Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego

Z Wikipedii

Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego (BZR z ang. Belousov-Zhabotinsky reaction) to oscylacyjna reakcja chemiczna występująca w wodnym roztworze w temperaturze pokojowej, w której wystepują okresowe zmiany barwy roztworu z okresem ok. jednej minuty.

W reakcji tej miesza się trzy wyjściowe roztwory wodne, które zaraz po zmieszaniu dają barwę zieloną, która po chwili przechodzi w niebieską, purpurową, czerwoną aż do powrotu do zieleni. Roztworami tymi są:

• 0,23 M KBrO₃ (bromian(V) potasu)
• 0,31 M kwas malonowy (lub kwas cytrynowy) + 0,059 M KBr
• 0,019 M (NH₄)₂Ce(NO₃)₆ + 2,7 M H₂SO₄

Oprócz tego do układu reakcji dodaje się niewielką ilość ferroiny, która zmienia barwę w wyniku ubocznej reakcji redoks, lecz nie wypływa bezpośrednio na przebieg całego procesu.

W sprzyjających warunkach, przy bardzo dokładnym utrzymaniu proporcji i przy zachowaniu idealnej czystości cykl powtarza się kilkanaście razy.

Spis treści 1 Historia 2 Mechanizm reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego 3 Przypisy 4 Linki zewnętrzne:

[edytuj] Historia

W latach 50. XX wieku Boris Pawłowicz Biełousow zaobserwował periodyczne zmiany stężenia podczas badań reakcji kwasu cytrynowego z bromkiem potasu (KBr) w obecności soli ceru (np. siarczanu ceru(III) Ce₂(SO₄)₃).^[1]

W latach sześćdziesiątych systematyczne badania nad reakcją odkrytą przez Biełousowa podjął Anatol Żabotyński. Określił on dokładnie warunki, w jakich reakcja ta może przebiegać.^[2]

[edytuj] Mechanizm reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego

Sumarycznie reakcja ta sprowadza się do odwracalnego utlenienia kwasu malonowego do dwutlenku węgla przez jony bromianowe, zaś jony ceru pełnią w procesie rolę katalizatora:

3 CH₂(COOH)₂ + 4 BrO₃^- → 4 Br^- + 9 CO₂ + 6 H₂O

W istocie jednak reakcja ta składa się z dwóch procesów zachodzących cyklicznie jeden po drugim^[3]

Pierwszy proces (A) przebiega sumarycznie wg równania:

BrO₃^- + 5 Br^- + 6 H⁺ → 3 Br₂ + 3 H₂O

i składa się z następujących reakcji elementarnych:

BrO₃^- + Br^- + 2 H⁺ → HBrO₂ + HOBr

HBrO₂ + Br^- + H⁺ → 2 HOBr

HOBr + Br^- + H⁺ → Br₂ + H₂O

Powstający brom reaguje z kwasem malonowym wg równania:

Br₂ + CH₂(COOH)₂ → BrCH(COOH)₂ + Br^- + H⁺

Druga reakcja (B) przebiega sumarycznie następująco:

2 BrO₃^- + 12 H⁺ + 10 Ce³⁺ → Br₂ + 6 H₂O + 10 Ce⁴⁺

i składa się z następujących aktów elementarnych:

BrO₃^- + HBrO₂ + H⁺ → 2 BrO₂• + H₂O

BrO₂• + Ce³⁺ + H⁺ → HBrO₂ + Ce⁴⁺

2 HBrO₂ → HOBr + BrO₃^-+ H⁺

2 HOBr → HBrO₂ + Br^- + H⁺

HOBr + Br^- + H⁺ → Br₂ + H₂O

Kluczowy wpływ na zmianę barwy ma cykliczna zmiana stężenia jonów Ce³⁺ i Ce⁴⁺, które sumarycznie można przedstawić w formie następującego równania:

2 Ce³⁺ + BrO₃^- + HBrO₂ + 3 H⁺ → 2 Ce⁴⁺ + H₂O + 2 HBrO₂.

Powstające jony ceru Ce⁴⁺ utleniają atomy żelaza(II) do żelaza(III). Jony Ce³⁺ są bezbarwne, jony Ce⁴⁺ posiadają intensywnie żółtą barwę. Kompleks ferroiny z atomami żelaza(II) ma barwę czerwoną, zaś z atomami żelaza(III) niebieską. Kombinacja żółtej barwy jonów Ce⁴⁺ i niebieskiej kompleksu ferroiny z atomami żelaza(III) daje w efekcie barwę zieloną.

Cykliczne zmiany stężenia jonów Ce³⁺ i Ce⁴⁺ wynikają z następującej kombinacji zjawisk:

• reakcja (B) ma charakter autokatalityczny - początkowo zatem przebiega bardzo powoli, aby w pewnym momencie nagle gwałtownie przyspieszyć
• reakcja (A) zachodzi przy odpowiednio wysokim, granicznym stężeniu jonów bromianowych (BrO₃^-), które są generowanie w reakcji (B)

Stężenie początkowych roztworów jest tak dobrane, aby najpierw zaszła szybko reakcja (A), zanim reakcja (B) zdąży nabrać tempa i jednocześnie tak, aby reakcja (B) zdążyła się "rozpędzić", zanim w układzie całkowicie nie zanikną jony bromkowe (Br^-) i H⁺. W związku z tym, w układzie dominuje najpierw reakcja (A), która nie ma bezpośredniego wpływu na zmianę barwy, a następnie większą rolę zaczyna odgrywać reakcja (B), która jednak jednocześnie dostarcza substratu dla reakcji (A), co po pewnym czasie powoduje ponowne przyspieszenie (A) i spowolnienie (B).

Przypisy

[edytuj] Linki zewnętrzne:

• Reakcje oscylacyjne Ewa Gudowska-Nowak