Хаотические колебания в химии. Колебательные реакции. Курсовая работа по химии на тему

Сущность колебательных реакций. Механизм и кинетика колебальных реакций.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………...……..…3
Основные понятия….………………………………………………………4
История…………………………..…………………………………………5
Значимость и область применения…………………….……….…………8
Механизмы реакций………………………………………………………10
Кинетика колебательных реакций…………………………………….…14
Порядок проведения эксперимента………………………..…………….15
Экспериментальные данные…………………………………….……….18
Заключение………………………………………………………………..23
Список литературы …………..………………………………..…………24

ВВЕДЕНИЕ
Колебательные реакции являются одним из самых интересных и притягивающих разделов неорганической химии. Привлекающие пристальное внимание не только химиков, но и физиков, математиков, биофизиков и многих других, они являются актуальным вопросом современной науки. Поэтому в своей работе я хочу ознакомится с историей колебательных реакций, их практическим применением и двумя самыми известными гомогенными колебательными реакциями, а также разобраться в их механизмах и, поставив эксперимент, познакомиться с колебательными реакциями на практике.

Основные понятия колебательных реакций

Колебательные реакции - класс окислительно-восстановительных реакций, характеризующийся периодическими колебаниями промежуточных веществ и как следствие колебаниями окраски, температуры, скорости протекания и др.

Существует несколько типов колебательных реакций:

Каталитические
Гомогенные
Реакции катализируемые ферментами
Реакции катализируемые ионами металов
Гетерогенные (реакции на твердых катализаторах)
Некаталитические, хотя называть их автокаталитическими более правильно (окисление ароматических соединений броматом)

Индукционный период - время первичного образования и накопления катализатора реакции.
Период колебания - наименьший промежуток времени, за который совершается одно полное колебание (то есть система возвращается в то же состояние, в котором она находилась в первоначальный момент, выбранный произвольно)

История
Историю колебательных реакций нередко начинают с немецкого химика и отчасти натурфилософа Фридлиба Фердинанда Рунге. В 1850 и 1855 г. он последовательно выпустил две книги, в которых были описаны красочные периодические структуры, возникающие на фильтровальной бумаге, когда на неё наливают один за другим растворы различных веществ. Собственно одна из них -«Вещество в стремлении к формированию» представляла собой «альбом с наклеенными листами фильтровальной бумаги, на которой были произведены соответствующие реакции. Например, фильтровальная бумага пропитывалась раствором медного купороса, просушивалась и вновь пропитывалась раствором фосфорнокислого алюминия, на её в середину наносились капли железисто-синеродистого калия, после чего наблюдалось образование периодических наслоений». После Рунге в историю колебательных реакций вступает Рафаэль Лизеганг. В 1896 г. он публикует свои опыты с ритмическими структурами (кольцами Лизеганга), получающимися при отложении осадка бихромата серебра в желатине. Лизеганг наливал на стеклянную пластину нагретый раствор желатина, содержащий бихромат калия. Когда раствор застывал, он наносил в центр пластины каплю раствора азотнокислого серебра. Осадок бихромата серебра выпадал не сплошным пятном, а концентрическими окружностями. Лизеганг, знакомый с книгами Рунге, первоначально склонялся к натурфилософскому и организмическому объяснению полученного им периодического процесса. При этом он положительно отреагировал и на физическое объяснение своих «колец», данное в 1898 г. Вильгельмом Оствальдом, что базировалось на понятии о метастабильном состоянии. Это объяснение вошло в историю как теория пересыщения.
До сих пор речь шла не о собственно колебательных химических реакциях, а скорее о периодических физико-химических процессах, где химическое превращение сопровождалось фазовым переходом. Ближе к собственно химическим колебаниям подошёл Давид Альбертович Франк-Каменецкий, который начал публиковать свои опыты о химических колебаниях с 1939 г. Он описал периодические явления при окислении углеводородов: если, например, через турбулентный реактор пропускать смеси высших углеводородов, то наблюдаются периодические вспышки (пульсации) холодного пламени.
В 1949 г. в «Журнале физической химии» была опубликована большая статья И.Е. Сальникова, подводящая итог его работе, начатой совместными исследованиями с Д.А. Франк-Каменецким. В этой статье было сформировано понятие о термокинетических колебаниях. В ходе этих колебаний изменяется температура, и их необходимым условием является баланс между выделением тепла и его диссипацией в окружающую среду. И всё же самым весомым аргументом в пользу химических колебаний была статья Бориса Павловича Белоусова, которую он дважды безуспешно пытался опубликовать - в 1951 и 1955 годах. Хотя термокинетические колебания протекают в гомогенных системах (в отличие, скажем, от систем Лизеганга или осциллирующего хрома), их обеспечивает физический (или физико-химический) процесс термокатализа. Открытие Б.П. Белоусова практически завершило почти 150-летний поиск колебательных режимов в химических процессах. Она являлась уже чисто химической колебательной реакцией. В 1950-е гг., однако, происходили и другие события, относящиеся к реакции Белоусова. Ведь хотя статья Б.П. Белоусова была отвергнута, информация о его реакции распространялась на уровне научного фольклора.
Одним из реципиентов этой информации оказался Симон Эльевич Шноль, что уже тогда занимался периодическими процессами в биохимии. Его интересовала природа химической периодичности. Получив в 1958 г. от Белоусова рукопись его статьи, Шноль стал экспериментировать с его реакцией. А в 1961 г. он поручил своему аспиранту Анатолию Марковичу Жаботинскому продолжить работу Б.П. Белоусова, и тот, проводя исследования сначала под руководством Шноля, а потом независимо от него, внёс решающий вклад в выяснение кинетики реакции Белоусова и в её математическое моделирование. В результате чего эта реакция стала называться реакцией Белоусова-Жаботинского.

Механизмы реакций
На сегодняшний день изучено несколько десятков гомогенных и гетерогенных химических реакций. Исследование кинетических моделей таких сложных реакций позволило сформулировать ряд общих условий, необходимых для возникновения устойчивых осцилляций скорости реакций и концентраций промежуточных веществ:

Устойчивые колебания возникают в большинстве случаев в открытых системах, в которых есть возможность поддерживать концентрации участвующих реагентов постоянными.
Колебательная реакция должна включать в себя автокаталитические и обратимые стадии, а также стадии, которые ингибируются продуктами реакции.
Механизм реакции должен включать стадии с порядком выше первого.

Данные условия являются необходимыми, но не достаточными условиями для возникновения в системе автоколебаний. Стоит отметить, что существенную роль играет также соотношение между константами скоростей отдельных стадий и значений исходных концентраций реагентов.

3HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + BrO 3 - Ce(3+/4+), H+ → Br - + 3CO 2 + 3H 2 O
Реакция Белоусова-Жаботинского первая из открытых и исследованных колебательных реакций. В связи с чем, ее, пожалуй, можно назвать одной из наиболее исследованных реакций этой группы. На данный момент тем или иным способом подтверждено наличие восьмидесяти промежуточных стадий (и побочных реакций) протекающих в системе.
Одной из самых первых и простых схем реакций была схема, которая состоит из двух стадий:

Окисление трехвалентного церия броматом

Ce 3+ BrO3(-), H+ → Ce 4+

И восстановление четырехвалентного церия лимонной кислотой

Ce 3+ ЛК → Ce 4+
Она, однако, не дает понимания того, как и в следствии чего возникают колебания в системе, что приводит нас к рассмотрению механизма реакции предложенного, в 1972г, Нойесом и другими:

BrO 3 - + Br - + 2H + ↔ HBrO 2 + HBrO
HBrO 2 + Br - + H + ↔ 2HBrO
HBrO + Br - + H + ↔ Br 2 + H 2 O
Br 2 + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → Br - + H + + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
BrO 3 - + HBrO 2 + H + ↔ 2BrO 2 . + H 2 O
BrO 2 . + Ce 3+ + H + → HBrO 2 + Ce 4+
2HBrO 2 ↔ BrO 3 - + HBrO + H +
HBrO + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 → H 2 O + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH
18Ce 4+ + HOOC(OH)C(CH 2 COOH) 2 + 5H 2 O → 18Ce 3+ + 6CO 2 + 18H +

10) 16Ce 4+ + HOOC(OH)C(CHBrCOOH)CH 2 COOH → 16Ce 3+ + 6CO 2 + 18H + + Br -

Итак, рассмотрим колебания Ce 3+ / Ce 4+ в этой системе. Допустим у нас есть небольшое, постепенно увеличивающееся количество Ce 4+ в растворе, что значит, что концентрация Br - также невелика и растет за счет реакции (10). Поэтому, как только будет достигнута некоторая критическая концентрация Ce 4+ , концентрация Br - резко возрастет, что приведет к связыванию HBrO 2 стадия (2), необходимой для каталитического окисления Ce 3+ , стадии (5), (6). Из этого следует, что прекратится накопление Ce 4+ в растворе и его концентрация будет уменьшаться по реакциям (9), (10). Высокая концентрация Br - вызовет увеличение скорости их расхода по реакциям (1)-(3). При этом, после снижения концентрации Br - ниже определенного значения, практически остановит реакции (2) и (3), приводя к накоплению HBrO 2 . Из чего следует повышение концентрации Ce 4+ и повтор пройденного нами цикла.

Реакция Бриггса-Раушера:
IO 3 - + 2H 2 O 2 + H + + RH Mn(2+/3+) → RI + 2O 2 + 3H 2 O
Где RH- малоновая кислота, а RI- йодопроизводная малоновой кислоты.
Данная реакция была открыта в 1973г . Суть реакции состоит в окислении малоновой кислоты иодат-ионами в присутствии перекиси водорода и катализатора (ионов Mn 2+/3+). При добавлении в качестве индикатора крахмала наблюдаются колебания окраски раствора из беcцветной в желтую, а затем в синюю, вызванные колебаниями концентраций йода. Полное изучение механизма реакции Бриггса-Раушера сложная и до сих пор не решенная, пожалуй, в первую очередь, кинетическая задача. По современным представлениям, механизм данной реакции включает в себя до тридцати стадий. При этом, чтобы понять причины колебаний достаточно рассмотреть упрощенный механизм реакции, состоящий из одиннадцати нижеприведенных стадий:

IO 3 - + H 2 O 2 + H + → HIO 2 + O 2 + H 2 O
IO 3 - + HIO 2 + H + ↔ 2IO 2 . + H 2 O
HIO 2 + H 2 O 2 → HIO + O 2 + H 2 O
IO 2 . + Mn 2+ + H 2 O ↔ HIO 2 + MnOH 2+
2HIO + H 2 O 2 → 2I - + 4O 2 + 4H +
MnOH 2+ + I - + H + ↔ I . + Mn 2+ + H 2 O
HIO+ I - + H + ↔ I 2 + H2O
2HIO 2 → IO 3 - + HIO + H +
RH↔ enol
HIO + enol → RI + H2O
I 2 + enol → RI + I - + H +

Рассмотрим колебания в этой реакции на примере пары I 2 /I - , так как именно наличие или отсутствие йода легче всего зафиксировать в растворе благодаря образующимся синим крахмальным комплексам.
Итак, если концентрация I - мала (или данные ионы отсутствуют в растворе, что соответствует начальному моменту времени), то в соответствии со стадией (5), а при дальнейших колебаниях и стадией (11), а также обратной реакцией стадии (7) они начинают накапливаться в растворе, что приводит к уменьшению (при условии наличия) концентрации I 2 . Из уменьшения концентрации I 2 следует падение скорости накопления I - . При этом, большая концентрация ионов I - вызывает большую скорость его расходования по прямой реакции стадии (7) и возросшая, было, концентрация I - вновь уменьшается приводя нас к началу данного рассуждения и повторению описанного цикла.

Кинетика колебательных реакций

Проблемы изучения кинетики являются, на данный момент, наиболее сложными, и до сих пор не решенными вопросами колебательных реакций. Ввиду большого количества взаимозависимых и параллельных процессов, протекающих в данном классе реакций, составление систем дифференциальных уравнений, дающих хотя бы приближенные значения констант скоростей промежуточных стадий, становится крайне нетривиальной задачей. И хотя сейчас существует несколько упрощенных моделей, позволяющих рассмотреть основные черты сложного поведения колебательных реакций, данная тема представляется достаточно малоизученной и потому чрезвычайно интересной для последующих поколений исследователей. При этом, несмотря на это, в этой работе этот раздел изучения колебательных реакций не получит дальнейшего развития из-за недостатка времени и средств необходимых для его изучения.

Порядок проведения эксперимента
Реакция Белоусова-Жаботинского.

Реактивы: Лимонная кислота, бромат калия, сульфат церия(III), серная кислота.
Посуда: Мерный цилиндр на 50мл, термостойкие стаканы на 300мл и 100мл, стеклянная палочка, шпатель.
Оборудование: Аналитические весы, плитка.
Для проведения реакции Белоусова-Жаботинского необходимо приготовить следующие растворы и навески:

Приготовить раствор лимонной кислоты и нагреть его до 50 о С.
Всыпать навески бромата калия и сульфата церия (III), размешать стеклянной палочкой.
Снять раствор с плитки.
Добавить серную кислоту.

Реакция Бриггса-Раушера.
Необходимые реактивы, посуда и оборудование:
Реактивы: Йодат калия, серная кислота, малоновая кислота, сульфат марганца (II), крахмал, перекись водорода.
Посуда: мерный цилиндр на 50мл, 2 стакана на 500 мл, 3 стакана на 100мл, стеклянная палочка, шпатель.
Оборудование: Аналитические весы, магнитная мешалка, магнит.
Для проведения реакции Бриггса-Раушера необходимо приготовить следующие растворы:
Раствор №1:

Раствор №2:

Раствор №3

Порядок проведения эксперимента:

Приготовить все необходимые растворы.
В химический стакан на 500мл, в котором находится магнит налить 50мл раствора №1 и поставить на магнитную мешалку. Включить её.
В два других стакана отмерить порознь 25мл раствора №2 и 40мл раствора №3.
Добавить, одновременно, растворы №2 и №3 к раствору №1.
Зафиксировать индукционный период и периоды колебаний.

