1 Einleitung

1.1 Was sind oszillierende Reaktionen ?

Chemische Reaktionen können in unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen. So gibt es etwa sehr schnelle Vorgänge, wie Explosionen oder über längere Zeit verzögert ablaufende Reaktion, wie die Landoldt’sche Zeitreaktion [Schunk 1998]. Aber all diese Reaktionen gehen kontinuierlich von einem Ausgangszustand in einen Endzustand über. Oszillierende Reaktionen ändern ihren Zustand hingegen rhythmisch, während sie ablaufen, was man zum Beispiel an einem periodischen Farbwechsel erkennen kann. Die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion war das erste homogene oszillierende System, das genauer untersucht wurde. Es wurde eher zufällig von dem Russen Boris Pavlovich Belousov entdeckt, worauf im nächsten Abschnitt (1.2) eingegangen wird. Seitdem wurden viele weitere Beispiele für oszillierendes Verhalten in chemischen Systemen gefunden. Dazu zählen etwa Chlorit-Oszillatoren [Baird 1997], oder oszillatorisch ablaufende Oxidationen (z.B. von Kohlenmonoxid, oder Wasserstoff) auf Platin-Aluminium-Katalysatoren [Franck 1978]. Diese Facharbeit soll das Thema anhand der sehr gut erforschten, auf der Bromierung von Malonsäure basierenden Belousov-Zhabotinsky-Reaktion behandeln. Im zweiten Teil, der sich mit mathematischen Modellen für diese Gruppe von Reaktionen befasst, wird allgemeiner auf die gemeinsame Grundlage solcher oszillierender Systeme eingegangen. Zunächst wird im ersten Teil dieser Arbeit der Chemismus der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion erklärt und von mir durchgeführte Versuche und deren Ergebnisse beschrieben.

1.2 Zur Geschichte oszillierender chemischer Systeme

Diese Einleitung stützt sich vor allem auf die folgenden beiden Veröffentlichungen: [Franck 1978] und [Kuhnert, Niedersen 1999, Seiten 10 - 47]. Bereits Anfang des 19. Jahrhunderts wurden oszillierende chemische Systeme gefunden und beschrieben. So berichtete Fechner bereits 1828 über oszillierende Elektrodenprozesse. 1899 und 1900 legte dann Ostwald eine genauere Untersuchung von Spannungs- und Korrosionsoszillationen an Chrom in Salzsäure und Eisen in Salpetersäure vor. Jedoch handelte es sich bei all diesen Oszillationen um heterogene Reaktionen. So basieren etwa die von Ostwald untersuchten Reaktionen darauf, dass sich an Elektroden (fest/solid) Deckschichten periodisch aus Lösungen heraus bilden und wieder auflösen. Dadurch ergeben sich periodische Schwankungen im Strom, der durch die Elektroden fließt. 1920 beobachtete dann Bray eine Oszillation bei der Umsetzung von Wasserstoffperoxid mit Iodsäure und Iod als Katalysatoren. Man vermutete, dass hier Gasbläschen, oder Staubkörner die Grenzflächen bildeten, da man homogene oszillierende

Systeme für ausgeschlossen hielt. Um 1950 entdeckte Boris Pavlovich Belousov¹ die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion eher zufällig. Er konnte bei der Oxidation von Zitronensäure mit schwefelsaurer Bromatlösumg und Cer-Ionen als Katalysator einen periodisch auftretenden Wechsel der Farbe der Lösung zwischen gelb und farblos beobachten. Da diese Beobachtung aus demselben Grund wie bei Bray als zu unwahrscheinlich erschien, gelang es Belousov erst 1959, einen kurzen Artikel darüber zu veröffentlichen [Belousov 1959]. S. E. Schnoll erkannte die Bedeutung dieser Reaktion und beauftrage A. M. Zhabotinsky² mit der Untersuchung des beschriebenen Phänomens. Langsam zeigten auch nicht-russische Wissenschaftler Interesse an oszillierenden Reaktionen, und eine umfassende Erforschung der mit ihnen zusammenhängenden Phänomene begann. So wurden etwa Raumstrukturen (kreisförmige Muster) entdeckt, die sich in einer dünnen Schicht einer Lösung der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion bilden können (siehe 2.4 und 3.3). 1977 erhiehlt dann Ilya Prigogine (geb. 1917 in Moskau, belgischer Physikochemiker) den Nobelpreis für Chemie für seine bedeutenden Forschungen auf dem Gebiet der Thermodynamik. Er untersuchte weit vom Gleichgewicht entfernte Systeme (sog. dissipative Strukturen), die sowohl in der Chemie (die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion gehöhrt zu dieser Klasse von Vorgängen), als auch in der Physik, der Biologie (z.B. Lotka-Volterra-Modell für Räuber-Beute-Systeme) und der Soziologie vorkommen [Brockhaus 1993]. Nach diesem Nobelpreis wurden 1980 Belousov (posthum), Zhabotinsky und mit ihnen Zaikin, Krinsky und Ivanitzky gemeinsam mit dem Lenin-Preis, der höchsten wissenschaftlichen Auszeichnung der Sowjetunion, geehrt.

¹ Boris Pavlovich Belousov (1883-1970) studierte Chemie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, erlangte aber aus finanziellen Gründen keinen Abschluss. Nach der Oktoberrevolution (1917) kehrte er nach Russland zurück und arbeitete bis 1939 in einer Forschungseinrichtung des Militärs. Danach leitete er ein Labor im Institut für Biophysik des Ministeriums für Gesundheitswesen in Moskau.

² Anatol Markovich Zhabotinsky (geb. 1938 in Moskau), Physiker, ist seit 1980 Professor am Moskauer Physikalisch-Technischen Institut und Leiter des Labors für mathematische Modellierung am Institut für biologische Untersuchung chemischer Verbindungen in Moskau. Zwischen 1962 und 1973 arbeitete er am Institut für Biologische Physik und veröffentlichte dort seine grundlegenden Arbeiten zum Thema Oszilla-tionen und Wellenerscheinungen in chemischen Systemen. Heute arbeitet er an der amerikanischen Brandeis University in der Forschungsgruppe von I. R. Epstein über oszillierende Reaktionen.

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Inhalt -- 2.1 Grundmodell der oszillierenden Reaktionen

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