Oppdagelse av oscillerende kjemiske reaksjoner. Vibrasjonsreaksjoner Studerer fluktuasjoner i kjemiske reaksjoner på skolen

Essensen av oscillerende reaksjoner. Mekanisme og kinetikk for vibrasjonsreaksjoner.

Innhold

1. INNLEDNING………………………………………………………………………………………………………3
2. Grunnleggende begreper………………………………………………………………………4
3. Historie…………………………………………………………………………………………5
4. Betydning og omfang………………………….………………………8
5. Reaksjonsmekanismer………………………………………………………………………………………………………………10
6. Kinetikk av oscillerende reaksjoner……………………………………………….…14
7. Rekkefølgen av eksperimentet………………………..………………….15
8. Eksperimentelle data……………………………………………….……….18
9. Konklusjon………………………………………………………………………..23
10. Bibliografi…………..………………………………..…………24

INTRODUKSJON
Vibrasjonsreaksjoner er en av de mest interessante og attraktive grenene av uorganisk kjemi. De tiltrekker seg stor oppmerksomhet ikke bare til kjemikere, men også til fysikere, matematikere, biofysikere og mange andre, og er et aktuelt tema for moderne vitenskap. Derfor ønsker jeg i mitt arbeid å gjøre meg kjent med historien til oscillerende reaksjoner, deres praktiske anvendelse og de to mest kjente homogene oscillerende reaksjonene, samt forstå deres mekanismer og, etter å ha satt opp et eksperiment, bli kjent med oscillerende reaksjoner i øve på.

Grunnleggende begreper om oscillerende reaksjoner

• Vibrasjonsreaksjoner- en klasse redoksreaksjoner preget av periodiske fluktuasjoner av mellomliggende stoffer og, som et resultat, fluktuasjoner i farge, temperatur, strømningshastighet, etc.

1. katalytisk
2. homogen
3. Reaksjoner katalysert av enzymer
4. Reaksjoner katalysert av metallioner
5. Heterogen (reaksjoner på faste katalysatorer)
6. Ikke-katalytiske, selv om det er mer riktig å kalle dem autokatalytiske (oksidasjon av aromatiske forbindelser med bromat)

• Induksjonsperioden er tidspunktet for primær dannelse og akkumulering av reaksjonskatalysatoren.
• Oscillasjonsperiode - den minste tidsperioden som en fullstendig oscillasjon forekommer (det vil si at systemet går tilbake til samme tilstand som det var i det første øyeblikket, valgt vilkårlig)

Reaksjonsmekanismer
Til dags dato har flere titalls homogene og heterogene kjemiske reaksjoner blitt studert. Studiet av kinetiske modeller av slike komplekse reaksjoner gjorde det mulig å formulere en rekke generelle betingelser som er nødvendige for forekomsten av stabile oscillasjoner av reaksjonshastigheten og konsentrasjonene av mellomliggende stoffer:

1. Stabile fluktuasjoner forekommer i de fleste tilfeller i åpne systemer der det er mulig å holde konsentrasjonene av de deltakende reaktantene konstante.
2. En oscillerende reaksjon bør inkludere autokatalytiske og reversible stadier, samt stadier som hemmes av reaksjonsproduktene.
3. Reaksjonsmekanismen må inkludere trinn med en rekkefølge høyere enn den første.

3HOOC(OH)C(CH 2COOH) 2 + BrO 3 - Ce(3+/4+), H+→ Br - + 3CO2 + 3H20
Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen er den første av de oppdagede og studerte oscillerende reaksjonene. I den forbindelse kan det kanskje kalles en av de mest studerte reaksjonene til denne gruppen. For øyeblikket, på en eller annen måte, er tilstedeværelsen av åtti mellomstadier (og sidereaksjoner) som forekommer i systemet bekreftet.
Et av de tidligste og enkleste reaksjonsskjemaene var et opplegg som består av to stadier:

1. Oksidasjon av trivalent cerium med bromat

1. Og reduksjon av tetravalent cerium med sitronsyre

1. BrO 3 - + Br - + 2H + ↔ HBrO 2 + HBrO
2. HBrO2 + Br - + H + ↔ 2HBrO
3. HBrO + Br - + H + ↔ Br 2 + H 2 O
4. Br 2 + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → Br - + H + + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
5. BrO 3 - + HBrO 2 + H + ↔ 2BrO 2. + H2O
6. BrO2. + Ce3+ + H+ → HBrO2 + Ce4+
7. 2HBrO 2 ↔ BrO 3 - + HBrO + H +
8. HBrO + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → H 2 O + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
9. 18Ce 4+ + HOOC(OH)C(CH 2COOH) 2 + 5H 2 O → 18Ce 3+ + 6CO 2 + 18H +

Så la oss vurdere Ce 3+ / Ce 4+ svingninger i dette systemet. Anta at vi har en liten, gradvis økende mengde Ce 4+ i løsning, som betyr at konsentrasjonen av Br - også er liten og vokser på grunn av reaksjon (10). Så snart en viss kritisk konsentrasjon av Ce 4+ er nådd, vil derfor konsentrasjonen av Br - øke kraftig, noe som vil føre til binding av HBrO 2 trinn (2), nødvendig for katalytisk oksidasjon av Ce 3+ , trinn (5), (6). Det følger av dette at akkumuleringen av Ce 4+ i løsningen vil stoppe og konsentrasjonen vil avta i henhold til reaksjoner (9), (10). En høy konsentrasjon av Br - vil forårsake en økning i forbrukshastigheten i henhold til reaksjonene (1) - (3). I dette tilfellet, etter å ha redusert konsentrasjonen av Br - under en viss verdi, vil det praktisk talt stoppe reaksjonene (2) og (3), noe som fører til akkumulering av HBrO 2 . Herfra følger en økning i konsentrasjonen av Ce 4+ og en repetisjon av syklusen vi har passert.

Briggs-Rauscher reaksjon:
IO3- + 2H202 + H+ + RH Mn(2+/3+)→ RI + 2O2 + 3H2O
Hvor RH er malonsyre og RI er jodderivatet av malonsyre.
Denne reaksjonen ble oppdaget i 1973. Essensen av reaksjonen er oksidasjon av malonsyre med jodationer i nærvær av hydrogenperoksid og en katalysator (Mn 2+/3+ ioner). Når stivelse tilsettes som en indikator, observeres fluktuasjoner i fargen på løsningen fra fargeløs til gul, og deretter til blå, forårsaket av svingninger i jodkonsentrasjoner. En fullstendig studie av mekanismen til Briggs-Rauscher-reaksjonen er et komplekst og fortsatt uløst, kanskje først av alt, kinetisk problem. I følge moderne konsepter inkluderer mekanismen for denne reaksjonen opptil tretti stadier. Samtidig, for å forstå årsakene til svingninger, er det nok å vurdere en forenklet reaksjonsmekanisme, bestående av de elleve stadiene nedenfor:

1. IO 3 - + H 2 O 2 + H + → HIO 2 + O 2 + H 2 O
2. IO 3 - + HIO 2 + H + ↔ 2IO 2. + H2O
3. HIO 2 + H 2 O 2 → HIO + O 2 + H 2 O
4. IO2. + Mn 2+ + H 2 O ↔ HIO 2 + MnOH 2+
5. 2HIO + H 2 O 2 → 2I - + 4O 2 + 4H +
6. MnOH 2+ + I - + H + ↔ I. + Mn2+ + H2O
7. HIO + I - + H + ↔ I 2 + H2O
8. 2HIO 2 → IO 3 - + HIO + H +
9. RH↔enol
10. HIO + enol → RI + H2O
11. I 2 + enol → RI + I - + H +

Kinetikk av vibrasjonsreaksjoner

Rekkefølgen av eksperimentet
Belousov-Zhabotinsky-reaksjon.

Reagenser: Sitronsyre, kaliumbromat, cerium(III)sulfat, svovelsyre.
Redskap: Målesylinder 50 ml, varmebestandige glass 300 ml og 100 ml, glassstav, slikkepott.
Utstyr: Analytiske vekter, fliser.
For å utføre Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen, er det nødvendig å forberede følgende løsninger og prøver:

1. Forbered en løsning av sitronsyre og varm den til 50 o C.
2. Tilsett veide porsjoner av kaliumbromat og cerium(III)sulfat, rør med en glassstang.
3. Fjern fugemasse fra fliser.
4. Tilsett svovelsyre.

Briggs-Rauscher-reaksjon.
Nødvendige reagenser, redskaper og utstyr:
Reagenser: Kaliumjodat, svovelsyre, malonsyre, mangan(II)sulfat, stivelse, hydrogenperoksid.
Utstyr: målesylinder 50 ml, 2 kopper 500 ml, 3 kopper 100 ml, glassstang, slikkepott.
Utstyr: Analytisk balanse, magnetrører, magnet.
For å utføre Briggs-Rauscher-reaksjonen er det nødvendig å tilberede følgende løsninger:
Løsning #1:

Løsning #2:

Løsning #3

Rekkefølgen på eksperimentet:

1. Forbered alle nødvendige løsninger.
2. Hell 50 ml løsning nr. 1 i et 500 ml beger som inneholder en magnet og plasser det på en magnetrører. Slå den på.
3. Mål separat 25 ml av løsning nr. 2 og 40 ml av løsning nr. 3 i to andre glass.
4. Legg samtidig løsning nr. 2 og nr. 3 til løsning nr. 1.
5. Registrer induksjonsperioden og svingningsperioder.

Eksperiment
Belousov-Zhabotinsky reaksjon:
For å utføre reaksjonen ble en løsning av sitronsyre (20 g per 80 ml vann) fremstilt. For fullstendig oppløsning av sitronsyre måtte løsningen varmes opp på en elektrisk komfyr. Deretter ble veide porsjoner av kaliumbromat (8 g) og ceriumsulfat III (1,5 g) fremstilt og sekvensielt hellet i en løsning av sitronsyre. Etter omrøring med en glassstav ble svovelsyre tilsatt forsiktig under fortsatt omrøring, hvoretter svingninger i den hvit-gule fargen ble registrert.

Briggs-Rauscher reaksjon:
Tre løsninger ble forberedt for reaksjonen: kaliumjodatsulfatløsning (c (KIO 3) \u003d 0,067 mol / l; c (H 2 SO 4) \u003d 0,053 mol / l) - 50 ml, stivelsesløsning av malonsyre med tilsetning av en katalytisk mengde mangansulfat to (c (MnSO 4) \u003d 0,0067 mol / l; c (CH 2 (COOH) 2) \u003d 0,05 mol / l; stivelse 0,1%) - 25 ml og en syv-molar løsning av hydrogenperoksid - 40 ml. Løsning nr. 1 ble helt over i et beger, hvori magneten var plassert, i 250 ml. Begeret ble plassert på en magnetrører, som deretter ble slått på, og intensiv omrøring ble satt på slik at fargeendringen skjedde brått. Deretter, uten å stoppe omrøringen, ble innholdet i begreglassene med løsning nr. 2 og nr. 3 tilsatt, samtidig og raskt. Stoppeklokken målte utseendet til den første gule fargen - induksjonsperioden og begynnelsen av forekomsten av blå flekker - oscillasjonsperioden.

Induksjonsperioden er 2 sekunder.