Эксперимент
Реакция Белоусова-Жаботинского:
Для проведения реакции был приготовлен раствор лимонной кислоты (20г на 80мл воды). Для полного растворения лимонной кислоты раствор было необходимо нагреть на электрической плитке. Далее были приготовлены навески бромата калия (8г) и сульфата церия III(1,5г) и последовательно всыпаны в раствор лимонной кислоты. После перемешивания стеклянной палочкой аккуратно, продолжая помешивание была добавлена серная кислота, после чего зафиксированы колебания окраски белый-желтый.

№	Период, с	Цвет	№	Период, с	Цвет
1	23	белый	12	12	желтый
2	11	желтый	13	66	белый
3	41	белый	14	8	желтый
4	12	желтый	15	43	белый
5	71	белый	16	6	желтый
6	11	желтый	17	56	белый
7	43	белый	18	5	желтый
8	13	желтый	19	43	белый
9	19	белый	20	5	желтый
10	10	желтый	21	56	белый
11	40	белый	22	4	желтый

Стоит, также, отметить увеличение количества выделяющегося газа при потемнении раствора.
Вывод: По зафиксированным данным можно судить о стабильном уменьшении времени нахождения в растворе четырехвалентного церия (что косвенно указывает на уменьшение pHсреды т.к. чем кислее среда, тем более сильным окислителем является церий и тем менее он устойчив).
Также обнаружена удивительная закономерность, так как во время протекания реакции колеблются не только концентрации промежуточных веществ, но и время периодов колебания (затухающее гармоническое колебание):

Реакция Бриггса-Раушера:
Для проведения реакции было приготовлено три раствора: сернокислый раствор йодата калия (с(KIO 3)=0,067 моль/л; с(H 2 SO 4)=0,053 моль/л) - 50мл, крахмальный раствор малоновой кислоты с добавлением каталитического количества сульфата марганца два (с(MnSO 4)=0,0067 моль/л; с(CH 2 (COOH) 2)=0,05 моль/л; крахмал 0,1%) - 25мл и семимолярный раствор пероксида водорода - 40мл. В химический стакан, в котором находился магнит, на 250 мл был налит раствор №1. Стакан был поставлен на, впоследствии включенную, магнитную мешалку и включено интенсивное перемешивание, чтобы смена окраски происходила резко. Затем, не прекращая перемешивание, было добавлено, одновременно и быстро, содержимое стаканов с растворами №2 и №3. Секундомером отмерено появление первого желтого окрашивания - индукционный период и начала появления голубых окрашиваний - период колебаний.

Индукционный период - 2 секунды.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Период, с	13	12	14	12	13	14	13	14	14	15	15	16
№	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
Период, с	16	16	17	17	17	18	17	18	17	18	18	17

Вывод: По мере протекания реакции наблюдается постепенное увеличение периода колебаний, что особенно хорошо заметно на графике:

Заключение
В данной работе были рассмотрены колебательные реакции и их свойства, в частности:

Изучена область применения колебательных реакций в современном мире
Изучена история колебательных реакций
Разобраны механизмы двух колебательных реакций: Бриггса-Раушера

и Белоусова-Жаботинского

Адаптирован механизм реакции Белоусова-Жаботинского для

рассмотрения лимонной кислоты в качестве восстановителя

Проведен контрольный синтез, для наглядного ознакомления с колебательными реакциями.

Список использованной литературы

Д.Гарел, О.Гарел «Колебательные химические реакции» перевод с английского Л.П. Тихоновой. Издательство «Мир» 1986 год. Стр. 13-25, 92-112.
А.М. Жаботинский «Концентрационные автоколебания». Издательство «Наука» 1974 год. Стр. 87-89
О.К. Первухин «Колебательные реакции. Методическое пособие». Издательство СПБГУ 1999 год. Стр. 3-11.
С. П. МУШТАКОВА «Колебательные реакции в химии» Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
«Исследование условий возникновения колебательного режима в процессе окислительного карбонилирования фенилацетилена». Стр. 2-4.
И.Д. Икрамов, С.А. Мустафина. «АЛГОРИТМ ПОИСКА КОНСТАНТ СКОРОСТЕЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ НА ПРИМЕРЕ РЕАКЦИИ БЕЛОУСОВА-ЖАБОТИНСКОГО». Башкирский химический журнал 2015г.
Печёнкин А.А. «Мировоззренческое значение колебательных химических реакций»
Field R. J., Koros E., Noyes R. M., Oscillations in Chemical Sistems II. Thorough Analisis of Temperal Oscillations in the Bromat-Cerium-Malonic Acid Sistem., J. Amer. Chem. Soc., 94, 8649-8664 (1972).
Noyes R. M.,Field R. J.,Koros E., J. Amer. Chem. Soc., 94, 1394-1395 (1972).

Чтобы скачать работу бесплатно нужно вступить в нашу группу ВКонтакте . Просто кликните по кнопке ниже. Кстати, в нашей группе мы бесплатно помогаем с написанием учебных работ.

Через несколько секунд после проверки подписки появится ссылка на продолжение загрузки работы.

Колебательные химические реакции

В этой курсовой работе я рассмотрю частный случай проблемного эксперимента, колебательные химические реакции. Колебательные реакции - это целый класс реакций окисления органических веществ с участием катализатора, обладающего окислительно-восстановительными свойствами. Этот процесс протекает циклично т. е. состоит из многократных повторений.

Колебательные химические реакции были открыты и научно обоснованы в 1951 г. советским учёным Борисом Петровичем Белоусовым. Б.П. Белоусов изучал окисление лимонной кислоты при её реакции с бромноватокислым натрием в растворе серной кислоты. Для усилений реакции он добавил в раствор соли церия. Церий - металл с переменной валентностью (3+ или 4+), поэтому он может быть катализатором окислительно-восстановительных превращений. Реакция сопровождается выделением пузырьков СО 2 , и поэтому кажется, что вся реакционная смесь «кипит». И вот на фоне этого кипения Б. П. Белоусов заметил удивительную вещь: цвет раствора периодически изменялся - становился то жёлтым, то бесцветным. Белоусов добавил в раствор комплекс фенантролина с двухвалентным железом (ферроин), и цвет раствора стал периодически изменяться от лилово-красного к синему и обратно.

Так была открыта реакция, ставшая знаменитой. Сейчас она известна во всём мире, её называют «реакция Белоусова-Жаботинского». А. М. Жаботинский много сделал для понимания этого удивительного феномена. С тех пор отрыто большое число аналогичных реакций.

История открытия колебательных реакций.

Открытие колебательной химической реакции И. П. Белоусов сделал при попытке создать простую химическую модель некоторых стадий системы ключевых биохимический превращений карбоновых кислот в клетке. Однако первого сообщения о его открытии напечатано не было. Рецензент химического журнала усомнился в принципиальной возможности описанной в статье реакции. Большинство химиков в те годы полагали, что чисто химических колебаний не бывает, хотя существование колебательных реакций предсказал в 1910 г. А. Лоткой на основе математической теории периодических процессов.

Вторая попытка опубликования результатов исследования была предпринята учёным в 1957 г., и опять он получил отказ, несмотря на появившиеся тогда работы бельгийского физика и физикохимика И. Р. Пригожина. В этих работах была показана возможность и вероятность колебательных химических реакций.

Лишь в 1959 г. Был напечатан краткий реферат об открытии Б. П. Белоусовым периодически действующей колебательной химической реакции в малоизвестном издании "Сборник рефератов по радиационной медицине".

