Reazioni Oscillanti

LE REAZIONI OSCILLANTI

RABAB MEKKAOUI

INTRODUZIONE

STORIA

INDEX

CONDIZIONI CINETICHE

interactive question

CONDIZIONE TERMODINAMICHE

SISTEMI BIOLOGICI

INTRODUZIONE

Le reazioni oscillanti sono fenomeni chimici in cui le concentrazioni di reagenti e prodotti variano periodicamente, con possibilità di comportamento caotico. Possono verificarsi sia in sistemi omogenei che eterogenei, con reazioni che avvengono anche sulla superficie di fasi solide. Questi processi sono significativi a livello teorico e pratico, con applicazioni nell'industria e nella biochimica. In ambito biologico, le reazioni oscillanti svolgono ruoli cruciali nella regolazione di impulsi elettrici associati a processi fisiologici periodici, come il ritmo cardiaco e l'attività cerebrale.

Una reazione si dice oscillante se la concentrazione di uno o piùintermedinon varia in modo monotono, ma passa attraverso valori massimi e minimi. Fonte: PAC, 1996, 68 , 149. ( Un glossario dei termini utilizzati nella cinetica chimica, inclusa la dinamica delle reazioni (Raccomandazioni IUPAC 1996) ) a pagina 176

STORIA

IInizialmente, l'interesse per le reazioni oscillanti si concentrò su sistemi omogenei, nonostante fossero già state identificate reazioni simili in fase eterogenea. Gustav Theodor Fechner pubblicò il primo resoconto di tali reazioni nel 1828. Nel 1833, l'astronomo John Herschel scoprì reazioni periodiche legate al dissolvimento del ferro in acido nitrico. Le reazioni oscillanti sono comuni in elettrochimica, come riportato da Christian Friedrich Schönbein nel 1842 e James Prescott Joule nel 1844. Nel 1921, William C. Bray descrisse la decomposizione catalitica del perossido di idrogeno in presenza di iodato in ambiente acido, notando variazioni periodiche delle concentrazioni. Inizialmente poco notato, successivamente si scoprì che la periodicità osservata derivava dalla presenza di impurezze solide, dove aveva luogo la reazione. In quei tempi, si pensava che queste condizioni fossero necessarie per avere un sistema chimico oscillante.

STORIA

Alfred James Lotka contribuì allo studio teorico delle reazioni oscillanti, applicando le sue competenze matematiche per sviluppare un modello autocatalitico. Egli adattò anche la dinamica delle popolazioni a sistemi chimici periodici, utilizzando le equazioni di Lotka-Volterra e introducendo il concetto del "ciclo del maiale". Nel 1958, Boris Belousov propose una serie di meccanismi di reazione in un sistema omogeneo basato su cerio (IV), bromato (BrO3-) e acido malonico. Anche se le sue teorie all'epoca non ottennero ampio consenso, Anatol Zhabotinsky riprese il suo lavoro nel 1964, confermando la validità delle sue ricerche e formulando la reazione di Belousov-Zhabotinsky. Nel 1972, Richard J. Field, Endre Körös e Richard M. Noyes presentarono un meccanismo complesso (meccanismo FKN) per la reazione di Belousov-Zhabotinsky, evidenziando dettagliatamente la natura e i processi legati a una reazione oscillante.

CONDIZIONI CINETICHE E DINAMICHE

Condizioni Termodinamiche:

1. Energia libera di Gibbs: Le reazioni oscillanti possono verificarsi quando il sistema attraversa variazioni nella sua energia libera di Gibbs. Questo può essere influenzato da cambiamenti di temperatura, pressione e concentrazione.
2. Equilibrio dinamico: Le reazioni oscillanti possono sorgere quando un sistema si trova in uno stato di equilibrio dinamico, in cui le reazioni avvengono contemporaneamente in entrambe le direzioni. Questo equilibrio dinamico può essere influenzato dalla cinetica della reazione e dalla termodinamica.
3. Sensibilità alle condizioni iniziali: Le reazioni oscillanti possono essere sensibili alle condizioni iniziali del sistema. Piccole variazioni nelle concentrazioni iniziali o nelle condizioni del sistema possono portare a comportamenti oscillanti anziché a una stabilità monotona.

Condizioni Cinetiche:

1. Auto-catalisi: Molte reazioni oscillanti coinvolgono fenomeni di auto-catalisi, in cui uno dei prodotti catalizza la propria formazione. Questo può contribuire a cicli di produzione e decadimento dei reagenti e dei prodotti.
2. Feedback negativo e positivo: L'esistenza di feedback negativo e positivo può giocare un ruolo chiave nelle oscillazioni. Il feedback negativo tende a ridurre l'effetto delle variazioni, mentre il feedback positivo amplifica le variazioni.
3. Complessità del meccanismo: Le reazioni oscillanti spesso coinvolgono meccanismi complessi con diverse fasi e intermedi. La presenza di cicli catalitici e retroazioni può portare a oscillazioni nel sistema.

Le reazioni oscillanti coinvolgono variazioni periodiche nelle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti. Per comprendere queste reazioni, è utile esaminare sia le condizioni cinetiche che le condizioni termodinamiche coinvolte.

SISTEMI BIOLOGICI

Le reazioni oscillanti sono presenti anche in numerosi sistemi biologici, contribuendo a regolare processi chiave. Ecco alcuni esempi: 1. Oscillazioni del Ciclo Cellulare: - Nel ciclo cellulare delle cellule eucariotiche, si verificano oscillazioni regolate di attività enzimatica e concentrazioni di proteine coinvolte nella progressione attraverso le fasi del ciclo, come la fase G1, la fase S (sintesi del DNA), la fase G2 e la mitosi. Queste oscillazioni sono fondamentali per il controllo accurato della divisione cellulare. 2. Oscillazioni dei Livelli Ormonali: - Nei sistemi endocrini, si osservano oscillazioni periodiche nei livelli di ormoni. Ad esempio, l'ormone luteinizzante (LH) e l'ormone follicolo-stimolante (FSH) mostrano cicli di rilascio durante il ciclo mestruale nelle donne. Queste oscillazioni ormonali regolano la riproduzione e altri processi fisiologici. 4. Oscillazioni dell'Oscillatore di Belousov-Zhabotinsky - L'oscillatore di Belousov-Zhabotinsky, una reazione chimica che mostra oscillazioni, è stato studiato anche in contesti biologici. Questo tipo di reazione può essere utilizzato per modellare processi biochimici, come la regolazione del ritmo cardiaco.

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3. Attività Neuronale: - Nei sistemi nervosi, le reti neurali possono generare oscillazioni. Ad esempio, le onde cerebrali come le onde alfa, beta, delta e theta nel cervello mostrano attività oscillante associata a diversi stati di coscienza e funzioni cognitive.

5. Ritmi Circadiani: - I ritmi circadiani regolano il ciclo sonno-veglia e molti altri processi fisiologici negli organismi viventi. Questi ritmi sono spesso guidati da oscillazioni nei livelli di specifiche proteine orologio, che controllano l'espressione genica in modo ciclico.