Konklusjon: Etter hvert som reaksjonen fortsetter, observeres en gradvis økning i svingningsperioden, noe som er spesielt tydelig synlig på grafen:

Konklusjon
I denne artikkelen ble oscillerende reaksjoner og deres egenskaper vurdert, spesielt:

1. Bruksområdet for oscillerende reaksjoner i den moderne verden har blitt studert
2. Historien om oscillerende reaksjoner har blitt studert
3. Mekanismene til to oscillerende reaksjoner analyseres: Briggs-Rauscher

1. Belousov-Zhabotinsky-reaksjonsmekanismen ble tilpasset

1. En kontrollsyntese ble utført for visuell kjennskap til oscillerende reaksjoner.

Liste over brukt litteratur

1. D. Garel, O. Garel "Vibrasjonskjemiske reaksjoner" oversatt fra engelsk av L.P. Tikhonova. Forlaget "Mir" 1986. Side 13-25, 92-112.
2. ER. Zhabotinsky "Konsentrasjonsselvsvingninger". Forlag "Nauka" 1974. Side 87-89
3. OK. Pervukhin, Vibrasjonsreaksjoner. Verktøysett". Forlag ved St. Petersburg State University 1999. Side 3-11.
4. S. P. MUShTAKOVA "Vibrasjonsreaksjoner i kjemi" Saratov State University oppkalt etter V.I. N.G. Chernyshevsky
5. "Undersøkelse av betingelsene for forekomsten av et oscillerende regime i prosessen med oksidativ karbonylering av fenylacetylen". Side 2-4.
6. I.D. Ikramov, S.A. Mustafin. "EN ALGORITMME FOR Å SØKE RATEKONSTANTENE FOR VIBRASJONSRESPONSET VED EKSEMPEL PÅ BELousOV-ZHABOTSKY-REAKSJONEN". Bashkir kjemisk tidsskrift 2015
7. Pechenkin A.A. "Den ideologiske betydningen av oscillerende kjemiske reaksjoner"
8. Field R. J., Koros E., Noyes R. M., Oscillations in Chemical Systems II. Grundig analyse av temperale oscillasjoner i bromat-cerium-malonsyresystemet., J. Amer. Chem. Soc., 94, 8649-8664 (1972).
9. Noyes R. M., Field R. J., Koros E., J. Amer. Chem. Soc., 94, 1394-1395 (1972).

	Til last ned arbeid gratis å bli med i gruppen vår I kontakt med. Bare klikk på knappen nedenfor. I vår gruppe hjelper vi forresten med å skrive akademiske oppgaver gratis. Noen sekunder etter at abonnementet er bekreftet, vises en lenke for å fortsette nedlastingen av verket.

Studier av konsentrasjonssvingninger før oppdagelsen av reaksjonen av Belousov

Det viste seg at en av de første publikasjonene om kjemiske vibrasjoner dateres tilbake til 1828. I den skisserte T. Fechner resultatene av en studie av oscillasjonene til en elektrokjemisk reaksjon. I 1833 publiserte W. Herschel en lignende studie av oscillasjoner i en katalytisk heterogen reaksjon. Det mest interessante er verket til M. Rosenskiöld, som dateres tilbake til 1834. Forfatteren la helt tilfeldig merke til at en liten kolbe som inneholder litt fosfor sender ut ganske intenst lys i mørket. Det var ikke noe overraskende i selve lyset av fosfor, men det faktum at denne gløden regelmessig ble gjentatt hvert syvende sekund var interessant. Rosenskiölds publikasjon gir en detaljert studie av pæreflimmer. Førti år senere ble disse eksperimentene med den «flimmerkolbe» videreført av franskmannen M. Joubert (1874). Han klarte å observere den periodiske dannelsen av "lysende skyer" i et reagensrør. Tjue år senere studerte den tyske forskeren A. Tsentnershwer også effekten av lufttrykk på periodiske glimt av fosfor. I eksperimentene hans begynte flashperioden fra 20 sek. og redusert med synkende trykk. Samtidig, i England, observerte kjemikerne T. Thorp og A. Tatton periodiske glimt av oksidasjonsreaksjonen til fosfortrioksid i en forseglet glassbeholder.

En spesielt lys side i historien til kjemiske vibrasjoner er knyttet til de såkalte Liesegang-ringene. I 1896 oppdaget den tyske kjemikeren R. Liesegang, som eksperimenterte med fotokjemikalier, at hvis lapis slippes ned på en glassplate belagt med gelatinholdig kromtopp, så er reaksjonsproduktet, som utfelles, plassert på platen i konsentriske sirkler. Liesegang ble fascinert av dette fenomenet og studerte det i nesten et halvt århundre. Den fant også praktiske anvendelser. I brukskunst ble Liesegangs ringer brukt til å dekorere ulike produkter med imitasjon av jaspis, malakitt, agat osv. Liesegang foreslo selv teknologien for å lage kunstige perler. Likevel var ikke oppdagelsen av Liesegang, som hadde stor resonans i vitenskapelige kjemiske sirkler, den første. Og før ham ble kjemiske bølger studert, og i 1855 ble det utgitt en bok av F. Runge, der mange eksempler på slike eksperimenter ble samlet.

Listen over slike eksempler kan fortsettes. Etter disse ble oscillerende reaksjoner oppdaget i grensesnittet mellom to faser. Av disse er de mest kjente reaksjonene ved metall-løsning-grensesnittet, som fikk spesifikke navn - "jernnerve" og "kvikksølvhjerte". Den første av dem - reaksjonen med å løse opp jern (tråd) i salpetersyre - fikk navnet på grunn av den ytre likheten med dynamikken til en opphisset nerve, lagt merke til av V.F. Ostwald. Den andre, eller snarere en av variantene, er nedbrytningsreaksjonen av H 2 O 2 på overflaten av metallisk kvikksølv. I reaksjonen oppstår periodisk dannelse og oppløsning av en oksidfilm på kvikksølvoverflaten. Svingninger i overflatespenningen til kvikksølv forårsaker rytmiske pulseringer av dråpen, som minner om hjerteslag. Men alle disse reaksjonene tiltrakk seg ikke mye oppmerksomhet fra kjemikere, siden ideene om forløpet til en kjemisk reaksjon fortsatt var ganske vage.

Bare i andre halvdel av XIX århundre. termodynamikk og kjemisk kinetikk oppsto, som la grunnlaget for en spesifikk interesse for oscillerende reaksjoner og metoder for deres analyse. Og samtidig var det utviklingen av likevektstermodynamikk som først fungerte som en bremse for studiet av slike prosesser. Poenget var tilsynelatende i "tregheten til tidligere kunnskap." I følge professor Shnol, "kunne ikke en utdannet person forestille seg makroskopisk rekkefølge i den tilfeldige termiske bevegelsen til et stort antall molekyler: alle molekyler er i en tilstand, så i en annen! Som om å gjenkjenne eksistensen av en evighetsbevegelsesmaskin. Dette kan ikke være. Og det kan det faktisk ikke. Dette kan ikke være i nærheten av likevektstilstanden, men bare det ble vurdert av termodynamikken i disse årene. Det er imidlertid ingen begrensninger på komplekse, inkludert oscillerende, moduser for ikke-likevektskjemiske systemer, når reaksjonene er ennå ikke fullført, og konsentrasjonene av reagensene har ikke nådd likevektsnivået. Men denne omstendigheten unnslapp kjemikernes oppmerksomhet ... Det tok en ekstraordinær intellektuell innsats for å bryte ut av "jernlenkene til fullstendig kunnskap" og undersøke oppførselen til systemer langt fra likevekt.

Likevel, allerede i 1910, forutså italieneren A. Lotka, på grunnlag av en analyse av et system av differensialligninger, muligheten for svingninger i kjemiske systemer. De første matematiske modellene tilsvarte imidlertid bare dempede svingninger. Bare 10 år senere foreslo Lotka et system med to påfølgende autokatalytiske reaksjoner, og i denne modellen kunne svingningene allerede være udempet.

Men posisjonene til fysikere og kjemikere divergerte her. En av de mest slående prestasjonene innen fysikk og matematikk på XX århundre. - Skapelse av teorien om vibrasjoner. Store, universelt anerkjente fortjenester her tilhører sovjetiske fysikere. I 1928 ble hovedfagsstudent A.A. Andronov, en fremtidig akademiker, holdt en presentasjon på fysikerkongressen "Poincaré limit cycles and theory of self-oscillations".

På begynnelsen av 1930-tallet Ved Institute of Chemical Physics ved USSR Academy of Sciences ble det oppdaget fluktuasjoner i luminescens i "kalde flammer" som ligner på vibrasjonsluminescensen til fosfordamp, noe som interesserte den berømte fysikeren D.A. Frank-Kamenetsky, som forklarte disse svingningene på grunnlag av Lotkas kinetiske modell. Og i 1947, ved samme institutt, en avhandling om emnet "Om teorien om periodisk forekomst av homogene kjemiske reaksjoner" skrevet av I.E. Salnikov under vitenskapelig veiledning av Frank-Kamenetsky. Denne avhandlingen inneholdt omfattende informasjon om mer enn et århundres historie med studiet av kjemiske vibrasjoner og de første resultatene av deres teoretiske studie ved å bruke metodene til teorien om ikke-lineære vibrasjoner utviklet av skolen til akademiker Andronov. Men så fant hennes forsvar ikke sted. I følge Voltaire var "arbeidene til Frank-Kamenetsky og Salnikov om kjemiske selvsvingninger, presentert i en avhandling, i en bok og i en rekke artikler, absolutt nyskapende for den daværende kjemiske vitenskapen. Men få mennesker forsto denne innovasjonen. "Vibrasjonsideologi" (Andronovs begrep) var fremmed for den ikke-oscillerende rutinen innen kjemisk vitenskap og praksis, og dette kan forklare det faktum at verkene til Frank-Kamenetsky og Salnikov på 1940-tallet ble mottatt med fiendtlighet, og da den andre oppdagelsen av kjemiske vibrasjoner fant sted, ingen husket dem. Det er fortsatt et mysterium om Belousov hadde noen anelse om disse verkene. I alle fall gir ikke hans to papirer referanser til arbeidet til hans forgjengere.

Materialer brukt:
him.1september.ru, Wikipedia, Nature magazine, scholarpedia.org, hopf.chem.brandeis.edu, online.redwoods.cc.ca.us, vivovoco.rsl.ru.

Dedenev Yuri

Grunnen til å starte dette arbeidet var artikkelen "Vibrational reactions in chemistry" av S.P. Mushtakov fra Saratov State University oppkalt etter Chernyshevsky, publisert i Soros Educational Journal (Soros Educational Jornal) nr. 7 for 1997. I skolekjemikurset er det ikke en gang nevnt eksistensen av denne typen reaksjoner, de kalles også Belousov-Zhabotinsky-reaksjoner. Hensikten med dette arbeidet er å maksimere elevenes oppmerksomhet til emnet kjemi, det vil si ikke bare søket etter nuggets som er opptatt av kjemi, men også et forsøk på å vekke skjulte evner hos elever som ikke har blitt åpenlyst manifestert før nå. For å interessere dem, for å innpode en kjærlighet til kjemi som en av de mest interessante og vakreste vitenskapene i vår tid, som skjuler det enorme potensialet til uutforsket materiale, evnen til å skape nye, men ukjente stoffer. Vi kan med sikkerhet si at Kazan-kjemikerskolen er en av de sterkeste i Russland, og derfor ønsker vi at den skal fylles opp med unge, energiske og entusiastiske mennesker som kan innpode en kjærlighet til kjemi hos andre.

