Міністерство освіти, науки, молоді та спорту
Теоретичний ліцей Петру Мовіле
Кафедра
"Здатність, праця, талант"
Курсова робота з хімії на тему:
"Коливальні хімічні реакції"
Виконала: учениця 12А класу
Болюбаш Ірина
Викладач: Снідченко М.А.
* М. Кишинів 2007 *
Зміст:
1. Введення:
а) Окисно-відновні реакції
б) Коливальні хімічні реакції
2. Історія відкриття коливальних реакцій:
а) Дослідження концентраційних коливань до відкриття
реакції Б. П. Білоусова
3. Теоретична частина:
а) Математична модель А. лотків
б) Вивчення механізму коливальних реакцій
4. Експериментальна частина
5. Висновок
6. Додаток:
а) Рецепти деяких коливальних реакцій
б) Ілюстрації до проробленим дослідам
7. Література
Введення.
Хімія - наука експериментальна. І тому експеримент як метод наукового дослідження давно і міцно займає провідне місце серед методів природничих наук. Експеримент - найважливіший шлях здійснення зв'язку теорії з практикою при навчанні хімії, перетворення знань у переконання. Тому розкриття пізнавального значення кожного досліду - основна вимога до хімічного експерименту.
Під експериментом (від лат. «Experiтeпtuт» - «випробування») розуміють спостереження досліджуваного явища за певних умов, що дозволяють стежити за ходом цього явища і повторювати його при дотриманні цих умов. Хімічний експеримент займає важливе місце в навчанні хімії, так як через спостереження і досліди пізнається різноманіття природи речовин, накопичуються факти для порівнянь, узагальнень, висновків.
Проводячи досліди і спостерігаючи за хімічними перетвореннями в різних умовах, ми переконується, що складними хімічними процесами можна управляти, що в явищах немає нічого таємничого, вони підпорядковуються природним законам, пізнання яких забезпечує можливість широкого використання хімічних перетворень у практичній діяльності людини.
Однак результати деяких хімічних дослідів несподівані і не вписуються у традиційні уявлення про властивості речовин чи закономірності перебігу хімічних реакцій. Такі хімічні перетворення були названі, проблемним експериментом.
Ще в пору античності філософи вважали, що будь-яке пізнання починається з подиву. Подив, викликане новим, веде до розвитку допитливості (чутливості до проблем в навколишньому світі) з подальшим формуванням стійкого інтересу до чого-небудь. Подив і, наступна за нею, тяга до пізнання - ось благодатний грунт для вивчення проблемного експерименту, формування діалектичного та системного мислення, розкриття творчого потенціалу.
Такий же стан може бути викликано яскравим, вражаючим хімічним експериментом (проблемним експериментом). У хімії причинами проблемних експериментів, найчастіше, є окислювально-відновні реакції.
Окислювально-відновні реакції
Існують численні критерії класифікації хімічних реакцій. Один з найважливіших - ознака зміни ступенів окиснення елементів. У залежності від того, змінюються ступені окиснення елементів або зберігаються, хімічні реакції можуть бути розділені на окислювально-відновні і проходять без зміни ступенів окислення.
Реакції, що протікають зі зміною ступенів окиснення елементів (окислювально-відновні), широко відомі. Вони відіграють велику роль в техніці і природі, лежать в основі обміну речовин у живих організмах, з ними пов'язані процеси окислення, гниття, бродіння, фотосинтезу. Процеси окислення (і відновлення) йдуть при згорянні палива, корозії металів, електролізі, з їх допомогою отримують метали, аміак, луги та багато інших цінних продукти. Тому вивчення окислювально-відновних реакцій передбачено шкільними курсами неорганічної та органічної хімії.
Нагадаємо основні положення, пов'язані з концепцією окислювально-відновні реакцій.
Ступінь окислення відповідає заряду, який виник би на атомі даного елемента в хімічній сполуці, якщо припустити, що всі електронні пари, за допомогою яких даний атом пов'язаний з іншими, повністю зміщені до атомів елементів з більшою електронегативністю.
Окислювач - речовину, що містить атоми чи іони, що приймають електрони: X m (Окислювач) + ne - = X (m - n), де m - ступінь окислення елемента у вихідному речовині, n - число електронів.
Відновлювач - речовину, що містить атоми чи іони, що віддають електрони: Y m (Відновник) - ne - = Y (m + n).
Окиснення - процес віддачі електронів атомом, молекулою або іоном, при цьому ступінь окислення елемента підвищується.
Відновлення - процес прийому електронів атомом, молекулою або іоном, при цьому ступінь окислення елемента знижується.
Окислення та відновлення - процеси пов'язані, число електронів, відданих відновником в процес його окислення, завжди дорівнює числу електронів, прийнятих окислювачем в процесі його відновлення.
Коливальні хімічні реакції були відкриті і науково обгрунтовані в 1951 р. радянським вченим Борисом Петровичем Бєлоусовим. Б.П. Бєлоусов вивчав окислення лимонної кислоти при її реакції з бромноватокіслим натрієм в розчині сірчаної кислоти. Для підсилень реакції він додав в розчин солі церію. Церій - метал зі змінною валентністю (3 + або 4 +), тому він може бути каталізатором окислювально-відновних перетворень. Реакція супроводжується виділенням бульбашок СО 2, і тому здається, що вся реакційна суміш «кипить». І ось на тлі цього кипіння Б. П. Білоусов помітив дивну річ: колір розчину періодично змінювався - ставав то жовтим, то безбарвним. Бєлоусов додав в розчин комплекс фенантроліна з двовалентних залізом (ферроін), і колір розчину став періодично змінюватися від лілово-червоного до синього і назад.
Так була відкрита реакція, що стала знаменитою. Зараз вона відома у всьому світі, її називають «реакція Бєлоусова-Жаботинського». А. М. Жаботинський багато зробив для розуміння цього дивного феномена. З тих пір відрито велике число аналогічних реакцій.
Історія відкриття коливальних реакцій.
Відкриття коливальної хімічної реакції І. П. Білоусов зробив при спробі створити просту хімічну модель деяких стадій системи ключових біохімічний перетворень карбонових кислот у клітині. Однак першого повідомлення про його відкриття надруковано не було. Рецензент хімічного журналу засумнівався у принциповій можливості описаної в статті реакції. Більшість хіміків в ті роки вважали, що суто хімічних коливань не буває, хоча існування коливальних реакцій передбачив в 1910 р. А. лотків на основі математичної теорії періодичних процесів.
Друга спроба опублікування результатів дослідження була зроблена вченим у 1957 р., і знову він отримав відмову, незважаючи на виниклі тоді роботи бельгійського фізика і физикохимик І. Р. Пригожина. У цих роботах була показана можливість і ймовірність коливальних хімічних реакцій.
Лише в 1959 р. Був надрукований короткий реферат про відкриття Б. П. Бєлоусовим періодично діючої коливальної хімічної реакції в маловідомому виданні "Збірник рефератів з радіаційної медицини".
А вся справа в тому, що коли Б. П. Білоусов зробив своє відкриття, періодичні зміни концентрації реагентів здавалися порушенням законів термодинаміки. Справді, як може реакція йти то в прямому, то в протилежному напрямках? Неможливо уявити собі, щоб все величезне число молекул в посудині було то в одному, то в іншому стані (то все «сині», то всі «червоні» ...).
Напрямок реакції визначається хімічним (термодинамічним) потенціалом - реакції здійснюються в напрямку більш ймовірних станів, у напрямку зменшення вільної енергії системи. Коли реакція в даному напрямку завершується, це означає, що її потенціал вичерпаний, досягається термодинамічна рівновага, і без витрати енергії, мимоволі, процес у зворотний бік піти не може. А тут ... реакція йде то в одному, то в іншому напрямку.
