Коливальні реакції

Особливий тип окислювально-відновних реакцій - коливальні реакції. Вони протікають в досить складних реакційних системах, і для таких реакцій дуже важливим чинником виявляється кінетичний. У розглянутих нижче прикладах таких систем можливе протікання ряду послідовних реакцій, які характеризуються різною швидкістю. Взаємне накладення декількох таких реакцій, продукти яких можуть надавати каталітичне або інгібуючу вплив, проводить до того, що в реакційній середовищі по черзі накопичується то один, то інший компонент. У випадку інтенсивно забарвлених речовин в значних концентраціях показ коливальних реакцій може опинитися в числі найефектніших демонстраційних дослідів лекційного курсу.

Реактиви. Кристалічні гептагідрат сульфату заліза (II) FeSO4. 7H2O, гексагідрат нітрату церію (III) Ce (NO3) 3. 6H2O, водний розчин броміду калію KBr (2 моль/л, або 12 г на 50 мл розчину), насичений розчин бромата калію KBrO3 (близько 10 г на 100 мл води), концентрована сірчана кислота H2SO4, водний розчин малоновий кислоти CH2 (COOH) 2 (5 моль/л, або 52 г у 100 мл розчину), о-фенантролін (phen) C12H12N2, дистильована вода.

Посуд і прилади. Проектор з екраном, скляна пластинка розміром 25х25 см, чашка Петрі, мірна колба місткістю 100 мл, колба конічна ємністю 250 мл з прішліфованной пробкою, шість піпеток, бюретка, скляна паличка, промивалка, фільтрувальний папір.

Опис досвіду. Для демонстрації експерименту готують два розчини - А і Б.

А - Розчин ферроіна - комплексу заліза (II) з о-фенантроліном (phen).

В мірну колбу ємністю 100 мл вносять 0,70 г гептагідрат сульфату заліза (II) та 1,49 г о-фенантроліна, доводять об'єм розчину водою до мітки і перемішують. Розчин повинен мати червоний колір завдяки освіті фенантролінового комплексу складу [Fe (phen) 3] 2 +:

Fe2 + + 3 phen = [Fe (phen) 3] 2 +

і може бути приготований заздалегідь.

Б - Розчин броммалоновой кислоти (готується безпосередньо перед демонстрацією). У колбу Ерленмейера з прішліфованной пробкою з допомогою піпеток вводять 3,3 мл розчину броміду калію (2 моль/л), 5 мл розчину малоновий кислоти (5 моль/л) і 5 мл концентрованої сірчаної кислоти. Отриманий розчин титрують з бюретки насиченим розчином бромата калію, ретельно перемішуючи його після кожної чергової порції титранту, домагаючись зникнення коричневою забарвлення, характерною для брому, що виділяється в паралельно йде реакції конмутаціі:

BrO3-+ 5Br-+ 6H + = 3Br2 + 3H2O

3Br2 + 10CH2 (COOH) 2 + 38H2O = 6BrCH (COOH) 2 + 4HCOOH + 8CO2 + 30H3O +

Загальний об'єм розчину бромата калію, витраченого на титрування, повинен скласти близько 7,5 мл. Утвориться, броммалоновая кислота нестійка, проте деякий час її можна зберігати при низькій температурі.

Для безпосередній демонстрації досвіду на скляну пластинку, що закриває світлове вікно полілюкса, ставлять чашку Петрі, в яку послідовно вносять з допомогою піпеток 10 мл насиченого розчину бромата калію, 4 мл розчину броммалоновой кислоти і 1,5 мл розчину ферроіна. Протягом декількох хвилин на червоному тлі в чашці з'являються блакитні ділянки; це відбувається через утворення іншого комплексу - [Fe (phen) 3] 3 + при окислювально-відновної реакції комплексу [Fe (phen) 3] 2 + з бромат-іонами:

6 [Fe (phen) 3] 2 + + 6H3O + + BrO3-= 6 [Fe (phen) 3] 3 + + 9H2O + Br-

Цей процес є автоускоряющімся. Потім утворюється комплекс [Fe (phen) 3] 3 + окисляє броммалоновую кислоту з утворенням бромід-іонів:

4 [Fe (phen) 3] 3 + + BrCH (COOH) 2 + 7H2O =

= 2CO2 5 H3O + + Br-+ HCOOH + 4 [Fe (phen) 3] 2 +

виділяються бромід-іони є інгібіторами реакції окислення комплексу заліза (II) бромат-іонами. Тільки коли концентрація [Fe (phen) 3] 2 + стає досить високою, інгібірує, бромід-іонів долається, і знову починають протікати реакції отримання броммалоновой кислоти та окислення комплексу. Процес повторюється знову, і це відбивається у забарвленні розчину. Від блакитних ділянок в чашці на всі боки розходяться концентричні кругові червоно-блакитні "хвилі" забарвлення.

Якщо вміст чашки перемішати скляною паличкою, то розчин на нетривалий час стане одноколірним, а потім періодичний процес повториться. Зрештою реакція припиняється через виділення діоксиду вуглецю.

Можна внести в чашку Петрі, крім всіх перерахованих реагентів, кілька кристалів гексагідрата нітрату церію (III); тоді діапазон забарвлень розшириться: з'явиться жовтий колір за рахунок похідних церію (IV), зелений -- через накладення блакитного і жовтого кольорів.

6Ce3 + + 6H3O + + BrO3-= 6Сe (OH) 22 + + 9H2O + Br-

4Сe (OH) 22 + + BrCH (COOH) 2 + 7H2O = 2CO2 5 H3O + + Br-+ HCOOH + 4Ce3 +

При нагріванні цикл коливальної реакції коротшає, зміна забарвлень відбувається швидше.

Примітка. У рівняннях реакцій умовно записано похідне церію (IV) складу Сe (OH) 22 +; точніше його склад відбиває формула [Ce (H2O) y (OH) x] (4 - x) +.

Замість гептагідрат сульфату заліза (II) можна використовувати для приготування розчину А сіль Мора - гексагідрат сульфату заліза (II)-амонію (NH4) 2Fe (SO4) 2. 6H2O в кількості 0,99 г на той же об'єм води.

Історичні відомості. Коливальні реакції вперше спостерігав Борис Павлович Білоусов в 1958 р., вивчаючи систему лимонна кислота - сульфат церію (III) - бромат калію в кислотної середовищі. Тут спостерігався перехід забарвлення: безбарвна - жовта.

Коментарі до цього опису, надіслані Just_me ([email protected]), 02.02.2002

Оскільки в даному досвіді, в домашніх умовах, нічого не приготувати (крім дист. води : о) то пропоную спробувати інший варіант.

Хоча вона і не така "колебущаяся", як ця, все таки досить прекумедно.

Візьміть товчену таблетку гідроперіта (в будь-якій упаковці Лонда їх 6 шт;) а взагалі - у будь-яка нормальна аптеці) і розчиніть у 3/4 води в бульбашці від пеніциліну; капніть кілька крапель настоянки йоду і ще - крохмального клейстеру до сильного "посиніння" (готується кип'ятінням ХОЛОДНОЇ кашки крохмалю; пшеничне борошно - гірше, але теж нічого:) не переборщити з крохмалем - а то "захряснет" !!!).

Другий розчин - це товченим аскорбінку розчинити у воді (концентрацію підберіть самі - весело:).
Ось і все! У Синенький розчин капаю крапельку іншого - він стає прозорим as WATER.

І раптом ... знову стає синім, майже чорним.

Змінюючи число крапельок аскорбінки, досягнете різної тривалості періодів прозорості розчину.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/