А всё дело в том, что когда Б. П. Белоусов сделал своё открытие, периодические изменения концентрации реагентов казались нарушением законов термодинамики. В самом деле, как может реакция идти то в прямом, то в противоположном направлениях? Невозможно представить себе, чтобы всё огромное число молекул в сосуде было то в одном, то в другом состоянии (то все «синие», то все «красные»…).

Направление реакции определяется химическим (термодинамическим) потенциалом - реакции осуществляются в направлении более вероятных состояний, в направлении уменьшения свободной энергии системы. Когда реакция в данном направлении завершается, это значит, что её потенциал исчерпан, достигается термодинамическое равновесие, и без затраты энергии, самопроизвольно, процесс в обратную сторону пойти не может. А тут… реакция идёт то в одном, то в другом направлении.

Однако никакого нарушения законов в этой реакции не было. Происходили колебания - периодические изменения - концентраций промежуточных продуктов, а не исходных реагентов или конечных продуктов. СО 2 не превращается в этой реакции в лимонную кислоту, это в самом деле невозможно. Рецензенты не учли, что пока система далека от равновесия, в ней вполне могут происходить многие замечательные вещи. Детальные траектории системы от начального состояния к конечному могут быть очень сложными. Лишь в последние десятилетия этими проблемами стала заниматься термодинамика систем, далёких от равновесия. Эта новая наука стала основой новой науки - синергетики (теория самоорганизации).

Реакцию Белоусова, как отмечено выше, детально изучил А. М. Жаботинский и его коллеги. Они заменили лимонную кислоту малоновой. Окисление малоновой кислоты не сопровождается образованием пузырьков СО 2 , поэтому изменение окраски раствора можно без помех регистрировать фотоэлектрическими приборами. В дальнейшем оказалось, что ферроин и без церия служит катализатором этой реакции. Б. П. Белоусов уже в первых опытах заметил ещё одно замечательное свойство своей реакции: при прекращении перемешивания изменение окраски в растворе распространяется волнами. Это распространение химических колебаний в пространстве стало особенно наглядным, когда в 1970 г. А. М. Жаботинский и А. Н. Заикин налили реакционную смесь тонким слоем в чашку Петри. В чашке образуются причудливые фигуры - концентрические окружности, спирали, «вихри», распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин. Химические волны имеют ряд необычных свойств. Так, при столкновении они гасятся и не могут проходить сквозь друг друга.

Министерство образования, науки,молодёжи и спорта

Теоретический лицей Петру Мовилэ

Кафедра

«Способность,труд, талант»

Курсоваяработа по химии на тему:

«Колебательныехимические реакции»

Выполнила:ученица 12А класса

Болюбаш Ирина

Преподаватель:Снидченко М.А.

* г. Кишинёв2007 *

1. Введение:

а) Окислительно-восстановительные реакции

б) Колебательные химические реакции

2. История открытияколебательных реакций:

а) Исследования концентрационныхколебаний до открытия

реакции Б. П. Белоусова

3. Теоретическаячасть:

а) Математическая модель А. Лоткой

б) Изучение механизма колебательных реакций

4. Экспериментальнаячасть

5. Заключение

6. Приложение:

а) Рецепты некоторых колебательных реакций

б) Иллюстрации к проделанным опытам

7. Литература

Введение.

Химия - наукаэкспериментальная. И поэтому эксперимент как метод научного исследования давнои прочно занимает ведущее место среди методов естественных наук. Эксперимент - важнейший путь осуществления связи теории с практикой при обучении химии,превращения знаний в убеждения. Поэтому раскрытие познавательного значениякаждого опыта - основное требование к химическому эксперименту.

Под экспериментом (отлат. «experiтeпtuт» - «испытание») понимают наблюдение исследуемогоявления при определенных условиях, позволяющих следить за ходом этого явления иповторять его при соблюдении этих условий. Химический эксперимент занимаетважное место в обучении химии, так как через наблюдения и опыты познаётсямногообразие природы веществ, накапливаются факты для сравнений, обобщений, выводов.

Проводя опыты и наблюдаяза химическими превращениями в различных условиях, мы убеждается, что сложнымихимическими процессами можно управлять, что в явлениях нет ничеготаинственного, они подчиняются естественным законам, познание которыхобеспечивает возможность широкого использования химических превращений впрактической деятельности человека.

Однако результатынекоторых химических опытов неожиданны и не вписываются в традиционные представленияо свойствах веществ или закономерностях протекания химических реакций. Такиехимические превращения были названы, проблемным экспериментом.

Еще в пору античностифилософы полагали, что любое познание начинается с удивления. Удивление,вызванное новым, ведёт к развитию любознательности (чувствительности кпроблемам в окружающем мире) с последующим формированием устойчивого интереса кчему-нибудь. Удивление и, следующая за ней, тяга к познанию – вот благодатнаяпочва для изучения проблемного эксперимента, формирования диалектического исистемного мышления, раскрытия творческого потенциала.

Такое же состояние можетбыть вызвано ярким, впечатляющим химическим экспериментом (проблемнымэкспериментом). В химии причинами проблемных экспериментов, чаще всего,являются окислительно-восстановительные реакции.

Окислительно-восстановительныереакции

Существуют многочисленныекритерии классификации химических реакций. Один из важнейших – признакизменения степеней окисления элементов. В зависимости от того, изменяютсястепени окисления элементов или сохраняются, химические реакции могут бытьразделены на окислительно-восстановительные и проходящие без изменения степенейокисления.

Реакции, протекающие сизменением степеней окисления элементов (окислительно-восстановительные),широко известны. Они играют большую роль в технике и природе, лежат в основеобмена веществ в живых организмах, с ними связаны процессы окисления, гниения,брожения, фотосинтеза. Процессы окисления (и восстановления) идут при сгораниитоплива, коррозии металлов, электролизе, с их помощью получают металлы, аммиак,щелочи и многие другие ценные продукты. Поэтому изучениеокислительно-восстановительных реакций предусмотрено школьными курсами неорганическойи органической химии.

Напомним основныеположения, связанные с концепцией окислительно-восстановительные реакций.

Степень окисления соответствует заряду, который возникбы на атоме данного элемента в химическом соединении, если предположить, чтовсе электронные пары, посредством которых данный атом связан с другими,полностью смещены к атомам элементов с большей электроотрицательностью.

Окислитель – вещество, содержащее атомы илиионы, принимающие электроны: Xm^{(окислитель) + ne- = X(m-n) , где m – степень окисления элемента висходном веществе, n – числоэлектронов.}

Восстановитель – вещество, содержащее атомы илиионы, отдающие электроны: Ym^{(восстановитель) - ne-= Y(m+n) .}

Окисление – процесс отдачи электронов атомом,молекулой или ионом, при этом степень окисления элемента повышается.

Восстановление - процесс приёма электронов атомом,молекулой или ионом, при этом степень окисления элемента понижается.

Окисление ивосстановление – процессы сопряжённые, число электронов, отданныхвосстановителем в процесс его окисления, всегда равно числу электронов,принятых окислителем в процессе его восстановления.