Nedlasting:

Forhåndsvisning:

RUSSISK ÅPEN STUDENTKONFERANSE

"UNG, VITENSKAP, KULTUR"

KJEMI seksjon

STUDIE AV VIBRASJONSKJEMISKE REAKSJONER

Dedenev Yuri

Ungdomsskole №105, 11. klasse, Kazan

Veileder:

Minnullin R.R., lærer i II-kvalifikasjonskategorien

Obninsk 2005

Symboler og forkortelser side 3

Introduksjon side 4

Kapittel 1. Historien om fremveksten og utsiktene til prosesser side 5

1.1. Historie om deteksjon av oscillerende prosesser side 5

1.2. Moderne historie om prosessforskning side 5

1.3. Potensielle prosessapplikasjoner Side 6

Kapittel 2. Teoretisk prediksjon av muligheten for en reaksjon side 7

2.1. Egenskaper til hovedkomponentene i reaksjonen side 7

2.2. De første matematiske modellene. Skuffsystemer side 7

Kapittel 3. Eksperimentell del side 9

3.1. Syntese av kaliumbromat (kaliumbromat) side 10

4+ s.10

3.3. Forberede og gjennomføre en oscillerende reaksjon side 11

Kapittel 4. Konklusjon s.14

Litteratur s.18

Vedlegg s.19

Figur 1 side 19

Figur 2 side 20

Konvensjoner

1. BZ - Belousov - Zhabotinsky

2. LK - Sitronsyre

3. MK - Malonsyre

4. BMA - Bromatmalonsyre

5. se - se

6. fig. - bilde

7.maks - maksimum

8. min - minimum

Introduksjon

Grunnen til å starte dette arbeidet var artikkelen "Vibrational reactions in chemistry" av S.P. Mushtakov fra Saratov State University oppkalt etter Chernyshevsky, publisert i Soros Educational Journal (Soros Educational Jornal) nr. 7 for 1997. I skolekjemikurset er det ikke en gang nevnt eksistensen av denne typen reaksjoner, de kalles også Belousov-Zhabotinsky-reaksjoner.

Hensikten med dette arbeidet er å maksimere elevenes oppmerksomhet til emnet kjemi, det vil si ikke bare søket etter nuggets som er opptatt av kjemi, men også et forsøk på å vekke skjulte evner hos elever som ikke har blitt åpenlyst manifestert før nå. For å interessere dem, å innpode en kjærlighet til kjemi som en av de mest interessante og vakreste vitenskapene i vår tid, som skjuler det enorme potensialet til uutforsket materiale, evnen til å skape nye, men ukjente stoffer. Vi kan med sikkerhet si at Kazan-kjemikerskolen er en av de sterkeste i Russland, og derfor ønsker vi at den skal fylles opp med unge, energiske og entusiastiske mennesker som kan innpode en kjærlighet til kjemi hos andre. Derfor har vi satt oss følgende oppgaver:

1. Gi en kort bakgrunn for oppdagelsen av oscillasjonsreaksjoner

2. Gi en teoretisk begrunnelse for mekanismene til oscillasjonsreaksjonene.

3. Utfør synteser for å få de nødvendige komponentene fra tilgjengelige kjemiske reagenser

4. Utfør oscillasjonsreaksjonen

Kapittel 1. Utseendehistorie og mulige utsikter

1.1 Historie om deteksjon av oscillerende prosesser

For første gang ble en oscillerende kjemisk reaksjon, som manifesterer seg i form av periodiske blink under oksidasjonen av fosfordamp, observert av Robert Boyle på slutten av 1600-tallet. Disse gjentatte utbruddene ble deretter gjentatte ganger beskrevet av mange forskere. På 1800-tallet ble det også oppdaget andre oscillerende reaksjoner. Imidlertid vakte de ikke mye oppmerksomhet, siden kjemisk kinetikk som vitenskap ennå ikke eksisterte. Bare fremveksten av termodynamikk og kjemisk kinetikk la grunnlaget for en spesifikk interesse for oscillerende reaksjoner og metoder for deres analyse. Forutsigelser om muligheten for svingninger i kjemiske systemer har blitt gjort siden 1910 på grunnlag av A. Lotkas matematiske modeller. I 1921 publiserte W. Bray en artikkel der den første oscillerende væskefasereaksjonen er beskrevet i tilstrekkelig detalj. Bray innså sammenhengen mellom oppdagelsen hans og Lotkas spådom. Arbeidet hans vakte imidlertid ikke interesse på rundt 40 år. En av grunnene til en slik likegyldighet er det ganske lave utviklingsnivået av metoder for å studere mekanismene til komplekse kjemiske reaksjoner. En annen grunn var den utbredte troen på at termodynamikkens andre lov forbyr slike fluktuasjoner selv langt unna likevekt. Faktisk mente de fleste kjemikere at svingninger i konsentrasjon i lukkede homogene systemer er umulige, med andre ord er det ingen rent kjemiske svingninger.

1.2 Moderne historie med forskning på oscillerende prosesser

Studier av oscillerende kjemiske reaksjoner i væskefasen begynte i 1951, da B.P. Belousov oppdaget svingninger i konsentrasjonene av de oksiderte og reduserende formene av cerium i reaksjonen av interaksjonen mellom sitronsyre og bromat. Løsningen endret seg regelmessig fra fargeløs til gul (på grunn av CeIV), deretter tilbake til fargeløs (CeIII), og så videre. Belousov utførte en ganske detaljert studie av denne reaksjonen og viste spesielt at svingningsperioden avtar kraftig med en økning i surheten til mediet og temperaturen. Reaksjonen var praktisk for laboratoriestudier. Oscillasjonene kunne lett observeres visuelt, og perioden deres var i området 10–100 s, sammenfallende med den naturlige tidsskalaen til en menneskelig observatør.

På slutten av 1961 ble arbeidet til B.P. Belousov ble videreført av A.M. Zhabotinsky, som fikk svingninger ved bruk av ikke bare sitronsyre, men også malonsyre, samt eplesyrer som reduksjonsmiddel i Belousov-reaksjonen. ER. Zhabotinsky utførte detaljerte studier av oscillasjoner i et system med malonsyre, som viste seg å være et mer praktisk reduksjonsmiddel, siden reaksjonen ikke ble komplisert av gassutvikling. Nyhetene om denne fantastiske reaksjonen gikk rundt i hele verden, og i flere laboratorier (i USSR, USA og Vest-Europa) begynte de å studere BZ-reaksjonen intensivt. Vibrasjonsreaksjoner har endelig kommet inn i kjemilaboratoriet.

1.3 Mulige utsikter for bruk av oscillerende prosesser

La oss vurdere utsiktene for mulig anvendelse av oscillerende kjemiske prosesser. Et særtrekk ved slike regimer, bemerket av Poincare på slutten av 1800-tallet, er deres høye følsomhet for de minste ytre forstyrrelser. Å drive forskning på dette området åpner for store muligheter for å skape fundamentalt nye metoder for analyse av spormengder av stoffer.

Det kvantitative grunnlaget for den analytiske bestemmelsen av ulike mikrourenheter (og svake ytre påvirkninger) kan være avhengigheten av frekvensen (perioden) av oscillasjoner på konsentrasjonen av reagenser eller katalysator. Siden måling av oscillasjonsfrekvensen er en av de enkleste og mest nøyaktig utførte operasjonene, kan selvoscillerende kjemiske reaksjoner brukes til analytiske formål.

En detaljert studie av samspillet mellom oscillasjoner som forplanter seg fra to romlig fjerne sentre, bidro til å forstå de ulike typene arytmier som oppstår i hjertemuskelen. For tiden er kinetikken til oscillerende reaksjoner en raskt utviklende gren av kunnskap som har oppstått i skjæringspunktet mellom kjemi, biologi, medisin, fysikk og matematikk. For tiden er det vist at kaotiske regimer er observert på mange områder av biologien (i biokjemi, biofysikk, studiet av biorytmer, i studiet av populasjonsdynamikk, migrasjon av organismer, etc.), økologi og i vid forstand av dette konseptet, noen sosiale prosesser (endring av befolkning, økonomisk utvikling). I mange tilfeller kan relativt enkle dynamiske kjemiske systemer med strengt kontrollerte konsentrasjonsendringer av initiale og mellomliggende kjemikalier være svært egnede funksjonsmodeller for studiet av kaotiske prosesser innen andre kunnskapsfelt (vitenskap om jorden og andre planeter, faststofffysikk, kjernefysikk). fysikk og elementær partikkelfysikk). , ingeniørmekanikk, etc.).

Kapittel 2 Teoretisk prediksjon av oscillasjonsreaksjoner

2.1. Egenskaper til hovedkomponentene i reaksjonen.

Reduksjonsmidlet må lett oksideres av den oksiderte formen av katalysatoren og må ikke reagere direkte med bromatet. I tillegg er det nødvendig at reduksjonsmidlet lett kan bromeres og bromderivatene dekomponerer ganske lett, og frigjør Br. Disse kravene oppfylles av stoffer med en aktiv metylengruppe. Reaksjoner som involverer MK, BMK, LA er kvalitativt like.

Stoffer (primært ioner med variabel valens), nær ceriumioner, både når det gjelder redokspotensialet og i kinetikken til oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner, kan brukes som katalysator.

Oksydasjonsreaksjonene til halogen-oksygenforbindelser har lignende kinetikk. Derfor er det naturlig å anta at klorat og jodat kan erstatte bromat. Klorat og jodat kan imidlertid ikke erstatte bromat som oksidasjonsmiddel. Redokspotensialene i reaksjonene til disse forbindelsene med forskjellige reduksjonsmidler (for eksempel halogenider) er nære. Imidlertid er hastighetene for oksidasjonsreaksjoner av de ovennevnte katalysatorene med jodat og klorat mye lavere enn oksidasjonshastighetene med bromat. Derfor forblir bromat det eneste oksidasjonsmidlet i denne klassen av reaksjoner.

2.2. De første matematiske modellene for oscillerende kjemiske reaksjoner

Skuffsystemer

Matematisk modellering av konsentrasjonsoscillerende systemer begynte med arbeidet til Lotka (1910), som vurderte systemet:

A X Y . 1.1

Det er et reservoar A, en lineær konvertering av A til X, en autokatalytisk konvertering av X til Y, og en lineær nedbrytning av Y. Denne modellen er brukt av Lotka for å beskrive både kjemiske og økologiske systemer. Lotka betraktet som et åpent system, dvs. med Helt fra begynnelsen forsømte han forbruket av A og tok ikke hensyn til sluttproduktene av transformasjonen Y. I tillegg beskrev han autokatalyse som en elementær reaksjon. Disse antakelsene fører til følgende ligningssystem:

x = k 0 A - k 1 xy, y = k 2 xy - k 3 y.

