化學(xué)振蕩反應(yīng)

我們所熟悉的化學(xué)反應(yīng)一般總是反應(yīng)物的濃度隨時(shí)間的增加下降，產(chǎn)物的濃度隨時(shí)間的增加而上升。但是，在有些化學(xué)反應(yīng)體系中，某些物質(zhì)的濃度隨時(shí)間的增加發(fā)生周期性的變化，這類反應(yīng)稱為化學(xué)振蕩反應(yīng)。由于它類似于鐘表的周期性，所以又稱它為化學(xué)鐘，以示它與生物鐘的密切關(guān)系。

化學(xué)體系振蕩現(xiàn)象的描述可追溯到很早以前。阿·斯·菲克尼爾發(fā)現(xiàn)了化學(xué)電池能發(fā)生振蕩電流；1832年洛森希爾德發(fā)現(xiàn)放在玻璃瓶?jī)?nèi)水中的黃磷周期性地放光，這種周期性放光依賴于瓶塞漏氣的情況；1896年李塞根發(fā)現(xiàn)著名的李塞根環(huán)（空間振蕩）；1899年，奧斯特瓦爾德指出：鐵絲溶解在硝酸溶液中會(huì)產(chǎn)生類似神經(jīng)興奮的現(xiàn)象，因此有“鐵神經(jīng)”之說(shuō)；1903年布內(nèi)迪胥和威馬依爾指出：雙氧水在金屬汞表面上的分解反應(yīng)有類似心臟跳動(dòng)的現(xiàn)象存在，因此有“汞心臟”之說(shuō)。這些大多為多相反應(yīng)中的振蕩現(xiàn)象。這里再介紹一個(gè)化學(xué)振蕩反應(yīng)的例子：

在一個(gè)裝有攪拌裝置的燒杯中，首先將丙二酸和硝酸鈰銨搿于硝酸中。開(kāi)始溶液呈黃色，幾分鐘后變清。在溶液變清之后加入溴化鈉，溶液的顏色就會(huì)在黃色和無(wú)色之間振蕩，振蕩周期約為1分鐘。如果另外加入幾毫升亞鐵靈試劑，則溶液的顏色會(huì)在紅色和藍(lán)色之間振蕩，可持續(xù)1小時(shí)左右。

在振蕩反應(yīng)研究發(fā)展的同時(shí)，科學(xué)家對(duì)振蕩反應(yīng)的機(jī)理也進(jìn)行了探索。美國(guó)生態(tài)學(xué)家洛特卡和意大利數(shù)學(xué)家沃爾特拉，最初為模擬生態(tài)現(xiàn)象而提出了動(dòng)力學(xué)模型，自然界有些動(dòng)物的數(shù)量并不總是單調(diào)地變化，而是隨著時(shí)間振蕩。

例如，在亞德利亞海中有兩種魚(yú)類常常交替出現(xiàn)。如果將X和Y看作這兩種魚(yú)類，A是某種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，則上述模型可代表魚(yú)X吃了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)A而增殖，魚(yú)Y吃了魚(yú)X而增殖，同時(shí)魚(yú)Y會(huì)自然死亡變成Z。此模型也可以模擬其他生態(tài)過(guò)程，假如A是草，X是鹿，Y是狼，而Z是死狼（肥料）。鹿吃草而生鹿，狼吃鹿又生狼，同時(shí)狼還會(huì)死。這樣的例子不勝枚舉。

振蕩現(xiàn)象在生物化學(xué)中的例子也很多，如動(dòng)物心臟有節(jié)律地跳動(dòng)，在新陳代謝過(guò)程中占重要地位的糖酵解反應(yīng)，許多中間化合物和酶的濃度是隨時(shí)間而呈周期性變化的，所謂的生物鐘也是生物振蕩現(xiàn)象。生物的有序不僅表現(xiàn)在時(shí)間上，也表現(xiàn)在空間特性上，例如許多樹(shù)葉的形狀、蝴蝶翅膀上的花紋，動(dòng)物皮毛都呈現(xiàn)出很漂亮的規(guī)則圖案。

經(jīng)過(guò)科學(xué)家的不懈努力，現(xiàn)已基本探索清楚一個(gè)化學(xué)振蕩反應(yīng)應(yīng)該具備四個(gè)條件：

（1）開(kāi)放體系。為了獲得持續(xù)的恒定周期和振幅的振蕩反應(yīng)，環(huán)境必須以一定的速度向體系供應(yīng)某些物質(zhì)和能量。

（2）遠(yuǎn)離平衡態(tài)。只有遠(yuǎn)離平衡態(tài)時(shí)才可能出現(xiàn)時(shí)空有序的自組織現(xiàn)象即振蕩反應(yīng)。

（3）有反饋存在。在整個(gè)振蕩反應(yīng)的反應(yīng)序列中，至少有一步的產(chǎn)物對(duì)它本身或前面某步反應(yīng)物的生成速度產(chǎn)生加速或抑制的影響。

（4）雙穩(wěn)態(tài)。也就是說(shuō)，在所謂約束的一組相同的外部條件下，該體系能夠在兩種不同的穩(wěn)定態(tài)中存在或它具有多重定態(tài)。因此，與多重定態(tài)相聯(lián)系的滯后現(xiàn)象，往往成為化學(xué)振蕩反應(yīng)體系具備的性質(zhì)。

還有與振蕩反應(yīng)有密切關(guān)系的另一類現(xiàn)象，即所謂“混沌”現(xiàn)象。所謂“化學(xué)混沌”是指在化學(xué)反應(yīng)中各種物質(zhì)濃度既不達(dá)到穩(wěn)定值也不作周期性振蕩，而是以似乎隨機(jī)的方式作增減變化。這種“混沌”行為的存在和振蕩反應(yīng)的事實(shí)一樣，在化學(xué)界也引起了很大的爭(zhēng)論。數(shù)學(xué)家們對(duì)它也很感興趣。如果“化學(xué)混沌”是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的真正屬性的話，則它們可能是數(shù)學(xué)研究上稱之為奇異吸引的實(shí)例。

化學(xué)振蕩反應(yīng)廣泛存在于化學(xué)工業(yè)、釀造工業(yè)、石油化學(xué)工業(yè)和生化反應(yīng)體系中。這類反應(yīng)在理論上有重要意義，在實(shí)踐上有廣泛應(yīng)用前景，是值得不斷探索的領(lǐng)域。