Колебательные химические реакции

В этой курсовой работе ярассмотрю частный случай проблемного эксперимента, колебательные химическиереакции. Колебательные реакции – это целый класс реакций окисления органическихвеществ с участием катализатора, обладающего окислительно-восстановительнымисвойствами. Этот процесс протекает циклично т. е. состоит из многократных повторений.

Колебательные химическиереакции были открыты и научно обоснованы в 1951 г. советским учёным БорисомПетровичем Белоусовым. Б.П. Белоусов изучал окисление лимонной кислоты при еёреакции с бромноватокислым натрием в растворе серной кислоты. Для усиленийреакции он добавил в раствор соли церия. Церий – металл с переменной валентностью(3+ или 4+), поэтому он может быть катализатором окислительно-восстановительныхпревращений. Реакция сопровождается выделением пузырьков СО2, и поэтомукажется, что вся реакционная смесь «кипит». И вот на фоне этого кипения Б. П.Белоусов заметил удивительную вещь: цвет раствора периодически изменялся –становился то жёлтым, то бесцветным. Белоусов добавил в раствор комплексфенантролина с двухвалентным железом (ферроин), и цвет раствора сталпериодически изменяться от лилово-красного к синему и обратно.

Так была открыта реакция,ставшая знаменитой. Сейчас она известна во всём мире, её называют «реакцияБелоусова-Жаботинского». А. М. Жаботинский много сделал для понимания этогоудивительного феномена. С тех пор отрыто большое число аналогичных реакций.

История открытия колебательных реакций.

Открытие колебательнойхимической реакции И. П. Белоусов сделал при попытке создать простуюхимическую модель некоторых стадий системы ключевых биохимический превращенийкарбоновых кислот в клетке. Однако первого сообщения о его открытии напечатаноне было. Рецензент химического журнала усомнился в принципиальной возможностиописанной в статье реакции. Большинство химиков в те годы полагали, что чистохимических колебаний не бывает, хотя существование колебательных реакцийпредсказал в 1910 г. А. Лоткой на основе математической теории периодическихпроцессов.

Вторая попыткаопубликования результатов исследования была предпринята учёным в 1957 г., иопять он получил отказ, несмотря на появившиеся тогда работы бельгийскогофизика и физикохимика И. Р. Пригожина. В этих работах была показана возможностьи вероятность колебательных химических реакций.

Лишь в 1959 г. Былнапечатан краткий реферат об открытии Б. П. Белоусовым периодически действующейколебательной химической реакции в малоизвестном издании «Сборникрефератов по радиационной медицине».

А всё дело в том, чтокогда Б. П. Белоусов сделал своё открытие, периодические измененияконцентрации реагентов казались нарушением законов термодинамики. В самомделе, как может реакция идти то в прямом, то в противоположном направлениях?Невозможно представить себе, чтобы всё огромное число молекул в сосуде было тов одном, то в другом состоянии (то все «синие», то все «красные»…).

Направление реакции определяетсяхимическим (термодинамическим) потенциалом – реакции осуществляются внаправлении более вероятных состояний, в направлении уменьшения свободнойэнергии системы. Когда реакция в данном направлении завершается, это значит,что её потенциал исчерпан, достигается термодинамическое равновесие, и беззатраты энергии, самопроизвольно, процесс в обратную сторону пойти неможет. А тут… реакция идёт то в одном, то в другом направлении.

Однако никакого нарушениязаконов в этой реакции не было. Происходили колебания – периодическиеизменения – концентраций промежуточных продуктов, а не исходных реагентов иликонечных продуктов. СО2 не превращается в этой реакции в лимоннуюкислоту, это в самом деле невозможно. Рецензенты не учли, что пока системадалека от равновесия, в ней вполне могут происходить многие замечательные вещи.Детальные траектории системы от начального состояния к конечному могут бытьочень сложными. Лишь в последние десятилетия этими проблемами стала заниматьсятермодинамика систем, далёких от равновесия. Эта новая наука стала основой новойнауки – синергетики (теория самоорганизации).

Реакцию Белоусова, какотмечено выше, детально изучил А. М. Жаботинский и его коллеги. Они заменили лимонную кислоту малоновой. Окисление малоновой кислоты несопровождается образованием пузырьков СО2, поэтому изменение окраски раствора можно без помех регистрировать фотоэлектрическими приборами.В дальнейшем оказалось, что ферроин и без церия служит катализатором этойреакции. Б. П. Белоусов уже в первых опытах заметил ещё одно замечательное свойство своей реакции: при прекращении перемешивания изменение окраски врастворе распространяется волнами. Это распространение химических колебаний в пространстве стало особенно наглядным, когда в 1970 г. А. М. Жаботинский иА. Н. Заикин налили реакционную смесь тонким слоем в чашку Петри. Вчашке образуются причудливые фигуры – концентрические окружности, спирали,«вихри», распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин. Химические волныимеют ряд необычных свойств. Так, при столкновении они гасятся и не могутпроходить сквозь друг друга.

Исследованияконцентрационных
колебаний до открытия реакции Б. П. Белоусовым

Но как гласит история,открытие Б. П. Белоусова было отнюдь не первым в мировой науке. Оказалось, чтоодна из первых публикаций по химическим колебаниям относится к 1828 г. В нейТ.Фехнер изложил результаты исследования колебаний электрохимической реакции.Наиболее интересна работа М. Розеншельда, относящаяся к 1834 г. Ее авторсовершенно случайно заметил, что небольшая колба, содержащая немного фосфора, втемноте испускает довольно интенсивный свет. В самом факте свечения фосфора небыло ничего удивительного, но то, что это свечение регулярно повторялось каждуюседьмую секунду, было интересно. Сорок лет спустя эти эксперименты с «мерцающейколбой» продолжил француз М.Жубер (1874). Ему удалось в пробирке наблюдатьпериодическое образование «светящихся облаков». Еще через двадцать лет такженемецкий ученый А.Центнершвер исследовал влияние давления воздуха напериодические вспышки фосфора. В его экспериментах период вспышек начинался с20 с и уменьшался с понижением давления.

Особенно яркая страница вистории химических колебаний связана с так называемыми кольцами Лизеганга. В1896 г. немецкий химик Р.Лизеганг, экспериментируя с фотохимикатами, обнаружил,что если капнуть ляписом на стеклянную пластину, покрытую желатиной, содержащейхромпик, то продукт реакции, выпадая в осадок, располагается на пластинке концентрическимиокружностями. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался егоисследованием. Нашлось и практическое его применение. В прикладном искусствекольца Лизеганга использовали для украшения различных изделий с имитацией яшмы,малахита, агата и т. п. Сам Лизеганг предложил технологию изготовленияискусственного жемчуга.

Перечень подобныхпримеров можно продолжить. Вслед за указанными были открыты колебательныереакции на границе раздела двух фаз. Из них наиболее известны реакции на границеметалл–раствор, получившие специфические названия – «железный нерв» и «ртутноесердце». Первая из них – реакция растворения железа (проволоки) в азотнойкислоте – получила свое название из-за внешнего сходства с динамикойвозбужденного нерва, замеченного В.Ф.Оствальдом. Вторая, вернее один из еевариантов, – реакция разложения Н2О2 на поверхностиметаллической ртути. В реакции происходит периодическое образование ирастворение пленки оксида на поверхности ртути. Колебания поверхностногонатяжения ртути обусловливают ритмические пульсации капли, напоминающие биениесердца. Но все эти реакции не привлекали особенного внимания химиков, посколькупредставления о ходе химической реакции были еще достаточно смутными.