I det enkleste tilfellet k 2 = k 1. Medlemmer k 0 A og k 3 y kan beskrive både kjemiske reaksjoner og lineære transportprosesser i et åpent system.

Følgende modell, studert av Lotka (1920) og senere uavhengig av Voltaire (Volterra, 1931), inneholder to påfølgende autokatalytiske reaksjoner (denne modellen er viden kjent i økologien som "byttebytte-bytte"-modellen. For eksempel: A er den spesifikke mengde gress, hvis tilgang anses som uuttømmelig; X er bestandstettheten til planteetere; Y er bestandstettheten til rovdyr).

A X Y . 1.2

Ved å anta det samme for skjema (1.2) som for skjema (1.1), oppnådde Lotka og Voltaire følgende ligningssystem:

x \u003d k 1 Ax - k 2 xy, y \u003d k 3 xy - k 4 y.

Merk at den matematiske beskrivelsen av disse prosessene viste seg å være ganske komplisert. Det er ingen tilfeldighet at teoretiske arbeider om oscillerende reaksjoner fortsetter å bli publisert til i dag, selv om det tilsvarende matematiske apparatet ble utviklet på slutten av det nittende århundre. Matematisk modellering førte til uventede resultater. Det viste seg at et av de enkleste kjemiske skjemaene som beskriver svingninger i et system med to suksessive autokatalytiske reaksjoner er matematisk identisk med ligningene som Voltaire brukte på begynnelsen av 1930-tallet for å beskrive økologiske prosesser.

Som et eksempel, la oss bruke to interagerende systemer, hvorav det ene henter energien, stoffet eller andre komponenter det trenger for utvikling fra det andre (den kjemiske analogen er en oscillerende reaksjon). Dette problemet kalles rovdyr-byttedyr-problemet. For klarhetens skyld, la oss forestille oss at ulver og harer lever i et begrenset miljø. I dette økologiske systemet vokser gress, som lever av harer, som igjen er mat for ulv.Som du vet, hvis du har et sett med levende skapninger, vil bestanden deres øke i det uendelige under gunstige forhold. Faktisk begrenser ytre faktorer, som mangel på energi eller mat, denne vekstprosessen. Hvordan skjer dette i eksemplet med ulv og harer?

Tenk deg at opp til et visst punkt var samspillet mellom to delsystemer, det vil si bestander av ulv og harer, balansert: harer (med tanke på deres naturlige påfyll) var akkurat nok til å mate et visst antall ulver. Så, i øyeblikket tatt som null av tidstellingen, på grunn av noen svingninger, økte antallet harer. Dette økte mengden mat for ulvene og dermed antallet. Det var svingninger i antallet ulver. Dessuten vil antallet ulver og harer endre seg over tid periodisk rundt en viss gjennomsnittlig (likevekts) verdi. Velmatede ulver vil begynne å formere seg intensivt, og gi nytt avkom, som på rikelig mat raskt modnes og gir nytt avkom. Det er en situasjon når haren ikke lenger er i stand til å mate alle ulvene - antallet harer begynner å falle, og ulvene (foreløpig) fortsetter å vokse. Endelig er økosystemet overbefolket med ulv, og stedet for hare er nesten i den røde boken. La oss ikke forhaste oss med konklusjoner. Etter å ha blitt en økologisk sjeldenhet, blir harer et vanskelig bytte for ulv. Økosystemet går inn i neste fase: Antall harer har allerede falt til et minimumsnivå der de nesten er unnvikende for ulv. Husdyrene til sistnevnte, etter å ha passert et maksimum, begynner å avta, og denne reduksjonen fortsetter til et nivå er nådd som er i stand til å mate harene med deres minimumsantallet. Nå som antallet ulv har nådd et minimum, er det ingen som jakter på hare. Harer begynner å yngle, og den magre buskapen til ulv klarer ikke lenger å holde styr på dem. Antall harer på kort tid vil nå et nivå som gresset er i stand til å mate. Igjen er det en overflod av harer, og alt gjentar seg igjen.

Kapittel 3 Hovedeksperimentell del

3.1. Syntese av kaliumbromat (kaliumbromat)

1050 ml av en filtrert 30 % løsning av KOH (teknisk) helles i et stort porselensglass, og 110 g brom helles (under trekk) fra en dråpetrakt med et rør som når bunnen veldig sakte, under konstant omrøring. Den resulterende løsningen mettes (under trekk) med klor. Slutten av metning bestemmes som følger. En prøve av løsningen (10 ml) fortynnes med 10 ml vann, kokes til fullstendig fjerning av Br 2 og Cl2 (stivelsejodpapir skal ikke bli blått i flytende damp) og tilsett en dråpe fenolftaleinløsning. Når den er fullstendig mettet med klor, skal prøveløsningen ikke bli rød.

Reaksjonsløsningen avkjøles til 15°C Om C, separeres den utfelte blandingen av KS1O-krystaller 3 og KC1 (300 - 350 g) og rør dem med 150 ml vann i flere timer. De gjenværende KBrO-krystallene 3 sugd av på en Buchner-trakt, vasket med 100 ml vann og separert. Få 200 - 240 g råkaliumbromat.

Syntese kan uttrykkes ved følgende kjemiske reaksjonsligninger:

Br 2 + 2KOH = KBrO + KBr + H 2 O

KBrO + Cl 2 + 4KOH = KBrO 3 + 4KCl + 2H 2 O

KBr + Cl 2 + 6KOH = KBrO 3 + 6KCl + 3H 2 O

3.2. Mulige metoder for å oppnå katalysatoren Ce 4+

I skolens kjemiske laboratorier kan du finne ceriumdioksid, som pleide å være en del av skolens kjemiske reagenssett. Hovedoppgaven er å oppnå et hvilket som helst løselig ceriumsalt, i dette tilfellet er den enkleste måten å oppnå ceriumsulfat (VI), for dette er det nødvendig å utsette det tilgjengelige ceriumdioksidet for virkningen av konsentrert svovelsyre under koking. SEO 2 vi vil ikke oppløses i vann, derfor er det nødvendig å handle med svovelsyre direkte på pulveret av ceriumdioksid.

Reaksjonsligningen kan uttrykkes som følger:

SeO 2 + 2H 2 SO 4 \u003d Ce (SO 4) 2 + 2H 2 O

En lys gul løsning av cerium (VI) sulfat dannes, deretter kan den fordampes på en fordampningsskål til gule krystaller vises. Hvis det fortsatt ikke er ceriumdioksid, kan du få et løselig ceriumion på følgende måte: du kan bruke silisium fra lightere, du må ta flere av dem og løse opp i konsentrert svovelsyre ved oppvarming. Sammensetningen av silisium, fra lightere, inkluderer forbindelser av cerium (III) og (VI). Det bør imidlertid tas i betraktning at renheten til forsøket kan endre seg på grunn av tilstedeværelsen av urenheter i den opprinnelige komponenten.

3.3. Forberedelse og gjennomføring av en oscillerende reaksjon.

To løsninger er utarbeidet for eksperimentet. I det første tilfellet ble det brukt en løsning av ceriumsulfat eller nitrat (IV), i dette forsøket ble det brukt 1,0 g nylaget ceriumsulfat, oppløst i 15 ml vann og surgjort med svovelsyre. I den andre oppløses sitronsyre i 10 ml varmt vann og kaliumbromat helles der. For å løse stoffene fullstendig oppvarmes blandingen litt. De tilberedte løsningene helles raskt sammen og blandes med en glassstang. En lys gul farge vises, som etter 20 sekunder. endres til mørkebrunt, men etter 20 sekunder. blir gul igjen. Ved en temperatur på 45 Om En slik endring kan observeres innen 2 minutter. Deretter blir løsningen uklar, bobler av karbonmonoksid (IV) begynner å skille seg ut, og intervallene for vekslende farge på løsningen øker gradvis i en strengt definert sekvens: hvert neste intervall er 10-15 sekunder lenger enn det forrige, og temperaturen på løsningen øker også.

Under demonstrasjonen eller etter demonstrasjonen av eksperimentet for studenter, kan mekanismen for en kjemisk reaksjon forklares i en forenklet versjon, det vil si som en redoksprosess der bromsyre (BA) spiller rollen som et oksidasjonsmiddel, og sitronsyre virker som et reduksjonsmiddel:

KBrO 3 + H 2 SO 4 \u003d KHSO 4 + HBrO 3

9HBrO 3 + 2C 6 H 8 O 7 \u003d 9HBrO + 8H 2 O + 12CO 2

9HBrO + C 6 H 8 O 7 \u003d 9HBr + 4H 2 O + 6CO 2

Endringen i fargen på løsningen skjer under påvirkning av katalysatorer - ceriumforbindelser, som i sin tur også endrer graden av oksidasjon, men opp til en viss konsentrasjon av ionet, hvoretter den omvendte prosessen skjer.

Kapittel 4. Konklusjon

For enkelhets skyld vurderer vi først et forenklet opplegg for den selvoscillerende reaksjonen. I løpet av denne reaksjonen observeres fluktuasjoner i fargen på løsningen, forårsaket av fluktuasjoner i konsentrasjonen av cerium (VI). Svingninger i konsentrasjonen av cerium (VI) er vist i fig.2. Dette er avslapningsoscillasjoner, hvis periode (T) er tydelig delt inn i to deler: T1 - fasen av reduksjonen i konsentrasjonen av cerium (VI) og T2 - fasen av økningen i konsentrasjonen. Følgelig, i henhold til et forenklet skjema, består reaksjonen av to trinn: i det første trinnet reduseres tetravalent cerium med sitronsyre, fig.1.

OK

Ce4+ Ce3+ , (1)

i det andre oksideres treverdig cerium av bromat

BrO3

Ce3+ Ce4+ (2)

Bromatreduksjonsproduktene dannet i trinn (2) bromerer LA. De resulterende bromderivatene av LA blir ødelagt med frigjøring av bromioner. Bromid er en sterk reaksjonshemmer (2).

Hvilke som helst av produktene kan ha en katalytisk effekt på reaksjonen.

Dette fenomenet kalles autokatalyse. Et karakteristisk trekk ved den autokatalytiske reaksjonen er at den fortsetter med en variabel konsentrasjon av katalysatoren som øker i løpet av reaksjonen. Derfor øker hastigheten på den autokatalytiske reaksjonen i den innledende perioden, og bare i dypere stadier av transformasjonen, som et resultat av en reduksjon i konsentrasjonen av utgangsstoffene, blir økningen i hastigheten erstattet av en reduksjon.

Hastigheten til autokatalytiske prosesser, ettersom reagensene forbrukes, avtar ikke, men øker uten motsetning til massevirkningsloven. Reaksjonsmekanismen er slik at deres mellom- eller sluttprodukter har en akselererende effekt på prosessen. Derfor er hastigheten deres i begynnelsen forsvinnende liten, men vokser deretter sammen med en økning i konsentrasjonen av reaksjonsprodukter. I følge moderne terminologi omtales slike prosesser som prosesser med positiv tilbakemelding. Så, for eksempel, hvis et mellom- eller sluttprodukt av en flertrinnsprosess viser seg å være dets hemmer, vil selvhemming av reaksjonen bli observert - hastigheten vil avta raskere. Hva reduserer konsentrasjonen av de første reagensene.

