Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ac/BZ_voltage_plot.png/300px-BZ_voltage_plot.png)
![]() | Zobacz galerię związaną z tematem: Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego |
Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego (BZR z ang. Belousov-Zhabotinsky reaction) – oscylacyjna reakcja chemiczna występująca w wodnym roztworze w temperaturze pokojowej, w której występują okresowe zmiany barwy roztworu z okresem około 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 bromian potasu (KBrO3)
- 0,31 M kwas malonowy (lub kwas cytrynowy) + 0,059 M bromek potasu (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 wpływa bezpośrednio na przebieg całego procesu.
W sprzyjających warunkach, przy bardzo dokładnym utrzymaniu proporcji i przy zachowaniu idealnej czystości, cykl powtarza się kilkanaście razy.
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].
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]:
- 3CH
2(COOH)
2 + 4BrO−
3 → 4Br−
+ 9CO
2 + 6H
2O
W istocie jednak reakcja ta składa się z dwóch procesów zachodzących cyklicznie jeden po drugim[3]:
Pierwszy proces przebiega sumarycznie według równania:
- BrO−
3 + 5Br−
+ 6H+
→ 3Br
2 + 3H
2O (A)
i składa się z następujących reakcji elementarnych:
- BrO−
3 + Br−
+ 2H+
→ HBrO
2 + HOBr - HBrO
2 + Br−
+ H+
→ 2HOBr - HOBr + Br−
+ H+
→ Br
2 + H
2O
Powstający brom reaguje z kwasem malonowym według równania:
- Br
2 + CH
2(COOH)
2 → BrCH(COOH)
2 + Br−
+ H+
Druga reakcja przebiega sumarycznie następująco:
- 2BrO−
3 + 12H+
+ 10Ce3+
→ Br
2 + 6H
2O + 10Ce4+
(B)
i składa się z następujących aktów elementarnych:
- BrO−
3 + HBrO
2 + H+
→ 2BrO•
2 + H
2O - BrO•
2 + Ce3+
+ H+
→ HBrO
2 + Ce4+ - 2HBrO
2 → HOBr + BrO−
3 + H+ - 2HOBr → HBrO
2 + Br−
+ H+ - HOBr + Br−
+ H+
→ Br
2 + H
2O
Kluczowy wpływ na zmianę barwy ma cykliczna zmiana stężenia jonów Ce3+
i Ce4+
, które sumarycznie można przedstawić w formie następującego równania[3]:
- 2Ce3+
+ BrO−
3 + HBrO
2 + 3H+
→ 2Ce4+
+ H
2O + 2HBrO
2
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[3].
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 (BrO−
3), 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).
Literatura przedmiotu
- Ewa Gudowska-Nowak. Reakcje oscylacyjne. „Foton”. 90, s. 16–19, 2005.
Przypisy
- ↑ B.P. Belousov, Периодически действующая реакция и ее механизм. [Reakcje periodyczne i ich mechanizm]. Сборник рефератов по радиационной медицине (Kompilacja abstraktów chemii medycznej), 147:145, 1959.
- ↑ A.M. Zhabotinsky, Периодический процесс окисления малоновой кислоты растворе (исследование кинетики реакции Белоусова). [Procesy periodyczne utleniania kwasu malonowego w fazie ciekłej], Биофизика [Biofizika], 9:306–311, 1964.
- ↑ a b c d Andy Aspaas, Levi Stanley: The Belousov-Zhabotinski Reaction. 2000. (ang.).
- Catalana: 0246265