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化学において、化学振動子とは、一つまたは複数の成分の濃度が周期的に変化する、反応する化学物質の複雑な混合物のことである。これらは、非平衡熱力学の例として、平衡から大きく外れた挙動を示す反応群である。これらの反応は、化学反応が必ずしも平衡熱力学的挙動に支配されるわけではないことを示す点で、理論的に重要である。
試薬の1つが目に見える色を持つ場合、周期的な色の変化が観察される。振動反応の例としては、ベロウソフ・ジャボチンスキー反応（BZ反応）、ブリッグス・ラウシャー反応、ブレイ・リープハフスキー反応などが挙げられる。
このような反応が振動するという初期の科学的証拠は、極めて懐疑的に受け止められた。1828年、GT フェヒナーは化学系における振動に関する報告を発表した。彼は振動電流を生成する電気化学セルについて説明した。1899年、W. オストワルドは、酸中のクロムの溶解速度が周期的に増加および減少することを観察した。これらのシステムはどちらも不均一であり、当時、そして前世紀の大部分を通して、均一な振動システムは存在しないと考えられていた。理論的な議論は1910年頃に遡るが、振動する化学反応およびより広範な非線形化学ダイナミクスの体系的な研究が確立されたのは1970年代半ばになってからである。[ 1 ]
化学系は最終平衡位置を中心に振動することはできません。なぜなら、そのような振動は熱力学第二法則に違反するからです。平衡状態にない熱力学系の場合、この法則は系が平衡に近づき、平衡から遠ざからないことを要求します。一定の温度と圧力の閉鎖系の場合、熱力学的要件はギブズ自由エネルギーが連続的に減少し、振動しないことです。ただし、一部の反応中間体の濃度が振動したり、生成物の生成速度が振動したりすることはあり得ます。[ 2 ]
振動反応の理論モデルは、化学者、物理学者、数学者によって研究されてきた。振動系では、エネルギー放出反応は少なくとも2つの異なる経路をたどることができ、反応は周期的に一方の経路から他方の経路へと切り替わる。これらの経路のうち1つは特定の中間体を生成し、もう1つの経路はそれを消費する。この中間体の濃度が経路の切り替えを引き起こす。中間体の濃度が低い場合、反応は生成経路をたどり、その結果、中間体の濃度は比較的高くなる。中間体の濃度が高い場合、反応は消費経路へと切り替わる。
この種の反応については、ロトカ・ボルテラモデル、ブリュッセレーター、オレゴネーターなど、さまざまな理論モデルが作成されています。後者はベロウソフ・ジャボチンスキー反応をシミュレートするために設計されました。[ 3 ]
ベロウソフ・ジャボチンスキー反応は、臭素と酸を含むという共通要素を持つ、いくつかの振動化学系の一つです。BZ反応の重要な側面は、いわゆる「励起性」です。刺激の影響下で、本来は完全に静止しているはずの媒体にパターンが現れます。ブリッグス・ラウシャー反応や、ルテニウムビピリジルを触媒として用いるBZ反応などのクロック反応の中には、光の影響によって自己組織化活性へと励起されるものがあります。
ボリス・ベロウソフは1950年代のある時期に、希硫酸中の臭素酸カリウム、硫酸セリウム(IV)、プロパン二酸（マロン酸の別名）、クエン酸の混合物において、セリウム(IV)イオンとセリウム(III)イオンの濃度比が振動し、その結果、溶液の色が黄色と無色の間で振動することを初めて指摘した。これは、セリウム(IV)イオンがプロパン二酸によってセリウム(III)イオンに還元され、その後、臭素酸(V)イオンによって再びセリウム(IV)イオンに酸化されるためである。
ブリッグス・ラウシャー振動反応は、その視覚的に印象的な色の変化のため、特にデモンストレーションに適しています。調製直後の無色の溶液はゆっくりと琥珀色に変化し、突然濃い青色に変わります。その後、徐々に無色に戻り、このプロセスが最も一般的な処方では約10回繰り返されます。
ブレイ・リープハフスキー反応は、1921年にWCブレイによって初めて記述された化学時計であり、ヨウ素のヨウ素酸塩への酸化反応である。
そしてヨウ素酸塩をヨウ素に還元する反応：