I reaksjonen under interaksjonen av Ce4+ ioner med sitronsyre, reduseres de:

Ce 4+ + C 6 H 8 O 7 Ce 3+ + produkt (1)

Ce3+ som dannes under reaksjonen må da reagere med bromationet:

Ce 3+ + BrO 3 Ce 4+ (2)

fører til en stasjonær fordeling av cerium mellom oksidasjonstilstander. Imidlertid er reaksjon (2) autokatalytisk, og i den innledes den selvakselererende strømmen av en induksjonsperiode, det vil si at reaksjonen ikke starter umiddelbart. Derfor, i løpet av induksjonsperioden, nesten alle Ce-ioner 4+ gå til Ce 3+ . I dette tilfellet, fargen på løsningen, på grunn av absorpsjon av lys i det synlige området av spekteret av Ce-komplekset 4+ med sitronsyre, forsvinner. Ved slutten av induksjonsperioden skjer en selvakselererende rask overgang av Ce-ioner 3+ i Ce 4+ og løsningen går tilbake til sin opprinnelige farge.

Den periodiske karakteren av prosessen kan forklares som følger. Som et resultat av reaksjon (1):

Ce(VI) + sitronsyre Ce(III) + produkt

bromid dannes - ioner som bremser reaksjonen (2):

Ce(III) + HBrO 3 Ce(VI) + produkter.

Konsentrasjonen av bromid i systemet avhenger imidlertid av reaksjonshastigheten der bromid forbrukes på grunn av interaksjon med bromat

(BrO 3 + Br Br 2 ). Hvis konsentrasjonen av bromid er tilstrekkelig høy, stopper reaksjon (2) siden Ce(VI) ikke regenereres under oksidasjonen av Ce(III) med bromat, og som et resultat avbrytes den katalytiske syklusen. Når konsentrasjonen av Ce(VI), som synker som følge av reaksjon (1), når minimum mulig verdi, begynner konsentrasjonen av bromidionet å avta kraftig. Deretter akselererer reaksjon (2) merkbart og Ce(VI)-konsentrasjonen vokser til en viss verdi, hvorved bromidkonsentrasjonen begynner å øke raskt, og derved bremser reaksjonen (2). Deretter gjentas hele syklusen, fig.2.

Generelt kan reaksjonsmekanismen beskrives ved følgende sett med ligninger:

Prosess A

BrO3 + 2Br + 3(CH2)2C(OH)(COOH)3 + 3H +

3BrCH(CH2)C(OH)(COOH)3 + 3H2O

Br03 + Br + 2H + HBr02 + HOBr

HBr02 + Br + H + 2HOBr

HOBr + Br + H + Br 2 + H 2 O

Br 2 + (CH 2 ) 2 C(OH)(COOH) 3 BrCH(CH 2)C(OH)(COOH) 3 + Br + H +

Prosess B

BrO 3 + 4Ce 3+ + (CH 2 ) 2 C(OH)(COOH)3 + 5H +

BrCH(CH 2 )C(OH)(COOH) 3 + 4Ce 4+ + 3H 2 O

BrO3 + HBrO2 + H + 2BrO2 + H2O

BrO 2 + Ce 3+ + H + HBrO 2 + Ce 4+

2HBrO2BrO3 + HOBr + H+

HOBr + (CH 2 ) 2 C(OH)(COOH) 3 BrCH(CH 2 )C(OH)(COOH) 3 + H 2 O

I tillegg til det ovennevnte er det også reaksjoner: interaksjoner av sitronsyre med cerium (VI) ioner og svovelsyre (på grunn av forsuring av løsningen og dissosiasjon av cerium (VI) sulfat), er reaksjonsmekanismene ikke beskrevet på grunn av deres kompleksitet, er produktene av disse reaksjonene karbonmonoksid (IV ), karbonmonoksid (II), vann og delvis dimetylketon.

Nå kan vi oppsummere alt som er sagt og gi en definisjon av oscillerende reaksjoner: oscillerende reaksjoner er periodiske prosesser preget av fluktuasjoner i konsentrasjoner og følgelig konverteringshastigheter. Årsaken til forekomsten av konsentrasjonssvingninger er tilstedeværelsen av tilbakemeldinger mellom de individuelle stadiene av en kompleks reaksjon.

Vi håper inderlig at arbeidet vårt vil vekke oppmerksomhet fra mange, og at det vil bli videreutviklet og videreført.

Referanser

1. ER. Zhabotinsky Konsentrasjonssvingninger. M.: - Vitenskap. 1974.
2. Yu.V. Karyakin, I.I. Engler Rene kjemikalier. M.: - Kjemi. 1974.
3. B.N. Stepanenko Kurs i organisk kjemi. M .: - Videregående skole. 1972.
4. PÅ. Ostapkevich Workshop om uorganisk kjemi. M .: - Videregående skole 1987
5. V.N. Aleksinsky Underholdende eksperimenter i kjemi. Moskva: Utdanning, 1980.
6. Soros pedagogisk tidsskrift. nr. 7.1997.

blindtarm

[ce4+]

M - - - - - - -

N - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - | - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- -

| | |

| | |

| T 1 | T 2 |

| | |

| | t

| T |

| |

| |

Figur 1. Selvsvingninger av konsentrasjonen av cerium (VI)

[ce4+]

Maks - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Min - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

[Br]

Fig.2. Avhengighet av endringen i konsentrasjonen av cerium (VI) på konsentrasjonen av bromid - ioner.

VIBRASJONSREAKSJONER- en klasse med periodiske redoksreaksjoner. Reaksjonsmekanismen er lik den til en låseanordning. For første gang ble slike reaksjoner oppdaget i 1951 av Moskva-kjemikeren B.P. Belousov.

Oscillerende reaksjoner fortsetter med deltakelse av en katalysator (for første gang ble dette oppdaget under reaksjonen i nærvær av ceriumioner) og består vanligvis av to trinn.

Nødvendige forhold for forekomsten av slike reaksjoner:

a) hastigheten til det første trinnet bør betydelig overstige hastigheten til det andre trinnet;

b) i det andre stadiet skal det dukke opp en forbindelse som hemmer forløpet av det første stadiet (det kalles en inhibitor).

En lignende reaksjon kan observeres ved blanding av vandige løsninger av et cerium (III) salt (for eksempel ceriumsulfat), kaliumbromat KBrO 3 og brommalonsyre HO (O) C - CH (Br) - C (O) OH. Reaksjonsmassen surgjøres med svovelsyre.

I det første trinnet reduseres det treverdige ceriumionet (som oppsto under dissosiasjonen av ceriumsaltet) av bromatanionet (det tilføres av kaliumbromat). I dette tilfellet oksideres Ce(III)-ionet til Ce(IV), som er eksternt merkbart fra endringen i fargen på reaksjonsløsningen - Ce(III)-ioner i en vandig løsning er fargeløse, og Ce(IV) er gule.

10Ce 3+ + 2BrO 3 – + 12H + = 10Ce 4+ + Br 2 + 6H 2 O (I)

På neste trinn reagerer det resulterende Ce (IV) -ionet med bromomalonsyre og oksiderer det:

4Ce 4+ + HO(O)C – CH(Br) – C(O)OH + 2H 2O =

4Ce3+ + HC(O)OH + 2CO2 + 5H + + Br - (II)

I dette tilfellet blir cerium igjen Ce (III)-ionet og kan igjen delta i reaksjon I. I dette tilfellet spiller det rollen som en typisk katalysator, deltar i reaksjonen, men forbrukes ikke, likevel vil reaksjonen ikke fortsett uten. Kaliumbromat og brommalonsyre forbrukes under reaksjonen, cerium overfører bare elektroner fra ett reagens til et annet (startreagensene er merket med svart, og reaksjonsproduktene er i rødt):

Det særegne ved denne reaksjonen er at i trinn II ble bromanionet Br – . Det hemmer, det vil si, hemmer stadium I, men påvirker ikke stadium II. Som et resultat akkumuleres produktene fra trinn II, primært Ce 3+ ioner i reaksjonssystemet. På et bestemt tidspunkt, når disse ionene er akkumulert i store mengder, kan bromioner ikke lenger hemme stadium I, og det fortsetter med høy hastighet. Ce(IV)-ioner dukker opp igjen i systemet og deltar deretter i det langsomme stadiet II. Dermed spiller bromioner rollen som en trigger som hindrer det første trinnet i å starte opp til et visst punkt. Utad ser det slik ut (Ce(III)-ioner i en vandig løsning er fargeløse, og Ce(IV) er gule): reaksjonsmassen blir øyeblikkelig gul, og blir deretter sakte fargeløs (fig. 4, beger nr. 1) . Fargen endres omtrent hvert halvannet minutt, tidsintervallet forblir uendret i flere timer. Hvis du gradvis legger til forbruksreagenser, vil en slik "kjemisk klokke" fungere i veldig lang tid. Når temperaturen stiger, forkortes tidssyklusen til den oscillerende responsen.

Det finnes andre eksempler på oscillerende reaksjoner. I systemet beskrevet ovenfor kan ceriumioner erstattes med jernioner. For dette brukes et kompleks av Fe (II) sulfat med tre molekyler fenantrolin, som er farget rødt i en vandig løsning (dette komplekset er mye brukt for kvantitativ bestemmelse av jern):

Et lignende Fe(III)-kompleks, som oppstår som et resultat av oksidasjon, farges blått, i løpet av reaksjonen blir den blå fargen øyeblikkelig rød, som gradvis blir blå igjen (fig. 4, beger nr. 2). .

Hvis vi erstatter brommalonsyre med sitron [HOC(O)CH 2 ] 2 C(OH)C(O)OH, så i nærvær av katalytiske mengder mangansalter, oppstår et system der fargen pulserer hvert annet minutt (fig. 4, glass nr. 3) . Oksal-eddiksyre HOC(O)CH 2 C(O)C(O)OH med ceriumsalter teller seks sekunders intervaller (glass nr. 4). Tidsintervallene i den animerte figuren vises betinget, det lengste fargeskifteintervallet er i glass nr. 3, det minste er i glass nr. 4

Rett etter oppdagelsen av slike reaksjoner ble det funnet at slike prosesser er ganske vanlige. Som et resultat ble det utviklet en generell teori om oscillerende prosesser, som inkluderer noen gassfasereaksjoner (for eksempel oksidasjon av hydrokarboner), heterofaseoksidasjon av karbonmonoksid, hydrogen, ammoniakk, etylen på metallkatalysatorer og en rekke polymeriseringer. prosesser. Oscillerende reaksjoner bestemmer forløpet til noen av de viktigste biologiske prosessene: generering av nerveimpulser og mekanismen for muskelkontraksjon.

Mikhail Levitsky

Kunnskapsdepartementet, ungdoms- og idrettsdepartementet

Teoretisk Lyceum Petru Movilă

avdeling

"Evne, arbeid, talent"

Kurs i kjemi om emnet:

"Vibrasjonskjemiske reaksjoner"

Fullført av: elev av klasse 12A

Bolyubash Irina

Foreleser: Snidchenko M.A.