Лишь во второй половинеXIX в. возникли термодинамика и химическая кинетика, положившие началоспецифическому интересу к колебательнымреакциям и методам их анализа.

Математическая модель А. Лоткой

Математическая теорияколебаний в системах, аналогичных химическим реакциям, была опубликована еще в1910 г. А. Лоткой – он написал систему дифференциальных уравнений, из которойследовала возможность периодических режимов. Лотка рассматривал взаимодействие«жертв», например травоядных животных, и поедающих их «хищников» (X и Y). Хищникипоедают жертв и размножаются – концентрация Y растёт, но до некоторого предела,когда численность жертв резко уменьшается, и хищники умирают от голода –концентрация Y уменьшается. Тогда уцелевшие жертвы начинают размножаться –концентрация X растёт. Уцелевшие хищники вслед за этим также размножаются,концентрация Y снова растёт, и так далее многократно. Наблюдаются периодическиеколебания концентрации реагентов. Ясно, что условием таких незатухающих(длительное время) колебаний является изобилие травы – пищи жертв. УравненияЛотки усовершенствовал В. Вольтерра. А современную теорию колебаний разработалироссийские физики Л. И. Мандельштамм, А. А. Андронов, А. А. Витт, С. Э. Хайкин,Д. А. Франк-Каменецкий. Так что для физиков и математиков открытие Белоусоване было таким удивительным.

Изучение механизмаколебательных реакций.

Детальный механизмреакции Белоусова всё ещё известен не полностью. В первых работах казалось, что число промежуточных продуктов невелико. Для объяснения природы колебаний было достаточно представить себе, как сначала измалоновой кислоты образуется броммалоновая кислота, и при дальнейшей реакции сней KВrO3 превращается в KBr. Анион Br-- тормозитдальнейшее окисление броммалоновой кислоты, и накапливается окисленнаяформа катализатора (четырёхвалентного церия или трёхвалентного железа вкомплексе с фенантролином). В результате прекращается накопление Br--, и окисление броммалоновой кислоты возобновляется... Теперь ясно, что такоймеханизм далеко не полон. Число промежуточных продуктов достигло четырёхдесятков, и изучение продолжается.

В 1972 г. Р. Нойес и сотрудники показали, что реакция Белоусова- Жаботинского – итог, по крайней мере, десяти реакций, которые можно объединить в три группы – А,Б и В.

Сначала (группа реакций А) бромат-ион взаимодействует с бромид-ионом в присутствии Н+ собразованием бромистой и гипобромистой кислот:

BrO-3+ Br-- + 2H+ = HBrO2 + HOBr (А 1)

гипобромистую кислоту:

HBrO2+ Br-- + H+ = 2HOBr (А 2)

Гипобромная кислота, в своюочередь, реагирует с бромид-ионом, образуя свободный бром:

HOBr + Br--+ H+ = Br2 + H2O (А 3)

Малоновая кислотабромируется свободным бромом:

Br2+ CH2(COOH)2 = BrCH(COOH)2 + Br--+ H+ (А 4)

В результате всех этихреакций малоновая кислота бромируется свободным бромом:

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

Химический смысл этой группыреакций двойной: уничтожение бромид-иона и синтез броммалоновой кислоты.

Реакции группы Б возможнылишь при отсутствии (малой концентрации) бромид-иона. При взаимодействиибромат-иона с бромистой кислотой образуется радикал BrO2.

BrO-3+ HBrO2 + H+ > 2BrO2 + H2O (Б 1)

BrO2 реагируетс церием (III), окисляя его до церия (IV), а сам восстанавливается до бромистойкислоты:

BrO2+ Ce3+ + H+ > HВrO2 + Ce4+ (Б 2)

Бромистая кислота распадаетсяна бромат-ион и гипобромистую кислоту:

2HBrO2> BrO-3 +HOBr + H+ (Б 3)

Гипобромистая кислотабромирует малоновую кислоту:

HOBr + CH2(COOH)2> BrCH(COOH)2 + H2O (Б 4)

В итоге реакций группы Бобразуется броммалоновая кислота и четырехвалентный церий.

Колебания концентрацийосновных компонентов реакции: бромистой кислоты и феррина – в фазовомпространстве представляются в виде замкнутой линии (предельного цикла).

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

Образовавшийся в этихреакциях церий (IV) (реакции группы В):

6Ce4++ CH2(COOH)2 + 2H2O > 6Ce3+ +HCOOH + 2CO2 +6H+ (В 1)

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

Химический смысл этойгруппы реакций: образование бромид-иона, идущее тем интенсивнее, чем выше концентрация броммалоновой кислоты. Увеличение концентрации бромид-иона приводит к прекращению (резкому замедлению) окисления церия (III) в церий (IV). В исследованиях последнего времени церий обычно заменяют ферроином.

Из этой (неполной)последовательности этапов реакции Белоусова-Жаботинского видно, сколь сложнаэта система. Так, достаточно учитывать изменение концентрации всего трехосновных промежуточных компонентов реакции HВrO2 (бромистойкислоты), Br-- и ферроина (или церия).

Первый шаг в реакции – в результатеавтокаталитической реакции образуется бромистая кислота (быстрый, подобный взрыву процесс), ферроин трансформируется в ферриин (окисленную форму ферроина).

Второй шаг – в результате взаимодействия сорганическим компонентом феррин начинает медленно трансформироваться обратно в ферроин, и одновременно начинает образовываться бромид-ион.

Третий шаг – бромид-ион является эффективным ингибитором автокаталитической реакции (1-й шаг). Как следствие,прекращается образование бромистой кислоты, и она быстро распадается.

Четвертый шаг – процесс распада ферриина, начатыйна 2-м шаге, завершается; бромид-ион удаляется из системы. В результате система возвращается к состоянию, в котором находилась до 1-го шага, и процесс повторяется периодически. Существует несколько математических моделей(систем дифференциальных уравнений), описывающих эту реакцию, колебанияконцентрации ее реагентов и закономерности распространения концентрационныхволн.

Экспериментальнаячасть:

Реакция взаимодействиялимонной кислоты с броматом калия:

Реактивы:

1. K M nO4 (перманганат калия).

2. KВrO3 (калийбромноватокислый или бромат калия).

3. H2SO4 (концентрированная).

4. Лимонная кислота.

5. Дистиллированная вода.

Ход работы: Навеску лимонной кислоты – 2 грастворили в 6 мл H2O. В полученный раствор добавили навеску калиябромноватокислого - 0,2 г и долили 0,7 мл концентрированной серной кислоты.Затем внесли 0,04 г перманганата калия и довели объем полученного раствора до10 мл дистиллированной водой. Тщательно перемешали до полного растворенияреактивов.

Наблюдения: Сразу после добавления KMnO4раствор приобрёл фиолетовую окраску и начал «кипеть». Через 25 с, при бурномкипении, цвет раствора стал меняться на коричневый. С течением реакции растворпостепенно светлеет - вплоть до светло-желтого цвета. Через 3 мин 45 с начинаетсярезкое потемнение раствора (похоже на диффузию жидкости высокой плотности), ичерез 40 с раствор снова становится полностью коричневым. Далее все повторяетсяс периодом 4,5 мин – 5 мин. Через довольно большой промежуток времени реакцияначинает замедляться, затем и прекращается вовсе (раствор жёлтого цвета).