Проте ніякого порушення законів у цій реакції не було. Відбувалися коливання - періодичні зміни - концентрацій проміжних продуктів, а не вихідних реагентів або кінцевих продуктів. СО 2 не перетворюється в цій реакції в лимонну кислоту, це справді неможливо. Рецензенти не врахували, що поки система далека від рівноваги, в ній цілком можуть відбуватися багато чудові речі. Детальні траєкторії системи від початкового стану до кінцевого можуть бути дуже складними. Лише в останні десятиліття цими проблемами стала займатися термодинаміка систем, далеких від рівноваги. Ця нова наука стала основою нової науки - синергетики (теорія самоорганізації).
Реакцію Білоусова, як зазначено вище, детально вивчив А. М. Жаботинський і його колеги. Вони замінили лимонну кислоту малонової. Окислення малонової кислоти не супроводжується утворенням бульбашок СО 2, тому зміна забарвлення розчину можна без перешкод реєструвати фотоелектричними приладами. Надалі виявилося, що ферроін і без церію служить каталізатором цієї реакції. Б. П. Білоусов вже в перших дослідах помітив ще одна чудова властивість своєї реакції: при припиненні перемішування зміна забарвлення в розчині поширюється хвилями. Це розповсюдження хімічних коливань у просторі стало особливо наочним, коли в 1970 р. А. М. Жаботинський і А. М. Заїкін налили реакційну суміш тонким шаром в чашку Петрі. У чашці утворюються химерні фігури - концентричні кола, спіралі, «вихори», що поширюються зі швидкістю близько 1 мм / хв. Хімічні хвилі мають ряд незвичайних властивостей. Так, при зіткненні вони гасяться і не можуть проходити крізь один одного.
Дослідження концентраційних
коливань до відкриття реакції Б. П. Бєлоусовим
Але як свідчить історія, відкриття Б. П. Білоусова було аж ніяк не першим у світовій науці. Виявилося, що одна з перших публікацій з хімічним коливань відноситься до 1828 р. У ній Т. Фехнер виклав результати дослідження коливань електрохімічної реакції. Найбільш цікава робота М. Розеншельда, що відноситься до 1834 р. Її автор абсолютно випадково помітив, що невелика колба, яка містить трохи фосфору, в темряві випускає досить інтенсивне світло. У самому факті світіння фосфору не було нічого дивного, але те, що це світіння регулярно повторювалося кожну сьому секунду, було цікаво. Сорок років по тому ці експерименти з «мерехтливої колбою» продовжив француз М. Жубер (1874). Йому вдалося в пробірці спостерігати періодичне утворення «світяться хмар». Ще через двадцять років також німецький вчений А. Центнершвер досліджував вплив тиску повітря на періодичні спалахи фосфору. У його експериментах період спалахів починався з 20 с і зменшувався з пониженням тиску.
Особливо яскрава сторінка в історії хімічних коливань пов'язана з так званими кільцями Лізеганга. У 1896 р. німецький хімік Р. Лізеганг, експериментуючи з фотохімікати, виявив, що якщо капнути ляпісом на скляну пластину, покриту желатином, що містить хромпик, то продукт реакції, випадаючи в осад, розташовується на платівці концентричними колами. Лізеганг захопився цим явищем і майже півстоліття займався його дослідженням. Знайшлося і практичне його застосування. У прикладному мистецтві кільця Лізеганга використовували для прикраси різних виробів з імітацією яшми, малахіту, агата і т. п. Сам Лізеганг запропонував технологію виготовлення штучних перлів.
Перелік подібних прикладів можна продовжити. Слідом за зазначеними були відкриті коливальні реакції на межі розділу двох фаз. З них найбільш відомі реакції на межі метал-розчин, що отримали специфічні назви - «залізний нерв» і «ртутне серце». Перша з них - реакція розчинення заліза (дроту) у азотної кислоти - отримала свою назву із-за зовнішньої схожості з динамікою порушеної нерва, поміченого В. Ф. Оствальдом. Друга, вірніше один з її варіантів, - реакція розкладання Н 2 О 2 на поверхні металевої ртуті. У реакції відбувається періодичне освіту і розчинення плівки оксиду на поверхні ртуті. Коливання поверхневого натягу ртуті обумовлюють ритмічні пульсації краплі, що нагадують биття серця. Але всі ці реакції не залучали особливої уваги хіміків, оскільки уявлення про хід хімічної реакції були ще досить непевними.
Лише у другій половині XIX ст. виникли термодинаміка та хімічна кінетика, що поклали початок специфічного інтересу до колебательнимреакціям і методів їх аналізу.
Вивчення механізму коливальних реакцій.
Детальний механізм реакції Білоусова все ще відомий не повністю. У перших роботах здавалося, що число проміжних продуктів невелика. Для пояснення природи коливань було достатньо уявити собі, як спочатку з малонової кислоти утворюється броммалоновая кислота, і при подальшої реакції з нею KВrO 3 перетворюється на KBr. Аніон Br - гальмує подальше окислення броммалоновой кислоти, і накопичується окислена форма каталізатора (чотирьохвалентного церію або тривалентного заліза в комплексі з фенантроліном). У результаті припиняється накопичення Br -, і окислювання броммалоновой кислоти відновлюється ... Тепер ясно, що такий механізм далеко не повний. Число проміжних продуктів досягло чотирьох десятків, і вивчення триває.
У 1972 р. Р. Нойес і співробітники показали, що реакція Бєлоусова-Жаботинського - підсумок, принаймні, десяти реакцій, які можна об'єднати в три групи - А, Б і В.
Спочатку (група реакцій А) бромат-іон взаємодіє з бромід-іоном у присутності Н + з утворенням бромистий і гіпобромістой кислот:
BrO -3 + Br - + 2H + = HBrO 2 + HOBr (А 1)
Далі бромистий кислота реагує з бромід-іоном, утворюючи
гіпобромістую кислоту:
HBrO 2 + Br - + H + = 2HOBr (А 2)
Гіпобромная кислота, у свою чергу, реагує з бромід-іоном, утворюючи вільний бром:
HOBr + Br - + H + = Br 2 + H 2 O (А 3)
Теоретичний ліцей Петру Мовіле
Кафедра
"Здатність, праця, талант"
Курсова робота з хімії на тему:
"Коливальні хімічні реакції"
Виконала: учениця 12А класу
Болюбаш Ірина
Викладач: Снідченко М.А.
* М. Кишинів 2007 *
Зміст:
1. Введення:
а) Окисно-відновні реакції
б) Коливальні хімічні реакції
2. Історія відкриття коливальних реакцій:
а) Дослідження концентраційних коливань до відкриття
реакції Б. П. Білоусова
3. Теоретична частина:
а) Математична модель А. лотків
б) Вивчення механізму коливальних реакцій
4. Експериментальна частина
5. Висновок
6. Додаток:
а) Рецепти деяких коливальних реакцій
б) Ілюстрації до проробленим дослідам
7. Література
Введення.
Хімія - наука експериментальна. І тому експеримент як метод наукового дослідження давно і міцно займає провідне місце серед методів природничих наук. Експеримент - найважливіший шлях здійснення зв'язку теорії з практикою при навчанні хімії, перетворення знань у переконання. Тому розкриття пізнавального значення кожного досліду - основна вимога до хімічного експерименту.
Під експериментом (від лат. «Experiтeпtuт» - «випробування») розуміють спостереження досліджуваного явища за певних умов, що дозволяють стежити за ходом цього явища і повторювати його при дотриманні цих умов. Хімічний експеримент займає важливе місце в навчанні хімії, так як через спостереження і досліди пізнається різноманіття природи речовин, накопичуються факти для порівнянь, узагальнень, висновків.
Проводячи досліди і спостерігаючи за хімічними перетвореннями в різних умовах, ми переконується, що складними хімічними процесами можна управляти, що в явищах немає нічого таємничого, вони підпорядковуються природним законам, пізнання яких забезпечує можливість широкого використання хімічних перетворень у практичній діяльності людини.
