Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Wykres potencjału elektrodowego na elektrodzie srebrowej podczas przebiegu reakcji BZ, z półogniwem Ag/AgNO3 jako odniesieniem

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:

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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

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 według 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 według 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).

Literatura przedmiotu[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

Commons in image icon.svg
  1. 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.
  2. [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.
  3. Andy Aspaas & Levi Stanley, The Belousov-Zhabotinski Reaction