/>Колебательныеокислительно-восстановительные реакции:

Реактивы:

1. FeSO4. 7H2O кристаллический гептагидрат сульфата железа(II) или

Fe(NH4)2(SO4)2. 6H2O(соль Мора) гексагидрат сульфата диаммония-

железа(II)

2. Ce(NO3)3.6H2O гексагидрат нитрата церия(III)

3. KBr водный раствор бромидакалия (2 моль/л, или 12 г на 50 мл воды)

4. KBrO3 насыщенныйраствор бромата калия (около 10 г на 100 мл воды)

5. H2SO4 концентрированная серная кислота

6. CH2(COOH)2 водный раствор малоновой кислоты (5 моль/л, или 52 г в

100 мл воды)

7. C12H8N2 (phen) о-фенантролин

8. дистиллированная вода

Посуда и приборы: Полилюкс с экраном, стекляннаяпластинка размером 25Χ25 см, чашка Петри, мерная колба емкостью 100 мл,колба Эрленмейера емкостью 250 мл с пришлифованной пробкой, шесть пипеток, бюретка,стеклянная палочка, промывалка, фильтровальная бумага.

Описание опыта: Для демонстрации экспериментапредварительно готовят растворы А и Б.

Раствор А – раствор ферроина – комплексажелеза(II) с о-фенантролином (phen). В мерную колбу емкостью 100 мл вносят 0,70г гептагидрат сульфата железа(II) (или 0,99 г соли Мора) и 1,49 г о-фенантролина,доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Раствор приобретаеткрасный цвет за счет образования фенантролинового комплекса железа(II):

Fe2++ 3 phen = 2+

Раствор Б – раствор броммалоновой кислоты (готовится непосредственноперед демонстрацией). В коническую колбу с пришлифованной пробкой вводят 3,3 млраствора бромида калия, 5 мл раствора малоновой кислоты и 5 млконцентрированной серной кислоты. Полученный раствор титруют из бюреткинасыщенным раствором бромата калия при перемешивании после добавления каждойпорции титранта, добиваясь исчезновения коричневой окраски за счет выделенияброма в параллельно протекающей реакции конмутации:

BrO3–+ 5Br– + 6H+ = 3Br2 + 3H2O

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

Общий объем растворабромата калия, пошедшего на титрование, должен составлять около 7,5 мл.Образующаяся броммалоновая кислота неустойчива, однако некоторое время ее можнохранить при температуре 5100С.

Для непосредственнойдемонстрации опыта на стеклянную пластинку, закрывающую световое окнополилюкса, ставят чашку Петри, в которую последовательно вносят с помощьюпипеток 10 мл насыщенного раствора бромата калия, 4 мл раствора броммалоновойкислоты и 1,5 мл раствора ферроина. В течение нескольких минут на красном фонепоявляются голубые пятнышки за счет образование фенантролинового комплексажелеза(III) 3+ в результатеокисления соответствующего комплекса железа(II):

62++ 6H3O+ + BrO3– = 63++ 9H2O + Br–

Этот процесс являетсясамоускоряющимся. Образующийся комплекс 3+ окисляет броммалоновую кислоту с образованием бромид-ионов:

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

= 2CO2+ 5H3O+ + Br– + HCOOH + 42+

Выделяющиеся бромид-ионыявляются ингибиторами реакции окисления комплексов железа(II) бромат-ионами.Только когда концентрация комплексных ионов 2+ становится достаточно высокой, ингибирующая активность бромид-ионовпреодолевается, и раствор становится голубым за счет образования комплексажелеза(III). Процесс повторяется снова и снова, поэтому и окраска растворапериодически изменяется из голубой в розовую, или наоборот. Изменение окраскиначинается с появлением на розовом фоне голубых пятнышек, от которых во всестороны расходятся концентрические волны окраски. С течением времени скоростьизменения окраски уменьшается и, в конце концов, процесс затухает. При этом наэкране можно наблюдать появление “черных точек”  проекций пузырьковвыделяющегося диоксида углерода.

Диапазон окрасок можнорасширить, если добавить в чашку Петри несколько кристаллов гексагидратанитрата церия(III) Ce(NO3)3. 6H2O. Тогда, помимо голубой и розовой окраски, можно наблюдать желтое (за счетобразования соединений церия(IV)) или зеленое окрашивание (вследствие налоналожения желтого и голубого цвета):

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

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

= 2CO2+ Br– + HCOOH + 4Ce3++ 9H2O

При нагревании скоростьреакций возрастает, а смена окрасок убыстряется.

Примечание. Фенантролин представляет собойгетероциклическое соединение с двумя атомами азота, обладающими неподелённымипарами электронов и способными к координации. В комплексных соединениях с железомо -фенантролин играет роль бидентатного лиганда и образует прочные комплексыхелатного типа.

Заключение.

К настоящему времениреакция Белоусова–Жаботинского заняла достойное место в мировой науке. Каждыйгод в мире проводится по нескольку международных конференций по динамикенелинейных химических систем, а слова «BZ-reaction» (сокращение: реакцииБелоусова-Жаботинского) звучат на десятках других конференций, посвященныхпроблемам физике, химии, биологии.

Изучение реакцииБелоусова-Жаботинского, как я убедилась, имеет огромное значение, ведь онанашла применение в различных областях науки и техники. Эта реакция используетсякак модель для исследования грозного нарушения работы сердца – аритмии ифибрилляций. А в недавнее время были начаты эксперименты со светочувствительноймодификацией этой реакции, когда динамика в этой системе зависит отинтенсивности света. Оказалось, что такую реакцию можно использовать каквычислительную машину для хранения и обработки изображения. Светочувствительнаямодификация реакции Белоусова-Жаботинского может служить прототипом вычислительногокомплекса, который возможно, придет на смену ЭВМ.

С другой стороны,колебательные химические реакции являются ярким примером самоорганизации внеживой природе, и в этом смысле имеется не только естественно-научное, но ифилософское значение. Фундаментальные изменения в естествознании, породившиетак называемую теорию самоорганизации, обусловлены в значительной степениначальным импульсом, приданным ей российскими учеными на рубеже 1950–1960-хгг., когда Белоусов открыл окислительно-восстановительную химическую реакцию.При этом были обнаружены поразительные аналогии, оказалось, что многие природныеявления, начиная от образования галактик до смерчей, циклонов и игры света наотражающих поверхностях, по сути дела, – процессы самоорганизации. Они могутиметь самую различную природу: химическую, механическую, оптическую,электрическую и др.

Так, все больший удельныйвес приобретают исследования прикладной направленности, например, в областимоделирования альтернативных средств обработки информации (в частности, анализсложных мозаик с градацией яркости объектов). Еще одним новым направлениемприкладных исследований является изучение особенностей полимеризации вБЖ-системе или сходных с ней.