Однак результати деяких хімічних дослідів несподівані і не вписуються у традиційні уявлення про властивості речовин чи закономірності перебігу хімічних реакцій. Такі хімічні перетворення були названі, проблемним експериментом.
Ще в пору античності філософи вважали, що будь-яке пізнання починається з подиву. Подив, викликане новим, веде до розвитку допитливості (чутливості до проблем в навколишньому світі) з подальшим формуванням стійкого інтересу до чого-небудь. Подив і, наступна за нею, тяга до пізнання - ось благодатний грунт для вивчення проблемного експерименту, формування діалектичного та системного мислення, розкриття творчого потенціалу.
Такий же стан може бути викликано яскравим, вражаючим хімічним експериментом (проблемним експериментом). У хімії причинами проблемних експериментів, найчастіше, є окислювально-відновні реакції.
Окислювально-відновні реакції
Існують численні критерії класифікації хімічних реакцій. Один з найважливіших - ознака зміни ступенів окиснення елементів. У залежності від того, змінюються ступені окиснення елементів або зберігаються, хімічні реакції можуть бути розділені на окислювально-відновні і проходять без зміни ступенів окислення.
Реакції, що протікають зі зміною ступенів окиснення елементів (окислювально-відновні), широко відомі. Вони відіграють велику роль в техніці і природі, лежать в основі обміну речовин у живих організмах, з ними пов'язані процеси окислення, гниття, бродіння, фотосинтезу. Процеси окислення (і відновлення) йдуть при згорянні палива, корозії металів, електролізі, з їх допомогою отримують метали, аміак, луги та багато інших цінних продукти. Тому вивчення окислювально-відновних реакцій передбачено шкільними курсами неорганічної та органічної хімії.
Нагадаємо основні положення, пов'язані з концепцією окислювально-відновні реакцій.
Ступінь окислення відповідає заряду, який виник би на атомі даного елемента в хімічній сполуці, якщо припустити, що всі електронні пари, за допомогою яких даний атом пов'язаний з іншими, повністю зміщені до атомів елементів з більшою електронегативністю.
Окислювач - речовину, що містить атоми чи іони, що приймають електрони: X m (Окислювач) + ne - = X (m - n), де m - ступінь окислення елемента у вихідному речовині, n - число електронів.
Відновлювач - речовину, що містить атоми чи іони, що віддають електрони: Y m (Відновник) - ne - = Y (m + n).
Окиснення - процес віддачі електронів атомом, молекулою або іоном, при цьому ступінь окислення елемента підвищується.
Відновлення - процес прийому електронів атомом, молекулою або іоном, при цьому ступінь окислення елемента знижується.
Окислення та відновлення - процеси пов'язані, число електронів, відданих відновником в процес його окислення, завжди дорівнює числу електронів, прийнятих окислювачем в процесі його відновлення.
Коливальні хімічні реакції
У цій роботі я розгляну окремий випадок проблемного експерименту, коливальні хімічні реакції. Коливальні реакції - це цілий клас реакцій окислення органічних речовин з участю каталізатора, який володіє окислювально-відновні властивості. Цей процес протікає циклічно тобто складається з багаторазових повторень.Коливальні хімічні реакції були відкриті і науково обгрунтовані в 1951 р. радянським вченим Борисом Петровичем Бєлоусовим. Б.П. Бєлоусов вивчав окислення лимонної кислоти при її реакції з бромноватокіслим натрієм в розчині сірчаної кислоти. Для підсилень реакції він додав в розчин солі церію. Церій - метал зі змінною валентністю (3 + або 4 +), тому він може бути каталізатором окислювально-відновних перетворень. Реакція супроводжується виділенням бульбашок СО 2, і тому здається, що вся реакційна суміш «кипить». І ось на тлі цього кипіння Б. П. Білоусов помітив дивну річ: колір розчину періодично змінювався - ставав то жовтим, то безбарвним. Бєлоусов додав в розчин комплекс фенантроліна з двовалентних залізом (ферроін), і колір розчину став періодично змінюватися від лілово-червоного до синього і назад.
Так була відкрита реакція, що стала знаменитою. Зараз вона відома у всьому світі, її називають «реакція Бєлоусова-Жаботинського». А. М. Жаботинський багато зробив для розуміння цього дивного феномена. З тих пір відрито велике число аналогічних реакцій.
Історія відкриття коливальних реакцій.
Відкриття коливальної хімічної реакції І. П. Білоусов зробив при спробі створити просту хімічну модель деяких стадій системи ключових біохімічний перетворень карбонових кислот у клітині. Однак першого повідомлення про його відкриття надруковано не було. Рецензент хімічного журналу засумнівався у принциповій можливості описаної в статті реакції. Більшість хіміків в ті роки вважали, що суто хімічних коливань не буває, хоча існування коливальних реакцій передбачив в 1910 р. А. лотків на основі математичної теорії періодичних процесів.
Друга спроба опублікування результатів дослідження була зроблена вченим у 1957 р., і знову він отримав відмову, незважаючи на виниклі тоді роботи бельгійського фізика і физикохимик І. Р. Пригожина. У цих роботах була показана можливість і ймовірність коливальних хімічних реакцій.
Лише в 1959 р. Був надрукований короткий реферат про відкриття Б. П. Бєлоусовим періодично діючої коливальної хімічної реакції в маловідомому виданні "Збірник рефератів з радіаційної медицини".
А вся справа в тому, що коли Б. П. Білоусов зробив своє відкриття, періодичні зміни концентрації реагентів здавалися порушенням законів термодинаміки. Справді, як може реакція йти то в прямому, то в протилежному напрямках? Неможливо уявити собі, щоб все величезне число молекул в посудині було то в одному, то в іншому стані (то все «сині», то всі «червоні» ...).
Напрямок реакції визначається хімічним (термодинамічним) потенціалом - реакції здійснюються в напрямку більш ймовірних станів, у напрямку зменшення вільної енергії системи. Коли реакція в даному напрямку завершується, це означає, що її потенціал вичерпаний, досягається термодинамічна рівновага, і без витрати енергії, мимоволі, процес у зворотний бік піти не може. А тут ... реакція йде то в одному, то в іншому напрямку.
Проте ніякого порушення законів у цій реакції не було. Відбувалися коливання - періодичні зміни - концентрацій проміжних продуктів, а не вихідних реагентів або кінцевих продуктів. СО 2 не перетворюється в цій реакції в лимонну кислоту, це справді неможливо. Рецензенти не врахували, що поки система далека від рівноваги, в ній цілком можуть відбуватися багато чудові речі. Детальні траєкторії системи від початкового стану до кінцевого можуть бути дуже складними. Лише в останні десятиліття цими проблемами стала займатися термодинаміка систем, далеких від рівноваги. Ця нова наука стала основою нової науки - синергетики (теорія самоорганізації).
Реакцію Білоусова, як зазначено вище, детально вивчив А. М. Жаботинський і його колеги. Вони замінили лимонну кислоту малонової. Окислення малонової кислоти не супроводжується утворенням бульбашок СО 2, тому зміна забарвлення розчину можна без перешкод реєструвати фотоелектричними приладами. Надалі виявилося, що ферроін і без церію служить каталізатором цієї реакції. Б. П. Білоусов вже в перших дослідах помітив ще одна чудова властивість своєї реакції: при припиненні перемішування зміна забарвлення в розчині поширюється хвилями. Це розповсюдження хімічних коливань у просторі стало особливо наочним, коли в 1970 р. А. М. Жаботинський і А. М. Заїкін налили реакційну суміш тонким шаром в чашку Петрі. У чашці утворюються химерні фігури - концентричні кола, спіралі, «вихори», що поширюються зі швидкістю близько 1 мм / хв. Хімічні хвилі мають ряд незвичайних властивостей. Так, при зіткненні вони гасяться і не можуть проходити крізь один одного.