* Chisinau, 2007 *

1. Introduksjon:

a) Redoksreaksjoner

b) Vibrasjonskjemiske reaksjoner

2. Historien om oppdagelsen av oscillerende reaksjoner:

a) Studier av konsentrasjonssvingninger før funn

reaksjonene til B. P. Belousov

3. Teoretisk del:

a) Matematisk modell av A. Lotka

b) Studie av mekanismen for oscillerende reaksjoner

4. Eksperimentell del

5. Konklusjon

6. Søknad:

a) Oppskrifter på noen oscillerende reaksjoner

b) Illustrasjoner for utførte eksperimenter

7. Litteratur

Introduksjon.

Kjemi er en eksperimentell vitenskap. Og derfor har eksperimentet som metode for vitenskapelig forskning lenge inntatt en ledende plass blant naturvitenskapenes metoder. Eksperimentet er den viktigste måten å koble teori med praksis i å undervise i kjemi, og gjøre kunnskap om til overbevisning. Derfor er avsløringen av den kognitive betydningen av hver opplevelse hovedkravet for et kjemisk eksperiment.

Under eksperiment (otlat. "eksperiment" - "prøve") forstå observasjonen av fenomenet som studeres under visse forhold, slik at du kan følge forløpet av dette fenomenet og gjenta det under disse forholdene. Det kjemiske eksperimentet inntar en viktig plass i kjemiundervisningen, siden man kjenner mangfoldet av stoffers natur gjennom observasjoner og eksperimenter, fakta akkumuleres for sammenligninger, generaliseringer og konklusjoner.

Gjennom å utføre eksperimenter og observere kjemiske transformasjoner under forskjellige forhold, er vi overbevist om at komplekse kjemiske prosesser kan kontrolleres, at det ikke er noe mystisk i fenomenene, de adlyder naturlover, hvis kunnskap gjør det mulig å bruke kjemiske transformasjoner i stor utstrekning i praktiske mennesker aktivitet.

Resultatene av noen kjemiske eksperimenter er imidlertid uventede og passer ikke inn i tradisjonelle ideer om stoffers egenskaper eller mønstre for kjemiske reaksjoner. Slike kjemiske transformasjoner har blitt kalt problemeksperimenter.

Selv på antikkens tid trodde filosofer at all kunnskap begynner med overraskelse. Overraskelsen forårsaket av det nye fører til utvikling av nysgjerrighet (følsomhet for problemer i omverdenen) med den påfølgende dannelsen av en stabil interesse for noe. Overraskelse og, etter det, trangen til kunnskap - dette er grobunn for å studere problemeksperimentet, dannelsen av dialektisk og systemisk tenkning og avsløringen av kreativt potensial.

Den samme tilstanden kan være forårsaket av et lyst, imponerende kjemisk eksperiment (problemeksperiment). I kjemi er årsakene til problematiske eksperimenter, oftest, redoksreaksjoner.

Redoksreaksjoner

Det er mange kriterier for klassifisering av kjemiske reaksjoner. En av de viktigste er et tegn på en endring i oksidasjonstilstandene til grunnstoffene. Avhengig av om oksidasjonstilstandene til grunnstoffene endres eller forblir, kan kjemiske reaksjoner deles inn i redoksreaksjoner og de som skjer uten å endre oksidasjonstilstandene.

Reaksjoner som oppstår med en endring i oksidasjonstilstander til grunnstoffer (redoks) er viden kjent. De spiller en viktig rolle i teknologi og natur, de ligger til grunn for metabolismen i levende organismer, de er assosiert med prosessene med oksidasjon, forråtnelse, gjæring og fotosyntese. Prosessene for oksidasjon (og reduksjon) skjer under forbrenning av drivstoff, korrosjon av metaller, elektrolyse, med deres hjelp oppnås metaller, ammoniakk, alkalier og mange andre verdifulle produkter. Derfor er studiet av redoksreaksjoner gitt i skolekursene i uorganisk og organisk kjemi.

Husk hovedbestemmelsene knyttet til konseptet redoksreaksjoner.

Oksidasjonstilstand tilsvarer ladningen som vil dukke opp på et atom til et gitt grunnstoff i en kjemisk forbindelse, forutsatt at alle elektronpar som dette atomet er forbundet med andre er fullstendig fortrengt til atomer av elementer med større elektronegativitet.

Oksidasjonsmiddel- et stoff som inneholder atomer eller ioner som aksepterer elektroner: Xm ^{(oksidasjonsmiddel) + ne- = X(m-n) , der m er oksidasjonstilstanden til grunnstoffet i startstoffet, n er antall elektroner.}

Reduksjonsmiddel- et stoff som inneholder atomer eller ioner som donerer elektroner: Ym ^{(reduksjonsmiddel) - ne-= Y(m+n).}

Oksidasjon- prosessen med å avgi elektroner av et atom, molekyl eller ion, mens oksidasjonstilstanden til grunnstoffet øker.

Gjenoppretting- prosessen med å motta elektroner av et atom, molekyl eller ion, mens oksidasjonstilstanden til grunnstoffet avtar.

Oksidasjon og reduksjon er konjugerte prosesser, antallet elektroner gitt av reduksjonsmidlet i prosessen med dets oksidasjon er alltid lik antallet elektroner som aksepteres av oksidasjonsmidlet i prosessen med dets reduksjon.

Vibrasjonskjemiske reaksjoner

I denne semesteroppgaven vil jeg ta for meg et spesielt tilfelle av et problematisk eksperiment, oscillerende kjemiske reaksjoner. Oscillerende reaksjoner er en hel klasse reaksjoner av oksidasjon av organiske stoffer med deltakelse av en katalysator med redoksegenskaper. Denne prosessen fortsetter syklisk, det vil si at den består av flere repetisjoner.

Vibrasjonskjemiske reaksjoner ble oppdaget og vitenskapelig underbygget i 1951 av den sovjetiske forskeren Boris Petrovich Belousov. B.P. Belousov studerte oksidasjonen av sitronsyre under reaksjonen med natriumbromat i en løsning av svovelsyre. For å forsterke reaksjonen tilsatte han ceriumsalt til løsningen. Cerium er et metall med variabel valens (3+ eller 4+), så det kan være en katalysator for redokstransformasjoner. Reaksjonen er ledsaget av frigjøring av CO2-bobler, og derfor ser det ut til at hele reaksjonsblandingen "koker". Og mot bakgrunnen av denne kokingen la B.P. Belousov merke til en utrolig ting: fargen på løsningen endret seg med jevne mellomrom - den ble enten gul eller fargeløs. Belousov tilsatte kompleksfenantrolin med toverdig jern (ferroin) til løsningen, og fargen på løsningen begynte å endre seg periodisk fra lilla-rød til blå og tilbake.

Dermed ble reaksjonen som ble kjent oppdaget. Nå er det kjent over hele verden, det kalles Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen. A. M. Zhabotinsky gjorde mye for å forstå dette fantastiske fenomenet. Siden den gang har et stort antall lignende reaksjoner blitt oppdaget.

Historien om oppdagelsen av oscillerende reaksjoner.

I. P. Belousov gjorde oppdagelsen av en oscillerende kjemisk reaksjon i et forsøk på å lage en enkel kjemisk modell av noen stadier av systemet med viktige biokjemiske transformasjoner av karboksylsyrer i en celle. Den første rapporten om oppdagelsen ble imidlertid ikke publisert. Anmelderen av et kjemisk tidsskrift tvilte på den grunnleggende muligheten for reaksjonen beskrevet i artikkelen. De fleste kjemikere i disse årene mente at det ikke fantes rent kjemiske svingninger, selv om eksistensen av oscillerende reaksjoner ble spådd i 1910 av A. Lotkoy på grunnlag av den matematiske teorien om periodiske prosesser.

Det andre forsøket på å publisere resultatene av studien ble gjort av forskeren i 1957, og igjen ble han nektet, til tross for arbeidet til den belgiske fysikeren og fysikokjemikeren I. R. Prigozhin som dukket opp på den tiden. Disse arbeidene viste muligheten og sannsynligheten for oscillerende kjemiske reaksjoner.

Det var først i 1959 at et kort sammendrag ble publisert om oppdagelsen av B. P. Belousov av en periodisk virkende oscillerende kjemisk reaksjon i en lite kjent utgave av Collection of Abstracts on Radiation Medicine.

Og saken er at da B. P. Belousov gjorde sin oppdagelse, så periodiske endringer i konsentrasjonen av reagenser ut til å være et brudd på termodynamikkens lover. Faktisk, hvordan kan en reaksjon gå enten fremover eller i motsatt retning? Det er umulig å forestille seg at hele det enorme antallet molekyler i karet var i en tilstand, så i en annen (enten alle "blå", så alle "rød" ...).

Reaksjonsretningen bestemmes av det kjemiske (termodynamiske) potensialet - reaksjonene utføres i retning av mer sannsynlige tilstander, i retning av å redusere den frie energien til systemet. Når reaksjonen i denne retningen er fullført, betyr det at potensialet er brukt opp, termodynamisk likevekt er nådd, og uten energiforbruk, spontant, kan ikke prosessen gå i motsatt retning. Og så ... går reaksjonen i den ene eller den andre retningen.

Det var imidlertid ingen brudd på lovene i denne reaksjonen. Det var svingninger - periodiske endringer - i konsentrasjonene av mellomprodukter, og ikke de initiale reagensene eller sluttproduktene. CO2 blir ikke til sitronsyre i denne reaksjonen, dette er faktisk umulig. Anmelderne tok ikke hensyn til at selv om systemet er langt fra likevekt, kan mange fantastiske ting skje i det. De detaljerte banene til systemet fra starttilstand til slutttilstand kan være svært komplekse. Først de siste tiårene har termodynamikken til systemer langt fra likevekt begynt å håndtere disse problemene. Denne nye vitenskapen ble grunnlaget for en ny vitenskap - synergetikk (teorien om selvorganisering).

Belousovs reaksjon, som nevnt ovenfor, ble studert i detalj av A. M. Zhabotinsky og hans kolleger. De erstattet sitronsyre med malonsyre. Oksydasjonen av malonsyre er ikke ledsaget av dannelsen av CO2-bobler; derfor kan endringen i fargen på løsningen registreres uten forstyrrelser av fotoelektriske enheter. Senere viste det seg at ferroin, selv uten cerium, fungerer som en katalysator for denne reaksjonen. B. P. Belousov la allerede i de første eksperimentene merke til en annen bemerkelsesverdig egenskap ved reaksjonen hans: når røringen stoppes, forplanter fargeendringen i løsningen seg i bølger. Denne fordelingen av kjemiske vibrasjoner i rommet ble spesielt tydelig da, i 1970, A. M. Zhabotinsky og A. N. Zaikin helte reaksjonsblandingen i et tynt lag i en petriskål. Bisarre figurer dannes i koppen - konsentriske sirkler, spiraler, "virvler" som forplanter seg med en hastighet på omtrent 1 mm / min. Kjemiske bølger har en rekke uvanlige egenskaper. Så når de kolliderer, er de slukket og kan ikke passere gjennom hverandre.

