Reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do 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]:

3CH
2
(COOH)
2
+ 4BrO
3
→ 4Br
+ 9CO
2
+ 6H
2
O

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
2
O
     (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
2
O

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
2
O + 10Ce4+
     (B)

i składa się z następujących aktów elementarnych:

BrO
3
+ HBrO
2
+ H+
→ 2BrO
2
+ H
2
O
BrO
2
+ Ce3+
+ H+
→ HBrO
2
+ Ce4+
2HBrO
2
→ HOBr + BrO
3
+ H+
2HOBr → HBrO
2
+ Br
+ H+
HOBr + Br
+ H+
→ Br
2
+ H
2
O

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
2
O + 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[edytuj | edytuj kod]


Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  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. a b c d Andy Aspaas, Levi Stanley: The Belousov-Zhabotinski Reaction (ang.). 2000.