Дослідження концентраційних
коливань до відкриття реакції Б. П. Бєлоусовим
Але як свідчить історія, відкриття Б. П. Білоусова було аж ніяк не першим у світовій науці. Виявилося, що одна з перших публікацій з хімічним коливань відноситься до 1828 р. У ній Т. Фехнер виклав результати дослідження коливань електрохімічної реакції. Найбільш цікава робота М. Розеншельда, що відноситься до 1834 р. Її автор абсолютно випадково помітив, що невелика колба, яка містить трохи фосфору, в темряві випускає досить інтенсивне світло. У самому факті світіння фосфору не було нічого дивного, але те, що це світіння регулярно повторювалося кожну сьому секунду, було цікаво. Сорок років по тому ці експерименти з «мерехтливої колбою» продовжив француз М. Жубер (1874). Йому вдалося в пробірці спостерігати періодичне утворення «світяться хмар». Ще через двадцять років також німецький вчений А. Центнершвер досліджував вплив тиску повітря на періодичні спалахи фосфору. У його експериментах період спалахів починався з 20 с і зменшувався з пониженням тиску.
Особливо яскрава сторінка в історії хімічних коливань пов'язана з так званими кільцями Лізеганга. У 1896 р. німецький хімік Р. Лізеганг, експериментуючи з фотохімікати, виявив, що якщо капнути ляпісом на скляну пластину, покриту желатином, що містить хромпик, то продукт реакції, випадаючи в осад, розташовується на платівці концентричними колами. Лізеганг захопився цим явищем і майже півстоліття займався його дослідженням. Знайшлося і практичне його застосування. У прикладному мистецтві кільця Лізеганга використовували для прикраси різних виробів з імітацією яшми, малахіту, агата і т. п. Сам Лізеганг запропонував технологію виготовлення штучних перлів.
Перелік подібних прикладів можна продовжити. Слідом за зазначеними були відкриті коливальні реакції на межі розділу двох фаз. З них найбільш відомі реакції на межі метал-розчин, що отримали специфічні назви - «залізний нерв» і «ртутне серце». Перша з них - реакція розчинення заліза (дроту) у азотної кислоти - отримала свою назву із-за зовнішньої схожості з динамікою порушеної нерва, поміченого В. Ф. Оствальдом. Друга, вірніше один з її варіантів, - реакція розкладання Н 2 О 2 на поверхні металевої ртуті. У реакції відбувається періодичне освіту і розчинення плівки оксиду на поверхні ртуті. Коливання поверхневого натягу ртуті обумовлюють ритмічні пульсації краплі, що нагадують биття серця. Але всі ці реакції не залучали особливої уваги хіміків, оскільки уявлення про хід хімічної реакції були ще досить непевними.
Лише у другій половині XIX ст. виникли термодинаміка та хімічна кінетика, що поклали початок специфічного інтересу до колебательнимреакціям і методів їх аналізу.
Математична модель А. лотків
Математична теорія коливань в системах, аналогічних хімічним реакціям, була опублікована ще в 1910 р. А. лотків - він написав систему диференціальних рівнянь, з якої випливала можливість періодичних режимів. Лотка розглядав взаємодія «жертв», наприклад травоїдних тварин, і поїдають їх «хижаків» (X і Y). Хижаки поїдають жертв і розмножуються - концентрація Y зростає, але до певної межі, коли чисельність жертв різко зменшується, і хижаки вмирають від голоду - концентрація Y зменшується. Тоді вцілілі жертви починають розмножуватися - концентрація X зростає. Уцілілі хижаки слідом за цим також розмножуються, концентрація Y знову зростає, і так далі багато разів. Спостерігаються періодичні коливання концентрації реагентів. Ясно, що умовою таких незатухаючих (тривалий час) коливань є достаток трави - їжі жертв. Рівняння Лотки удосконалив В. Вольтерра. А сучасну теорію коливань розробили російські фізики Л. І. Мандельштамм, А. А. Андронов, А. А. Вітт, С. Е. Хайкін, Д. А. Франк-Каменецький. Так що для фізиків і математиків відкриття Білоусова не було таким дивовижним.Вивчення механізму коливальних реакцій.
Детальний механізм реакції Білоусова все ще відомий не повністю. У перших роботах здавалося, що число проміжних продуктів невелика. Для пояснення природи коливань було достатньо уявити собі, як спочатку з малонової кислоти утворюється броммалоновая кислота, і при подальшої реакції з нею KВrO 3 перетворюється на KBr. Аніон Br - гальмує подальше окислення броммалоновой кислоти, і накопичується окислена форма каталізатора (чотирьохвалентного церію або тривалентного заліза в комплексі з фенантроліном). У результаті припиняється накопичення Br -, і окислювання броммалоновой кислоти відновлюється ... Тепер ясно, що такий механізм далеко не повний. Число проміжних продуктів досягло чотирьох десятків, і вивчення триває.
У 1972 р. Р. Нойес і співробітники показали, що реакція Бєлоусова-Жаботинського - підсумок, принаймні, десяти реакцій, які можна об'єднати в три групи - А, Б і В.
Спочатку (група реакцій А) бромат-іон взаємодіє з бромід-іоном у присутності Н + з утворенням бромистий і гіпобромістой кислот:
BrO -3 + Br - + 2H + = HBrO 2 + HOBr (А 1)
Далі бромистий кислота реагує з бромід-іоном, утворюючи
гіпобромістую кислоту:
HBrO 2 + Br - + H + = 2HOBr (А 2)
Гіпобромная кислота, у свою чергу, реагує з бромід-іоном, утворюючи вільний бром:
HOBr + Br - + H + = Br 2 + H 2 O (А 3)
Малонова кислота броміруется вільним бромом:
Br 2 + CH 2 (COOH) 2 = BrCH (COOH) 2 + Br - + H + (А 4)
У результаті всіх цих реакцій малонова кислота броміруется вільним бромом:
BrO -3 + 2Br - + 3CH 2 (COOH) 2 + 3H + = 3BrCH (COOH) 2 + 3H 2 O (А)
Хімічний зміст цієї групи реакцій подвійний: знищення бромід-іона і синтез броммалоновой кислоти.
Реакції групи Б можливі лише за відсутності (малій концентрації) бромід-іона. При взаємодії бромат-іона з бромистий кислотою утворюється радикал BrO 2.
BrO -3 + HBrO 2 + H +> 2BrO 2 + H 2 O (Б 1)
BrO 2 реагує з церієм (III), окислюючи його до церію (IV), а сам відновлюється до бромистий кислоти:
BrO 2 + Ce 3 + + H +> HВrO 2 + Ce 4 + (Б 2)
Бромистий кислота розпадається на бромат-іон і гіпобромістую кислоту:
2HBrO 2> BrO -3 + HOBr + H + (Б 3)
Гіпобромістая кислота бромірует малоновий кислоту:
HOBr + CH 2 (COOH) 2> BrCH (COOH) 2 + H 2 O (Б 4)
У результаті реакцій групи Б утворюється броммалоновая кислота і чотиривалентний церій.
Коливання концентрацій основних компонентів реакції: бромистий кислоти і Ферріні - у фазовому просторі представляються у вигляді замкнутої лінії (граничного циклу).
BrO -3 + 4Ce 3 + + CH 2 (COOH) 2 + 5H +> BrCH (COOH) 2 + 4Ce 4 + + 3H 2 O (Б)
Утворився в цих реакціях церій (IV) (реакції групи В):
6Ce 4 + + CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O> 6Ce 3 + + HCOOH + 2CO 2 +6 H + (В 1)
4Ce 4 + + BrCH (COOH) 2 + 2H 2 O> Br - + 4Ce 3 + + HCOOH + 2CO 2 + 5H + (В 2)
Хімічний зміст цієї групи реакцій: утворення бромід-іона, що йде тим інтенсивніше, чим вище концентрація броммалоновой кислоти. Збільшення концентрації бромід-іона призводить до припинення (різкого уповільнення) окиснення церію (III) в церій (IV). У дослідженнях останнього часу церій зазвичай заміняють ферроіном.