Konsentrasjonsstudier
svingninger før oppdagelsen av reaksjonen av B. P. Belousov

Men som historien går, var oppdagelsen av B.P. Belousov på ingen måte den første i verdensvitenskapen. Det viste seg at en av de første publikasjonene om kjemiske vibrasjoner dateres tilbake til 1828. I den skisserte T. Fechner resultatene av en studie av svingningene til en elektrokjemisk reaksjon.i mørket avgir den ganske intenst lys. Det var ikke noe overraskende i selve lyset av fosfor, men det faktum at denne gløden regelmessig ble gjentatt hvert syvende sekund var interessant. Førti år senere ble disse eksperimentene med den «flimmerkolbe» videreført av franskmannen M. Joubert (1874). Han klarte å observere den periodiske dannelsen av "lysende skyer" i et reagensrør. Tjue år senere studerte den tyske forskeren A. Tsentnershwer også effekten av lufttrykk på periodiske glimt av fosfor. I eksperimentene hans begynte flashperioden ved 20 s og avtok med synkende trykk.

En spesielt lys side i historien til kjemiske vibrasjoner er knyttet til de såkalte Liesegang-ringene. I 1896 oppdaget den tyske kjemikeren R. Liesegang, som eksperimenterte med fotokjemikalier, at hvis lapis slippes ned på en glassplate belagt med gelatin som inneholder en kromtopp, er reaksjonsproduktet, som utfelles, plassert på platen i konsentriske sirkler. Liesegang ble fascinert av dette fenomenet og studerte det i nesten et halvt århundre. Den fant også praktiske anvendelser. I brukskunst ble Liesegangs ringer brukt til å dekorere ulike produkter med imitasjon av jaspis, malakitt, agat osv. Liesegang foreslo selv en teknologi for å lage kunstige perler.

Listen over slike eksempler kan fortsettes. Etter det ovennevnte ble det oppdaget oscillerende reaksjoner ved grensesnittet mellom to faser. Av disse er de mest kjente reaksjonene ved grensesnittet mellom metall og løsning, som fikk spesifikke navn - "jernnerve" og "kvikksølvhjerte". Den første av dem - reaksjonen med å løse opp jern (tråd) i salpetersyre - fikk navnet på grunn av den ytre likheten med dynamikken til en opphisset nerve, lagt merke til av VF Ostwald. Den andre, eller snarere en av variantene, er nedbrytningsreaksjonen av H2O2 på overflaten av metallisk kvikksølv. I reaksjonen oppstår periodisk dannelse og oppløsning av en oksidfilm på kvikksølvoverflaten. Svingninger i overflatespenningen til kvikksølv forårsaker rytmiske pulseringer av dråpen, som ligner et hjerteslag. Men alle disse reaksjonene vakte ikke mye oppmerksomhet fra kjemikere, siden ideene om forløpet til en kjemisk reaksjon fortsatt var ganske vage.

Bare i andre halvdel av XIX århundre. termodynamikk og kjemisk kinetikk oppsto, som la grunnlaget for en spesifikk interesse for vibrasjonsreaksjoner og metoder for deres analyse.

Matematisk modell av A. Lotkoy

Den matematiske teorien om oscillasjoner i systemer som ligner på kjemiske reaksjoner ble publisert tilbake i 1910 av A. Lotka – han skrev et system med differensialligninger, hvorfra muligheten for periodiske regimer fulgte. Lotka vurderte samspillet mellom "byttedyr", for eksempel planteetere, og "rovdyr" som spiser dem (X og Y). Rovdyr spiser byttedyr og formerer seg - konsentrasjonen av Y øker, men til en viss grense, når antallet byttedyr avtar kraftig og rovdyr dør av sult, synker konsentrasjonen av Y. Så begynner de overlevende ofrene å formere seg – konsentrasjonen av X vokser. De overlevende rovdyrene etter dette formerer seg også, konsentrasjonen av Y vokser igjen, og så videre mange ganger. Periodiske fluktuasjoner i konsentrasjonen av reagenser observeres. Det er klart at betingelsen for slike udempede (i lang tid) svingninger er overflod av gress - maten til ofrene. Lotkas ligninger ble forbedret av V. Volterra. Og den moderne teorien om oscillasjoner ble utviklet av russiske fysikere L. I. Mandelstamm, A. A. Andronov, A. A. Witt, S. E. Khaikin, D. A. Frank-Kamenetsky. Så for fysikere og matematikere var Belousovanes oppdagelse så fantastisk.

Studie av mekanismen for oscillerende reaksjoner.

Den detaljerte mekanismen til Belousov-reaksjonen er fortsatt ikke helt kjent. I de første arbeidene så det ut til at antallet mellomprodukter var lite. For å forklare arten av vibrasjonene var det tilstrekkelig å forestille seg hvordan brommalonsyre først dannes fra ismalonsyre, og i den videre reaksjonen omdannes KBrO3 til KBr. Anionet Br-- hemmer videre oksidasjon av brommalonsyre, og den oksiderte formen av katalysatoren (fireverdig cerium eller jernjern i kombinasjon med fenantrolin) akkumuleres. Som et resultat stopper akkumuleringen av Br--, og oksidasjonen av brommalonsyre gjenopptas ... Nå er det klart at en slik mekanisme er langt fra fullført. Antallet mellomprodukter har nådd førti, og studien fortsetter.

I 1972 viste R. Noyes og kolleger at Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen er et resultat av minst ti reaksjoner som kan kombineres i tre grupper - A, B og C.

Først (reaksjonsgruppe A) interagerer bromationet med bromidionet i nærvær av H + for å danne brom- og hypobromsyrer:

BrO-3+ Br-- + 2H+ = HBrO2 + HOBr (MEN1)

hypobromsyre:

HBrO2+ Br-- + H+ = 2HOBr (MEN2)

Hypobromsyre reagerer på sin side med bromidion og danner fritt brom:

HOBr + Br--+ H+ = Br2 + H2O (MEN3)

Malonsyre er bromert med fritt brom:

Br2+ CH2(COOH)2 = BrCH(COOH)2 + Br--+ H+ (MEN4)

Som et resultat av alle disse reaksjonene blir malonsyre bromert med fritt brom:

BrO-3+ 2Br-- + 3CH2(COOH)2 + 3H+ =3BrCH(COOH)2 + 3H2O (MEN)

Den kjemiske betydningen av denne gruppen av reaksjoner er todelt: ødeleggelsen av bromidionet og syntesen av bromomalonsyre.

Gruppe B-reaksjoner er bare mulig i fravær (lav konsentrasjon) av bromidionet. Når bromationet reagerer med bromsyre, dannes BrO2-radikalet.

BrO-3+ HBrO2 + H+ > 2BrO2 + H2O (B1)

BrO2 reagerer med cerium (III), oksiderer det til cerium (IV), og reduseres i seg selv til bromsyre:

BrO2+ Ce3+ + H+ > HВrO2 + Ce4+ (B2)

Bromsyre brytes ned til bromation og hypobromsyre:

2HBrO2> BrO-3 +HOBr + H+ (B3)

Hypobromsyre bromerer malonsyre:

HOBr + CH2(COOH)2 > BrCH(COOH)2 + H2O (B4)

Som et resultat av gruppe B-reaksjoner dannes brommalonsyre og fireverdig cerium.

Svingninger i konsentrasjonene av reaksjonens hovedkomponenter: bromid og ferrin - i faserommet er representert som en lukket linje (grensesyklus).

BrO-3+ 4Ce3+ + CH2(COOH)2 + 5H+ > BrCH(COOH)2 + 4Ce4+ + 3H2O (B)

Cerium (IV) dannet i disse reaksjonene (reaksjoner av gruppe B):

6Ce4++ CH2(COOH)2 + 2H2O > 6Ce3+ +HCOOH + 2CO2 +6H+ (PÅ1)

4Ce4++ BrCH(COOH)2 + 2H2O > Br-- + 4Ce3++ HCOOH + 2CO2 + 5H+ (PÅ2)

Den kjemiske betydningen av denne gruppen av reaksjoner er dannelsen av et bromidion, som er jo mer intenst, jo høyere konsentrasjon av bromomalonsyre. En økning i konsentrasjonen av bromidionet fører til et opphør (dramatisk nedgang) av oksidasjonen av cerium (III) til cerium (IV). I nyere studier er cerium vanligvis erstattet med ferroin.

Denne (ufullstendige) sekvensen av trinn i Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen viser hvor komplekst dette systemet er. Så det er nok å ta hensyn til endringen i konsentrasjonen av alle tre grunnleggende mellomkomponenter av reaksjonen HВrO2 (bromsyre), Br-- og ferroin (eller cerium).

Første skritt i reaksjonen - som et resultat av en autokatalytisk reaksjon dannes bromsyre (en rask, eksplosjonslignende prosess), ferroin omdannes til ferriin (den oksiderte formen av ferroin).

Andre trinn– som et resultat av interaksjon med den organiske komponenten, begynner ferrin sakte å forvandles tilbake til ferroin, og samtidig begynner bromidion å dannes.

Tredje trinn– bromidion er en effektiv hemmer av den autokatalytiske reaksjonen (1. trinn). Som et resultat stopper dannelsen av bromsyre, og den brytes raskt ned.

Fjerde trinn– prosessen med ferriin-nedbrytning, startet på andre trinn, er fullført; bromidion fjernes fra systemet. Som et resultat går systemet tilbake til tilstanden det var i før 1. trinn, og prosessen gjentas med jevne mellomrom. Det er flere matematiske modeller (systemer av differensialligninger) som beskriver denne reaksjonen, fluktuasjonene i konsentrasjonen av dens reagenser og mønstrene for forplantning av konsentrasjonsbølger.

Eksperimentell del:

Reaksjonen av interaksjon av sitronsyre med kaliumbromat:

Reagenser:

1. KMnO4(kaliumpermanganat).

2. KBrO3(kaliumbromid eller kaliumbromat).

3. H2SO4(konsentrert).

4. Sitronsyre.

5. Destillert vann.

Arbeidsprosess: En veid porsjon sitronsyre (2 g) ble oppløst i 6 ml H2O. En veid porsjon kaliumbromid - 0,2 g ble tilsatt til den resulterende løsningen og 0,7 ml konsentrert svovelsyre ble tilsatt Deretter ble 0,04 g kaliumpermanganat tilsatt og volumet av den resulterende løsningen ble brakt til 10 ml med destillert vann. Bland grundig til fullstendig oppløsning av reagensene.

Observasjoner: Umiddelbart etter tilsetningen av KMnO4 ble løsningen lilla og begynte å "koke". Etter 25 s, med rask koking, begynte fargen på løsningen å endre seg til brun. Med løpet av reaksjonen lysner løsningen gradvis - opp til en lys gul farge. Etter 3 min 45 s begynner en skarp mørkning av løsningen (lik diffusjon av en væske med høy tetthet), og etter 40 s blir løsningen helt brun igjen. Deretter gjentas alt med en periode på 4,5 minutter - 5 minutter. Etter en ganske lang periode begynner reaksjonen å avta, for så å stoppe helt (gul løsning).

/>Vibrasjonsredoksreaksjoner:

Reagenser:

1. FeSO4. 7H2O krystallinsk jern(II)sulfatheptahydrat eller

Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O (Mohrs salt) diammoniumsulfat heksahydrat-

jern(II)

2. Ce(NO3)3.6H2O cerium(III)nitratheksahydrat

3. KBr en vandig løsning av kaliumbromid (2 mol/l, eller 12 g per 50 ml vann)

4. KBrO3 mettet kaliumbromatløsning (ca. 10 g per 100 ml vann)

5. H2SO4 konsentrert svovelsyre

6. CH2(COOH)2 en vandig løsning av malonsyre (5 mol/l, eller 52 g in

100 ml vann)

7. C12H8N2(phen) o-fenantrolin

8. destillert vann

Servise og bestikk: Polylux med skjerm, 25x25 cm glassplate, petriskål, 100 ml målekolbe, 250 ml Erlenmeyerkolbe med malt propp, seks pipetter, byrett, glassstang, skive, filterpapir.

