margini, apoi progresează spre interior, în mod contrar modelului prevăzut. O modalitate de a reduce probabilitatea acestui lucru este de a scădea concentrația acidului malonic, diluându-l în 0,3 M acid sulfuric. Pe lângă spectaculozitatea reacției, oscilațiile chimice au diverse aplicații practice în biologie. Un bun exemplu este nodulul sinoatrial Keith-Flack, stimulator cardiac, care provoacă unde de declanșare de natură electrică și se propagă în același mod ca undele de declanșare BZ. Acesta se află în peretele atriului drept, la locul de vărsare al venei cave superioare. În cazul extirpării chirurgicale sau termocauterizării nodulului sinoatrial, contracțiile inimii continuă, fiind întreținute de focarul secundar de automatism, nodulul atrioventricular. Ritmicitatea sau funcția cronotropă constă în elaborarea excitațiilor în nodulul sinoatrial, efectul explicându-se prin depolarizarea spontană diastolică. Un alt exemplu îl reprezintă AMP-ul ciclic din mucegaiul de tip slime Dictiostelium discoideum, care creează modele spiralate aproape identice cu cele ale reacției discutate. De asemenea, s-a descoperit că virușii ARN, mai puțin retrovirușii, au proprietatea de a se autoreplica. Epstein-Barr (EBV) este primul virus tumoral identificat la om și este asociat limfoamelor și celulelor epiteliale canceroase. Din cauza funcțiilor pro-proliferative și anti-apoptotice ale acestor oncogene, virusul persistă la om, însă, cu toate acestea, studiile arată că transformarea celulară nu este necesară întreținerii virusului, ci, de fapt, replicarea litică a EBV distruge celulele infectate și, în consecință, inhibă tumorigeneza. Așadar, putem trage concluzia că antigenele EBV litice timpurii și virusurile atenuate, fără oncogene și microARN, pot fi valorificate atât pentru imunoterapii, cât și pentru vaccinuri.

Bibliografie:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Epstein, I. R. and Pojman, J. A., An introduction to nonlinear chemical dynamics: oscillations, waves, patterns, and chaos. Oxford University Press, New York, 1998; Epstein, I. R. and Showalter, K., Nonlinear chemical dynamics: Oscillations, patterns, and chaos, J. Phys. Chem. 100, 13132-47 (1996); 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; Zhabotinsky A. M., A history of chemical oscillations and waves, Chaos 1, 379-86 (1991); Vavilin, V. A., Zhabotinsky, A. M., and Yaguzhinsky, L. S., Dependence of the behaviour of an oscillating chemical reaction on the concentration of the initial reagents I. Oxidation of malonic acid, in Frank, G. M., Ed., Oscillating processes in biological and chemical systems, Science, Moscow, 1967; Field, R. J. and Burger, M., Eds, Oscillations and traveling waves in chemical systems. Wiley, New York, 1985; ***http://www.scholarpedia.org/article/Belousov-Zhabotinski_reaction; ***https://www.nationalgeographic.com/science/article/uncovering-lifes-operating-code.