З цієї (неповної) послідовності етапів реакції Бєлоусова-Жаботинського видно, наскільки складна ця система. Так, досить враховувати зміну концентрації всього трьох основних проміжних компонентів реакції HВrO 2 (бромистий кислоти), Br - і ферроіна (або церію).
Перший крок в реакції - в результаті автокаталітіческій реакції утворюється бромистий кислота (швидкий, подібний вибуху процес), ферроін трансформується в ферріін (окислену форму ферроіна).
Другий крок - в результаті взаємодії з органічним компонентом Ферріні починає повільно трансформуватися назад у ферроін, і одночасно починає утворюватися бромід-іон.
Третій крок - бромід-іон є ефективним інгібітором автокаталітіческій реакції (1-й крок). Як наслідок, припиняється освіта бромистий кислоти, і вона швидко розпадається.
Четвертий крок - процес розпаду феррііна, розпочатий на 2-му кроці, завершується; бромід-іон видаляється з системи. У результаті система повертається до стану, в якому перебувала до 1-го кроку, і процес повторюється періодично. Існує декілька математичних моделей (систем диференціальних рівнянь), що описують цю реакцію, коливання концентрації її реагентів і закономірності поширення концентраційних хвиль.
Експериментальна частина:
Реакція взаємодії лимонної кислоти з броматом калію:
Реактиви:
1. K M nO 4 (перманганат калію).
2. KВrO 3 (калій бромноватокіслий або бромат калію).
3. H 2 SO 4 (концентрована).
4. Лимонна кислота.
5. Дистильована вода.
Хід роботи: Наважку лимонної кислоти - 2 г розчинили у 6 мл H 2 O. В отриманий розчин додали наважку калію бромноватокіслого - 0,2 г і долили 0,7 мл концентрованої сірчаної кислоти. Потім внесли 0,04 г перманганату калію і довели обсяг отриманого розчину до 10 мл дистильованою водою. Ретельно перемішали до повного розчинення реактивів.
Спостереження: Відразу після додавання KMnO 4 розчин придбав фіолетове забарвлення і почав «кипіти». Через 25 с, при бурхливому кипінні, колір розчину став змінюватися на коричневий. З плином реакції розчин поступово світлішає - аж до світло-жовтого кольору. Через 3 хв 45 с починається різке потемніння розчину (схоже на дифузію рідини високої щільності), і через 40 з розчин знову стає повністю коричневим. Далі все повторюється з періодом 4,5 хв - 5 хв. Через досить великий проміжок часу реакція починає сповільнюватися, потім і припиняється зовсім (розчин жовтого кольору).
1. FeSO 4. 7H 2 O кристалічний гептагідрат сульфату заліза (II) або
Fe (NH 4) 2 (SO 4) 2. 6H 2 O (сіль Мора) гексагідрат сульфату діамонію-
заліза (II)
2. Ce (NO 3) 3. 6H 2 O гексагідрат нітрату церію (III)
3. KBr водний розчин броміду калію (2 моль / л, або 12 г на 50 мл води)
4. KBrO 3 насичений розчин бромату калію (близько 10 г на 100 мл води)
5. H 2 SO 4 концентрована сірчана кислота
6. CH 2 (COOH) 2 водний розчин малонової кислоти (5 моль / л, або 52 г у
100 мл води)
7. C 12 H 8 N 2 (phen) о-фенантролін
8. дистильована вода
Посуд і прилади: Полілюкс з екраном, скляна пластинка розміром 25Χ25 см, чашка Петрі, мірні колби ємністю 100 мл, колба Ерленмейера ємністю 250 мл з пришліфованою пробкою, шість піпеток, бюретка, скляна паличка, промивалки, фільтрувальний папір.
Опис досвіду: Для демонстрації експерименту попередньо готують розчини А і Б.
Розчин А - розчин ферроіна - комплексу заліза (II) з о-фенантроліном (phen). У мірну колбу ємністю 100 мл вносять 0,70 г гептагідрат сульфату заліза (II) (або 0,99 г солі Мора) і 1,49 г о-фенантроліна, доводять об'єм розчину водою до мітки і перемішують. Розчин набуває червоний колір за рахунок утворення фенантролінового комплексу заліза (II):
Fe 2 + + 3 phen = [Fe (phen) 3] 2 +
Розчин Б - Розчин броммалоновой кислоти (готується безпосередньо перед демонстрацією). У конічну колбу з пришліфованою пробкою вводять 3,3 мл розчину броміду калію, 5 мл розчину малонової кислоти і 5 мл концентрованої сірчаної кислоти. Отриманий розчин титрують із бюретки насиченим розчином бромату калію при перемішуванні після додавання кожної порції титранту, домагаючись зникнення коричневого забарвлення за рахунок виділення брому у паралельно протікає реакції конмутаціі:
BrO 3 - + 5Br - + 6H + = 3Br 2 + 3H 2 O
3Br 2 + 2CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O = BrCH (COOH) 2 + HCOOH + CO 2 ↑ + 5HBr
Загальний обсяг розчину бромату калію, який пішов на титрування, повинен складати близько 7,5 мл. Настає броммалоновая кислота нестійка, проте деякий час її можна зберігати при температурі 510 0 С.
Для безпосередньої демонстрації досвіду на скляну пластинку, що закриває світлове вікно полілюкса, ставлять чашку Петрі, в яку послідовно вносять за допомогою піпеток 10 мл насиченого розчину бромату калію, 4 мл розчину броммалоновой кислоти і 1,5 мл розчину ферроіна. Протягом декількох хвилин на червоному тлі з'являються блакитні цятки за рахунок освіта фенантролінового комплексу заліза (III) [Fe (phen) 3] 3 + в результаті окислення відповідного комплексу заліза (II):
6 [Fe (phen) 3] 2 + + 6H 3 O + + BrO 3 - = 6 [Fe (phen) 3] 3 + + 9H 2 O + Br -
Цей процес є самоускоряющімся. Утворений комплекс [Fe (phen) 3] 3 + окисляє броммалоновую кислоту з утворенням бромід-іонів:
4 [Fe (phen) 3] 3 + + BrCH (COOH) 2 + 7H 2 O =
= 2CO 2 ↑ + 5H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 [Fe (phen) 3] 2 +
Виділяються бромід-іони є інгібіторами реакції окислення комплексів заліза (II) бромат-іонами. Тільки коли концентрація комплексних іонів [Fe (phen) 3] 2 + стає досить високою, інгібуюча активність бромід-іонів долається, і розчин стає блакитним за рахунок утворення комплексу заліза (III). Процес повторюється знову і знову, тому і забарвлення розчину періодично змінюється з блакитної в рожеву, або навпаки. Зміна забарвлення починається з появою на рожевому фоні блакитних цяток, від яких у всі сторони розходяться концентричні хвилі забарвлення. З плином часу швидкість зміни забарвлення зменшується і, врешті-решт, процес загасає. При цьому на екрані можна спостерігати появу "чорних крапок" проекцій бульбашок виділяється діоксиду вуглецю.
Діапазон забарвлень можна розширити, якщо додати в чашку Петрі кілька кристалів гексагідрату нітрату церію (III) Ce (NO 3) 3. 6H 2 O. Тоді, крім блакитний і рожевого забарвлення, можна спостерігати жовте (за рахунок утворення сполук церію (IV)) або зелене забарвлення (внаслідок подат накладення жовтого та блакитного кольору):
6Ce 3 + + BrO 3 - + 15H 2 O = 6 [Ce (OH) 2] 2 + + Br - + 6H 3 O +
4 [Ce (OH) 2] 2 + + BrCH (COOH) 2 + 3H 3 O + =
= 2CO 2 ↑ + Br - + HCOOH + 4Ce 3 + + 9H 2 O
При нагріванні швидкість реакцій зростає, а зміна забарвлень прискорюється.