Erfaringsbeskrivelse: For å demonstrere eksperimentet, er løsning A og B foreløpig forberedt.

Løsning MEN – en løsning av ferroin, et kompleks av jern(II) med o-fenantrolin (phen). 0,70 g jern(II)sulfatheptahydrat (eller 0,99 g Mohrs salt) og 1,49 g o-fenantrolin tilsettes til en 100 ml målekolbe, volumet av løsningen justeres til merket med vann og blandes. Løsningen får en rød farge på grunn av dannelsen av jern(II)fenantrolinkomplekset:

Fe2++ 3 phen = 2+

Løsning B - en løsning av brommalonsyre (tilberedt rett før demonstrasjonen). 3,3 ml kaliumbromidløsning, 5 ml malonsyreløsning og 5 ml konsentrert svovelsyre tilsettes i en konisk kolbe med malt propp. Den resulterende løsningen titreres fra en byrett med en mettet løsning av kaliumbromat under omrøring etter tilsetning av hver del av titranten, for å oppnå forsvinningen av den brune fargen på grunn av frigjøring av brom i en parallell vekslingsreaksjon:

BrO3–+ 5Br– + 6H+ = 3Br2 + 3H2O

3Br2+ 2CH2(COOH)2 + 2H2O = BrCH(COOH)2+ HCOOH + CO2 + 5HBr

Det totale volumet av kaliumbromatløsningen som brukes til titrering bør være ca.

For en direkte demonstrasjon av eksperimentet plasseres en petriskål på en glassplate som dekker lysvinduet til polylux, hvori 10 ml av en mettet kaliumbromatløsning, 4 ml av en bromomalonsyreløsning og 1,5 ml av en ferroinløsning. tilsettes suksessivt ved hjelp av pipetter. I løpet av noen få minutter vises blå flekker på rød bakgrunn på grunn av dannelsen av et fenantrolinkompleks av jern (III) 3+ som et resultat av oksidasjon av det tilsvarende jern(II)-komplekset:

62++ 6H3O+ + BrO3– = 63++ 9H2O + Br–

Denne prosessen er selvakselererende. Det resulterende komplekset 3+ oksiderer brommalonsyre med dannelse av bromidioner:

43++ BrCH(COOH)2 + 7H2O =

= 2CO2+ 5H3O+ + Br– + HCOOH + 42+

De frigjorte bromidionene er inhibitorer av oksidasjonsreaksjonen av jern(II)komplekser med bromationer.Bare når konsentrasjonen av komplekse ioner 2+ blir tilstrekkelig høy, den hemmende aktiviteten til bromidioner overvinnes, og løsningen blir blå på grunn av dannelsen av et jern(III)-kompleks. Prosessen gjentas igjen og igjen, så fargen på løsningen endres med jevne mellomrom fra blå til rosa, eller omvendt. Endringen i farge begynner med utseendet av blå flekker på en rosa bakgrunn, hvorfra konsentriske fargebølger divergerer i alle retninger. Over tid avtar hastigheten på fargeendring, og til slutt blekner prosessen. I dette tilfellet kan utseendet til "svarte prikker" - projeksjoner av bobler av frigjort karbondioksid observeres på skjermen.

Utvalget av farger kan utvides ved å tilsette noen få krystaller av cerium(III)nitratheksahydrat til petriskålen. Ce(NO3)3. 6H2O. Så, i tillegg til den blå og rosa fargen, kan man observere gul (på grunn av dannelsen av cerium (IV) forbindelser) eller grønn farge (på grunn av overlappingen av gul og blå):

6Ce3++ BrO3– + 15H2O = 62++ Br– + 6H3O+

42++ BrCH(COOH)2 + 3H3O+ =

= 2CO2+ Br– + HCOOH + 4Ce3++ 9H2O

Ved oppvarming øker reaksjonshastigheten, og fargeendringen akselererer.

Merk. Fenantrolin er en heterosyklisk forbindelse med to nitrogenatomer som har ensomme elektronpar og er i stand til å koordinere. I komplekse forbindelser med jern Om-fenantrolin spiller rollen som en bidentat ligand og danner sterke komplekser av chelattypen.

Konklusjon.

Til dags dato har Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen tatt sin rettmessige plass i verdensvitenskapen. Hvert år arrangeres flere internasjonale konferanser om dynamikken til lineære kjemiske systemer i verden, og ordene "BZ-reaksjon" (forkortelse: Belousov-Zhabotinsky-reaksjon) blir hørt på dusinvis av andre konferanser viet til problemer innen fysikk, kjemi, og biologi.

Studiet av Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen, som jeg var overbevist om, er av stor betydning, fordi den har funnet anvendelse i forskjellige felt av vitenskap og teknologi. Denne reaksjonen brukes som en modell for studiet av et formidabelt brudd på hjertet - arytmier og fibrillering. Og nylig er det startet eksperimenter med en lysfølsom modifikasjon av denne reaksjonen, når dynamikken i dette systemet avhenger av lysintensiteten. Det viste seg at en slik reaksjon kan brukes som en datamaskin for lagring og behandling av bilder. Den lysfølsomme modifikasjonen av Belousov-Zhabotinsky-reaksjonen kan tjene som en prototype av et datakompleks, som kan erstatte datamaskinen.

På den annen side er oscillerende kjemiske reaksjoner et levende eksempel på selvorganisering i ikke-levende natur, og i denne forstand er det ikke bare en naturvitenskapelig, men også en filosofisk betydning. De grunnleggende endringene i naturvitenskapen som ga opphav til den såkalte teorien om selvorganisering, skyldes i stor grad den første drivkraften som ble gitt til den av russiske forskere på begynnelsen av 1950-1960-tallet, da Belousov oppdaget den kjemiske redoksreaksjonen. alt fra dannelsen av galakser til tornadoer, sykloner og lysspillet på reflekterende overflater, er faktisk selvorganiseringsprosesser. De kan ha en veldig forskjellig natur: kjemiske, mekaniske, optiske, elektriske, etc.

Dermed blir anvendt forskning stadig viktigere, for eksempel innen modellering av alternative metoder for informasjonsbehandling (spesielt analyse av komplekse mosaikker med gradering av objektlysstyrke). En annen ny retning for anvendt forskning er studiet av egenskapene til polymerisering i BZh-systemet eller lignende.

Den komplekse spatio-temporelle organisasjonen som BZ-systemet viser i fravær av blanding, over tid ble analogier funnet i naturen, i biologiske systemer (for eksempel: periodiske prosesser av cellulær metabolisme, aktivitetsbølger i hjertevevet og i hjernen vev, prosesser som forekommer på nivå med ikke-økologiske systemer), i sitt nye felt - synergetikk (teori og selvorganisering), samt eksperimentelt arbeid initierte utviklingen av den moderne teorien om dynamiske systemer. Selv om mye av slike reaksjoner for tiden allerede er forstått, er årsakene som forårsaker oscillerende kjemiske prosesser fortsatt uklare til slutten.

For tiden er kinetikken til oscillerende reaksjoner en raskt utviklende gren av kunnskap som har oppstått i skjæringspunktet mellom kjemi, biologi, medisin, fysikk og matematikk. Det var veldig interessant for meg å bli kjent med slike uvanlige og ved første øyekast umulige egenskaper ved levende materie. Men enda mer ble jeg slått av at en så utrolig betydning, en imponerende oppdagelse i mange år, ikke ble oppfattet av andre, og rett og slett ikke ble forstått av datidens store hoder. Denne oppdagelsen gikk gjennom sin tornete vei, og tok til slutt sin rettmessige plass i verdensvitenskapen. Asama, muligheten for en slik reaksjon beviser nok en gang at i vår verden er det fortsatt mye ukjent og uutforsket.

Oppskrifter på noen oscillerende reaksjoner

Oppskrift 1: Det er nødvendig å tilberede løsninger av følgende stoffer basert på deres endelige konsentrasjoner: malonsyre 0,2 M; natriumbromat 0,3 M; svovelsyre 0,3 M; ferroin 0,005 M. Ferroin kan erstattes med toverdig mangan eller treverdig ceriumsulfat, men fargeintensiteten vil være mye svakere. Omtrent 5 ml av en løsning av alle komponenter må helles i en petriskål slik at tykkelsen på væskelaget er 0,5-1 mm. Etter 3-8 minutter (overgangsperiode) kan svingninger og kjemiske bølger observeres.

Oppskrift 2: Hell følgende løsninger i en flat gjennomsiktig kyvette i lag (1 ml):

- KBrO3(0,2 mol/l)

- malonsyre (0,3 mol/l)

- ferroin (0,003 mol/l)

- H2SO4(0,3 mol/l)

Legg kyvetten på et ark med hvitt papir. Reaksjonshastigheten kan endres ved å tilsette alkali eller syre.

Oppskrift 3: Nødvendige løsninger:

- sitronsyre (40 g i 160 ml H2O)

- H2SO4(1:3).

Og også oppheng:

- KBrO3(16 g)

- Ce2(SO4)3(3-3,5 g)

Varm opp sitronsyreløsningen til 40°-50°C, og hell deretter ut en prøve av KBrO3. Sett begerglasset på et ark med hvitt papir og tilsett en prøve av Ce2(SO4)3 og noen få ml H2SO4. Endring av farger begynner umiddelbart å skje: gul > fargeløs > gul, med en periode på 1-2 minutter.

Oppskrift 4: Nødvendige løsninger:

- H2O2(50 ml 30 %)

- KIO3(7,17 g i 50 ml H2O)

- HClO4(30 ml fortynnet løsning)

- malonsyre (3 g i 50 ml H2O). Og prøver:

- MnSO4(1g) og litt stivelse.

Hell alt i ett glass (200-250 ml), tilsett veide porsjoner, rør med en glassstang. Det er en veksling av farge: fargeløs > gul > blå.

Bibliografi.

1. Aliev R., Shnol S. E. "Vibrasjonskjemiske reaksjoner". Kinetikk og katalyse. 1998. nr. 3. S. 130-133.

2. Shnol S.E. Kunnskap er makt. 1994. Nr. 3. s. 62-71.

3. Zhabotinsky A. M. Konsentrasjon selvsvingninger. Moskva: Nauka, 1974.

4. Garel D., Garel O. Vibrasjonskjemiske reaksjoner / Pr. fra engelsk. M.:

5. Dubnishcheva T. Ya Konsepter om moderne naturvitenskap. Novosi-

birsk: YuKEA, 1997, s. 683 – 697.

6. Begreper om moderne naturvitenskap. Ed. V. N. Lavrinenko,

V. P. Ratnikova, M.: UNITI-DANA, 1999, S. 78 - 87.

7. Vavilin B.V."Selvsvingninger i kjemiske systemer i væskefase".

Priroda, 2000, nr. 5, s. 19–25.