Примітка. Фенантролін представляє собою гетероциклічне з'єднання з двома атомами азоту, що володіють неподіленими парами електронів і здатними до координації. У комплексних сполуках із залізом о-фенантролін грає роль бідентатною ліганда і утворює міцні комплекси хелатного типу.
Висновок.
До теперішнього часу реакція Бєлоусова-Жаботинського зайняла гідне місце у світовій науці. Щороку у світі проводиться по кілька міжнародних конференцій з динаміки нелінійних хімічних систем, а слова «BZ-reaction» (скорочення: реакції Бєлоусова-Жаботинського) звучать на десятках інших конференцій, присвячених проблемам фізики, хімії, біології.
Вивчення реакції Бєлоусова-Жаботинського, як я переконалася, має величезне значення, адже вона знайшла застосування в різних галузях науки і техніки. Ця реакція використовується як модель для дослідження грізного порушення роботи серця - аритмії і фибрилляций. А в недавній час були розпочаті експерименти зі світлочутливої модифікацією цієї реакції, коли динаміка в цій системі залежить від інтенсивності світла. Виявилося, що таку реакцію можна використовувати як обчислювальну машину для зберігання і обробки зображення. Світлочутлива модифікація реакції Бєлоусова-Жаботинського може служити прототипом обчислювального комплексу, який можливо, прийде на зміну ЕОМ.
З іншого боку, коливальні хімічні реакції є яскравим прикладом самоорганізації в неживій природі, і в цьому сенсі є не тільки природно-наукове, а й філософське значення. Фундаментальні зміни в природознавстві, породили так звану теорію самоорганізації, обумовлені в значній мірі початковим імпульсом, доданим їй російськими вченими на рубежі 1950-1960-х рр.., Коли Бєлоусов відкрив окислювально-відновну хімічну реакцію. При цьому були виявлені вражаючі аналогії, виявилося, що багато природні явища, починаючи від освіти галактик до смерчів, циклонів і гри світла на відбивають поверхнях, по суті справи, - процеси самоорганізації. Вони можуть мати саму різну природу: хімічну, механічну, оптичну, електричну та ін
Так, все більшу питому вагу набувають дослідження прикладної спрямованості, наприклад, в області моделювання альтернативних засобів обробки інформації (зокрема, аналіз складних мозаїк з градацією яскравості об'єктів). Ще одним новим напрямком прикладних досліджень є вивчення особливостей полімеризації в БЖ-системі або схожих з нею.
Складною просторово-часової організації, що проявляється БЖ-системою за відсутності перемішування, з часом знайшлися аналогії в природі, в біологічних системах (наприклад: періодичні процеси клітинного метаболізму, хвилі активності в серцевої тканини і в тканинах головного мозку, процеси, що відбуваються на рівні не екологічних систем), у новій її області - синергетики (теорії самоорганізації), а також експериментальні роботи ініціювали розвиток сучасної теорії динамічних систем. Хоча в даний час багато що в таких реакціях вже зрозуміло, проте причини, що викликають коливальні хімічні процеси, залишаються до кінця нез'ясованими.
В даний час кінетика коливальних реакцій - бурхливо розвивається галузь знань, що виникла на стику хімії, біології, медицини, фізики, математики. Мені було дуже цікаво познайомитися з настільки незвичайними і на перший погляд неможливими властивостями живої матерії. Але ще більше мене вразило, що таке неймовірне за своєю значимістю, вражаюче відкриття довгі роки не сприймалося іншими, і просто не було зрозуміле великими умами того часу. Це відкриття пройшло свій тернистий шлях, і, врешті-решт, зайняло гідне місце у світовій науці. А сама можливість такої реакції ще раз доводить, що в нашому світі існує ще дуже багато незвіданого і невивченого.
Рецепт 1: Необхідно приготувати розчини перерахованих далі речовин з розрахунку їх кінцевих концентрацій: малонова кислота 0,2 М; бромат натрію 0,3 М; сірчана кислота 0,3 М; ферроін 0,005 М. Ферроін можна замінити сульфатом двовалентного марганцю або тривалентного церію, але при цьому інтенсивність забарвлення буде істотно слабкіше. Близько 5 мл розчину всіх компонентів потрібно налити в чашку Петрі так, щоб товщина шару рідини була 0,5-1 мм. Через 3-8 хв (перехідний період) можна спостерігати коливання і хімічні хвилі.
Рецепт 2: У плоску прозору кювету шарами (1 мл) налити наступні розчини:
- KВrO 3 (0,2 моль / л)
- Малоновий кислоту (0,3 моль / л)
- Ферроін (0,003 моль / л)
- H 2 SO 4 (0,3 моль / л)
Кювету поставити на аркуш білого паперу. Темп реакції можна змінити, додаючи луг або кислоту.
Рецепт 3: Необхідні розчини:
- Лимонної кислоти (40 г на 160 мл H 2 O)
- H 2 SO 4 (1:3).
А також навішування:
- KBrO 3 (16 г)
- Ce 2 (SO 4) 3 (3-3,5 г)
Розчин лимонної кислоти нагріти до 40 ° -50 ° С, потім висипати наважку KВrO 3. Склянка поставити на аркуш білого паперу і внести наважку Ce 2 (SO 4) 3 і кілька мл H 2 SO 4. Відразу починає відбуватися чергування кольорів: жовтий> безбарвний> жовтий, з періодом 1-2 хв.
Рецепт 4: Необхідні розчини:
- H 2 O 2 (50 мл 30%)
- KIO 3 (7,17 г в 50мл H 2 O)
- HСlO 4 (30 мл розведеного розчину)
- Малонова кислота (3 г в 50 мл H 2 O). І навішування:
- MnSO 4 (1г) і трохи крохмалю.
Всі злити в одну склянку (200-250 мл), додати навішування, розмішати скляною паличкою. Відбувається чергування кольору: безбарвний> жовтий> блакитний.
Список літератури.
1. Алієв Р., Шноль С. Еліота "Коливальні хімічні реакції». Кінетика і каталіз. 1998. № 3. С. 130-133.
2. Шноль С. Е. Знання - Сила. 1994. № 3. С. 62-71.
3. Жаботинський А. М. Концентраційні автоколивання. М.: Наука, 1974.
4. Гарель Д., Гарель О. Коливальні хімічні реакції / Пер. з англ. М.:
Світ, 1986.
5. Дубніщева Т. Я. Концепції сучасного природознавства. Новос-
Бірськ: ЮКЕА, 1997, С. 683 - 697.
6. Концепції сучасного природознавства. Під ред. В. Н. Лавриненко,
В. П. Ратникова, М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1999, С. 78 - 87.
7. Вавілін Б.В. "Автоколивання в жидкофазная хімічних системах".
Природа, 2000, № 5, С. 19 - 25.
Br 2 + CH 2 (COOH) 2 = BrCH (COOH) 2 + Br - + H + (А 4)
У результаті всіх цих реакцій малонова кислота броміруется вільним бромом:
BrO -3 + 2Br - + 3CH 2 (COOH) 2 + 3H + = 3BrCH (COOH) 2 + 3H 2 O (А)
Хімічний зміст цієї групи реакцій подвійний: знищення бромід-іона і синтез броммалоновой кислоти.
Реакції групи Б можливі лише за відсутності (малій концентрації) бромід-іона. При взаємодії бромат-іона з бромистий кислотою утворюється радикал BrO 2.
BrO -3 + HBrO 2 + H +> 2BrO 2 + H 2 O (Б 1)
BrO 2 реагує з церієм (III), окислюючи його до церію (IV), а сам відновлюється до бромистий кислоти:
BrO 2 + Ce 3 + + H +> HВrO 2 + Ce 4 + (Б 2)
Бромистий кислота розпадається на бромат-іон і гіпобромістую кислоту:
2HBrO 2> BrO -3 + HOBr + H + (Б 3)
Гіпобромістая кислота бромірует малоновий кислоту:
HOBr + CH 2 (COOH) 2> BrCH (COOH) 2 + H 2 O (Б 4)
У результаті реакцій групи Б утворюється броммалоновая кислота і чотиривалентний церій.
Коливання концентрацій основних компонентів реакції: бромистий кислоти і Ферріні - у фазовому просторі представляються у вигляді замкнутої лінії (граничного циклу).
BrO -3 + 4Ce 3 + + CH 2 (COOH) 2 + 5H +> BrCH (COOH) 2 + 4Ce 4 + + 3H 2 O (Б)
Утворився в цих реакціях церій (IV) (реакції групи В):
6Ce 4 + + CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O> 6Ce 3 + + HCOOH + 2CO 2 +6 H + (В 1)
4Ce 4 + + BrCH (COOH) 2 + 2H 2 O> Br - + 4Ce 3 + + HCOOH + 2CO 2 + 5H + (В 2)
Хімічний зміст цієї групи реакцій: утворення бромід-іона, що йде тим інтенсивніше, чим вище концентрація броммалоновой кислоти. Збільшення концентрації бромід-іона призводить до припинення (різкого уповільнення) окиснення церію (III) в церій (IV). У дослідженнях останнього часу церій зазвичай заміняють ферроіном.
З цієї (неповної) послідовності етапів реакції Бєлоусова-Жаботинського видно, наскільки складна ця система. Так, досить враховувати зміну концентрації всього трьох основних проміжних компонентів реакції HВrO 2 (бромистий кислоти), Br - і ферроіна (або церію).
Перший крок в реакції - в результаті автокаталітіческій реакції утворюється бромистий кислота (швидкий, подібний вибуху процес), ферроін трансформується в ферріін (окислену форму ферроіна).
Другий крок - в результаті взаємодії з органічним компонентом Ферріні починає повільно трансформуватися назад у ферроін, і одночасно починає утворюватися бромід-іон.
Третій крок - бромід-іон є ефективним інгібітором автокаталітіческій реакції (1-й крок). Як наслідок, припиняється освіта бромистий кислоти, і вона швидко розпадається.
Четвертий крок - процес розпаду феррііна, розпочатий на 2-му кроці, завершується; бромід-іон видаляється з системи. У результаті система повертається до стану, в якому перебувала до 1-го кроку, і процес повторюється періодично. Існує декілька математичних моделей (систем диференціальних рівнянь), що описують цю реакцію, коливання концентрації її реагентів і закономірності поширення концентраційних хвиль.
Експериментальна частина:
Реакція взаємодії лимонної кислоти з броматом калію:
Реактиви:
1. K M nO 4 (перманганат калію).
2. KВrO 3 (калій бромноватокіслий або бромат калію).
3. H 2 SO 4 (концентрована).
4. Лимонна кислота.
5. Дистильована вода.
Хід роботи: Наважку лимонної кислоти - 2 г розчинили у 6 мл H 2 O. В отриманий розчин додали наважку калію бромноватокіслого - 0,2 г і долили 0,7 мл концентрованої сірчаної кислоти. Потім внесли 0,04 г перманганату калію і довели обсяг отриманого розчину до 10 мл дистильованою водою. Ретельно перемішали до повного розчинення реактивів.
Спостереження: Відразу після додавання KMnO 4 розчин придбав фіолетове забарвлення і почав «кипіти». Через 25 с, при бурхливому кипінні, колір розчину став змінюватися на коричневий. З плином реакції розчин поступово світлішає - аж до світло-жовтого кольору. Через 3 хв 45 с починається різке потемніння розчину (схоже на дифузію рідини високої щільності), і через 40 з розчин знову стає повністю коричневим. Далі все повторюється з періодом 4,5 хв - 5 хв. Через досить великий проміжок часу реакція починає сповільнюватися, потім і припиняється зовсім (розчин жовтого кольору).
Коливальні окислювально-відновні реакції:
Реактиви:1. FeSO 4. 7H 2 O кристалічний гептагідрат сульфату заліза (II) або
Fe (NH 4) 2 (SO 4) 2. 6H 2 O (сіль Мора) гексагідрат сульфату діамонію-
заліза (II)
2. Ce (NO 3) 3. 6H 2 O гексагідрат нітрату церію (III)
3. KBr водний розчин броміду калію (2 моль / л, або 12 г на 50 мл води)
4. KBrO 3 насичений розчин бромату калію (близько 10 г на 100 мл води)
5. H 2 SO 4 концентрована сірчана кислота
6. CH 2 (COOH) 2 водний розчин малонової кислоти (5 моль / л, або 52 г у
100 мл води)
7. C 12 H 8 N 2 (phen) о-фенантролін
8. дистильована вода
Посуд і прилади: Полілюкс з екраном, скляна пластинка розміром 25Χ25 см, чашка Петрі, мірні колби ємністю 100 мл, колба Ерленмейера ємністю 250 мл з пришліфованою пробкою, шість піпеток, бюретка, скляна паличка, промивалки, фільтрувальний папір.
Опис досвіду: Для демонстрації експерименту попередньо готують розчини А і Б.
Розчин А - розчин ферроіна - комплексу заліза (II) з о-фенантроліном (phen). У мірну колбу ємністю 100 мл вносять 0,70 г гептагідрат сульфату заліза (II) (або 0,99 г солі Мора) і 1,49 г о-фенантроліна, доводять об'єм розчину водою до мітки і перемішують. Розчин набуває червоний колір за рахунок утворення фенантролінового комплексу заліза (II):
Fe 2 + + 3 phen = [Fe (phen) 3] 2 +
Розчин Б - Розчин броммалоновой кислоти (готується безпосередньо перед демонстрацією). У конічну колбу з пришліфованою пробкою вводять 3,3 мл розчину броміду калію, 5 мл розчину малонової кислоти і 5 мл концентрованої сірчаної кислоти. Отриманий розчин титрують із бюретки насиченим розчином бромату калію при перемішуванні після додавання кожної порції титранту, домагаючись зникнення коричневого забарвлення за рахунок виділення брому у паралельно протікає реакції конмутаціі:
BrO 3 - + 5Br - + 6H + = 3Br 2 + 3H 2 O
3Br 2 + 2CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O = BrCH (COOH) 2 + HCOOH + CO 2 ↑ + 5HBr
Загальний обсяг розчину бромату калію, який пішов на титрування, повинен складати близько 7,5 мл. Настає броммалоновая кислота нестійка, проте деякий час її можна зберігати при температурі 510 0 С.
Для безпосередньої демонстрації досвіду на скляну пластинку, що закриває світлове вікно полілюкса, ставлять чашку Петрі, в яку послідовно вносять за допомогою піпеток 10 мл насиченого розчину бромату калію, 4 мл розчину броммалоновой кислоти і 1,5 мл розчину ферроіна. Протягом декількох хвилин на червоному тлі з'являються блакитні цятки за рахунок освіта фенантролінового комплексу заліза (III) [Fe (phen) 3] 3 + в результаті окислення відповідного комплексу заліза (II):
6 [Fe (phen) 3] 2 + + 6H 3 O + + BrO 3 - = 6 [Fe (phen) 3] 3 + + 9H 2 O + Br -
Цей процес є самоускоряющімся. Утворений комплекс [Fe (phen) 3] 3 + окисляє броммалоновую кислоту з утворенням бромід-іонів:
4 [Fe (phen) 3] 3 + + BrCH (COOH) 2 + 7H 2 O =
= 2CO 2 ↑ + 5H 3 O + + Br - + HCOOH + 4 [Fe (phen) 3] 2 +
Виділяються бромід-іони є інгібіторами реакції окислення комплексів заліза (II) бромат-іонами. Тільки коли концентрація комплексних іонів [Fe (phen) 3] 2 + стає досить високою, інгібуюча активність бромід-іонів долається, і розчин стає блакитним за рахунок утворення комплексу заліза (III). Процес повторюється знову і знову, тому і забарвлення розчину періодично змінюється з блакитної в рожеву, або навпаки. Зміна забарвлення починається з появою на рожевому фоні блакитних цяток, від яких у всі сторони розходяться концентричні хвилі забарвлення. З плином часу швидкість зміни забарвлення зменшується і, врешті-решт, процес загасає. При цьому на екрані можна спостерігати появу "чорних крапок" проекцій бульбашок виділяється діоксиду вуглецю.
Діапазон забарвлень можна розширити, якщо додати в чашку Петрі кілька кристалів гексагідрату нітрату церію (III) Ce (NO 3) 3. 6H 2 O. Тоді, крім блакитний і рожевого забарвлення, можна спостерігати жовте (за рахунок утворення сполук церію (IV)) або зелене забарвлення (внаслідок подат накладення жовтого та блакитного кольору):
6Ce 3 + + BrO 3 - + 15H 2 O = 6 [Ce (OH) 2] 2 + + Br - + 6H 3 O +
4 [Ce (OH) 2] 2 + + BrCH (COOH) 2 + 3H 3 O + =
= 2CO 2 ↑ + Br - + HCOOH + 4Ce 3 + + 9H 2 O
При нагріванні швидкість реакцій зростає, а зміна забарвлень прискорюється.
Примітка. Фенантролін представляє собою гетероциклічне з'єднання з двома атомами азоту, що володіють неподіленими парами електронів і здатними до координації. У комплексних сполуках із залізом о-фенантролін грає роль бідентатною ліганда і утворює міцні комплекси хелатного типу.
Висновок.
До теперішнього часу реакція Бєлоусова-Жаботинського зайняла гідне місце у світовій науці. Щороку у світі проводиться по кілька міжнародних конференцій з динаміки нелінійних хімічних систем, а слова «BZ-reaction» (скорочення: реакції Бєлоусова-Жаботинського) звучать на десятках інших конференцій, присвячених проблемам фізики, хімії, біології.
Вивчення реакції Бєлоусова-Жаботинського, як я переконалася, має величезне значення, адже вона знайшла застосування в різних галузях науки і техніки. Ця реакція використовується як модель для дослідження грізного порушення роботи серця - аритмії і фибрилляций. А в недавній час були розпочаті експерименти зі світлочутливої модифікацією цієї реакції, коли динаміка в цій системі залежить від інтенсивності світла. Виявилося, що таку реакцію можна використовувати як обчислювальну машину для зберігання і обробки зображення. Світлочутлива модифікація реакції Бєлоусова-Жаботинського може служити прототипом обчислювального комплексу, який можливо, прийде на зміну ЕОМ.
З іншого боку, коливальні хімічні реакції є яскравим прикладом самоорганізації в неживій природі, і в цьому сенсі є не тільки природно-наукове, а й філософське значення. Фундаментальні зміни в природознавстві, породили так звану теорію самоорганізації, обумовлені в значній мірі початковим імпульсом, доданим їй російськими вченими на рубежі 1950-1960-х рр.., Коли Бєлоусов відкрив окислювально-відновну хімічну реакцію. При цьому були виявлені вражаючі аналогії, виявилося, що багато природні явища, починаючи від освіти галактик до смерчів, циклонів і гри світла на відбивають поверхнях, по суті справи, - процеси самоорганізації. Вони можуть мати саму різну природу: хімічну, механічну, оптичну, електричну та ін
Так, все більшу питому вагу набувають дослідження прикладної спрямованості, наприклад, в області моделювання альтернативних засобів обробки інформації (зокрема, аналіз складних мозаїк з градацією яскравості об'єктів). Ще одним новим напрямком прикладних досліджень є вивчення особливостей полімеризації в БЖ-системі або схожих з нею.
Складною просторово-часової організації, що проявляється БЖ-системою за відсутності перемішування, з часом знайшлися аналогії в природі, в біологічних системах (наприклад: періодичні процеси клітинного метаболізму, хвилі активності в серцевої тканини і в тканинах головного мозку, процеси, що відбуваються на рівні не екологічних систем), у новій її області - синергетики (теорії самоорганізації), а також експериментальні роботи ініціювали розвиток сучасної теорії динамічних систем. Хоча в даний час багато що в таких реакціях вже зрозуміло, проте причини, що викликають коливальні хімічні процеси, залишаються до кінця нез'ясованими.
В даний час кінетика коливальних реакцій - бурхливо розвивається галузь знань, що виникла на стику хімії, біології, медицини, фізики, математики. Мені було дуже цікаво познайомитися з настільки незвичайними і на перший погляд неможливими властивостями живої матерії. Але ще більше мене вразило, що таке неймовірне за своєю значимістю, вражаюче відкриття довгі роки не сприймалося іншими, і просто не було зрозуміле великими умами того часу. Це відкриття пройшло свій тернистий шлях, і, врешті-решт, зайняло гідне місце у світовій науці. А сама можливість такої реакції ще раз доводить, що в нашому світі існує ще дуже багато незвіданого і невивченого.
Додаток.
Рецепти деяких коливальних реакційРецепт 1: Необхідно приготувати розчини перерахованих далі речовин з розрахунку їх кінцевих концентрацій: малонова кислота 0,2 М; бромат натрію 0,3 М; сірчана кислота 0,3 М; ферроін 0,005 М. Ферроін можна замінити сульфатом двовалентного марганцю або тривалентного церію, але при цьому інтенсивність забарвлення буде істотно слабкіше. Близько 5 мл розчину всіх компонентів потрібно налити в чашку Петрі так, щоб товщина шару рідини була 0,5-1 мм. Через 3-8 хв (перехідний період) можна спостерігати коливання і хімічні хвилі.
Рецепт 2: У плоску прозору кювету шарами (1 мл) налити наступні розчини:
- KВrO 3 (0,2 моль / л)
- Малоновий кислоту (0,3 моль / л)
- Ферроін (0,003 моль / л)
- H 2 SO 4 (0,3 моль / л)
Кювету поставити на аркуш білого паперу. Темп реакції можна змінити, додаючи луг або кислоту.
Рецепт 3: Необхідні розчини:
- Лимонної кислоти (40 г на 160 мл H 2 O)
- H 2 SO 4 (1:3).
А також навішування:
- KBrO 3 (16 г)
- Ce 2 (SO 4) 3 (3-3,5 г)
Розчин лимонної кислоти нагріти до 40 ° -50 ° С, потім висипати наважку KВrO 3. Склянка поставити на аркуш білого паперу і внести наважку Ce 2 (SO 4) 3 і кілька мл H 2 SO 4. Відразу починає відбуватися чергування кольорів: жовтий> безбарвний> жовтий, з періодом 1-2 хв.
Рецепт 4: Необхідні розчини:
- H 2 O 2 (50 мл 30%)
- KIO 3 (7,17 г в 50мл H 2 O)
- HСlO 4 (30 мл розведеного розчину)
- Малонова кислота (3 г в 50 мл H 2 O). І навішування:
- MnSO 4 (1г) і трохи крохмалю.
Всі злити в одну склянку (200-250 мл), додати навішування, розмішати скляною паличкою. Відбувається чергування кольору: безбарвний> жовтий> блакитний.
Список літератури.
1. Алієв Р., Шноль С. Еліота "Коливальні хімічні реакції». Кінетика і каталіз. 1998. № 3. С. 130-133.
2. Шноль С. Е. Знання - Сила. 1994. № 3. С. 62-71.
3. Жаботинський А. М. Концентраційні автоколивання. М.: Наука, 1974.
4. Гарель Д., Гарель О. Коливальні хімічні реакції / Пер. з англ. М.:
Світ, 1986.
5. Дубніщева Т. Я. Концепції сучасного природознавства. Новос-
Бірськ: ЮКЕА, 1997, С. 683 - 697.
6. Концепції сучасного природознавства. Під ред. В. Н. Лавриненко,
В. П. Ратникова, М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1999, С. 78 - 87.
7. Вавілін Б.В. "Автоколивання в жидкофазная хімічних системах".
Природа, 2000, № 5, С. 19 - 25.