Сложнойпространственно-временной организации, проявляемой БЖ-системой в отсутствиеперемешивания, со временем нашлись аналогии в природе, в биологических системах(например: периодические процессы клеточного метаболизма, волны активности всердечной ткани и в тканях головного мозга, процессы, происходящие на уровне неэкологических систем), в новой ее области – синергетики (теориисамоорганизации), а также экспериментальные работы инициировали развитиесовременной теории динамических систем. Хотя в настоящее время многое в такихреакциях уже понятно, однако причины, вызывающие колебательные химическиепроцессы, остаются до конца невыясненными.

В настоящее времякинетика колебательных реакций – бурно развивающаяся отрасль знаний, возникшаяна стыке химии, биологии, медицины, физики, математики. Мне было оченьинтересно познакомиться со столь необычными и на первый взгляд невозможнымисвойствами живой материи. Но ещё больше меня поразило, что такое невероятное посвоей значимости, впечатляющее открытие долгие годы не воспринималось другими,и просто не было понято великими умами того времени. Это открытие прошло свойтернистый путь, и, в конце концов, заняло достойное место в мировой науке. Асама возможность такой реакции ещё раз доказывает, что в нашем мире существуетещё очень много неизведанного и неизученного.

Приложение.

Рецепты некоторыхколебательных реакций

Рецепт 1: Необходимо приготовить растворыперечисленных далее веществ из расчета их конечных концентраций: малоноваякислота 0,2 М; бромат натрия 0,3 М; серная кислота 0,3 М; ферроин 0,005 М.Ферроин можно заменить сульфатом двухвалентного марганца или трехвалентногоцерия, но при этом интенсивность окраски будет существенно слабее. Около 5 мл раствора всех компонентов нужно налить в чашку Петри так, чтобы толщина слояжидкости была 0,5-1 мм. Через 3-8 мин (переходный период) можно наблюдатьколебания и химические волны.

Рецепт 2: В плоскую прозрачную кювету слоями(1 мл) налить следующие растворы:

- KВrO3 (0,2 моль/л)

- малоновую кислоту (0,3 моль/л)

- ферроин (0,003 моль/л)

- H2SO4 (0,3 моль/л)

Кювету поставить на лист белойбумаги. Темп реакции можно изменить, добавляя щелочь или кислоту.

Рецепт 3: Необходимы растворы:

- лимонной кислоты (40 г в 160 мл H2O)

- H2SO4 (1:3).

А также навески:

- KBrO3 (16 г)

- Ce2(SO4)3 (3-3,5 г)

Раствор лимонной кислоты нагреть до40°-50° С, затем высыпать навеску KВrO3. Стакан поставить на листбелой бумаги и внести навеску Ce2(SO4)3 инесколько мл H2SO4. Сразу начинает происходитьчередование цветов: желтый > бесцветный > желтый, с периодом 1-2 мин.

Рецепт 4: Необходимы растворы:

- H2O2 (50 мл 30%)

- KIO3 (7,17 г в 50мл H2O)

- HСlO4 (30 мл разбавленного раствора)

- малоновая кислота (3 г в 50 мл H2O).И навески:

- MnSO4 (1г) и немного крахмала.

Все слить в один стакан(200-250 мл), добавить навески, размешать стеклянной палочкой. Происходитчередование цвета: бесцветный > жёлтый > голубой.

Список литературы.

1. Алиев Р., ШнольС. Э. «Колебательные химические реакции». Кинетика и катализ. 1998. № 3. С.130-133.

2. Шноль С. Э. Знание – Сила. 1994. №3. С. 62-71.

3. Жаботинский А. М. Концентрационныеавтоколебания. М.: Наука, 1974.

4. Гарел Д., Гарел О. Колебательныехимические реакции / Пер. с англ. М.:

5. Дубнищева Т. Я. Концепциисовременного естествознания. Новоси-

бирск: ЮКЭА, 1997, С. 683 – 697.

6. Концепции современногоестествознания. Под ред. В. Н. Лавриненко,

В. П. Ратникова, М.: ЮНИТИ-ДАНА,1999, С. 78 - 87.

7. ВавилинБ.В. «Автоколебания в жидкофазных химических системах».

Природа, 2000, № 5, С. 19 –25.

КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ , р-ции, в ходе к-рых промежут. соединений и скорость р-ции испытывают колебания. Колебания м. б. периодическими, в этом случае значения c(t) колеблющихся (t - время) можно представить рядом Фурье:

где а n , b n - коэффициенты разложения ф-ции c(t) в рад (амплитуды отдельных гармонич. компонент), A n - комплексные амплитуды, w - частота колебаний (i - мнимая единица). В общем случае амплитуды и частоты колебаний могут изменяться во времени (колебания затухающие, нарастающие, модулированные). Колебания промежут. соед. могут быть непериодическими или иметь непрерывный спектр. Колебания промежут. соед. - относительно редкое явление, наблюдаемое в ходе нек-рых сложных р-ций. Элементарные хим. р-ции являются релаксац. процессами, обеспечивающими монотонное приближение реагирующей системы к состоянию термодинамич. . Для возникновения колебаний в ходе гомог. изотермич. р-ции необходимо наличие промежут. соед. и взаимодействие между ними. В существуют стационарные состояния, в к-рых c(i) i-го промежут. соед. не зависит от времени (с i =c 0 i). При небольших отклонениях системы от стационарного состояния изменение с i описывается суммой экспонент с комплексными показателями:

Величины l i = g i +i w i , наз. характеристич. числами. В неколебат. устойчивых системах l i отрицательны и действительны ( g i <0, w i =0). В этих случаях обычно вместо l i используют времена t i =1/ l i . Если стационарное состояние достаточно близко к состоянию термодинамич. (выполняются соотношения взаимности Онсагера, см. ), то все l i действительны и отрицательны (). В этом случае система приближается к стационарному состоянию без колебаний. В сильно неравновесных системах l i могут стать комплексными числами, что соответствует появлению колебаний около стационарного состояния. При определенных значениях параметров сильно неравновесной системы ( исходных , т-ры, и т.д.) стационарное состояние может потерять устойчивость. Потеря устойчивости стационарного состояния является частным случаем бифуркации, т.е. изменения при определенном (бифуркационном) значении к.-л. параметра числа или типа разл. кинетич. режимов системы. Имеется два простейших случая бифуркации устойчивого стационарного состояния. В первом случае одно l i становится положительным. При этом в точке бифуркации ( l i =0) исходно устойчивое состояние становится неустойчивым или сливается с неустойчивым стационарным состоянием и исчезает, а система переходит в новое устойчивое состояние. В пространстве параметров в окрестности этой бифуркации существует область, где система обладает по крайней мере тремя стационарными состояниями, из к-рых два устойчивы, а одно неустойчиво. Во втором случае действит. часть одной комплексных характеристич. чисел становится положительной. При этом в окрестности потерявшего устойчивость стационарного состояния возникают устойчивые колебания. После прохождения точки бифуркации при дальнейшем изменении параметра количеств, характеристики колебаний (частота, амплитуда и т.д.) могут сильно меняться, но качеств. тип поведения системы сохраняется. В хим. системах неустойчивости могут возникать в результате ускорения р-ции ее продуктами или др. видов , субстратного или перекрестного ингибирования (см. ), конкуренции исходных в-в за промежут. соед. и т.п. В неизотермич. системах причиной неустойчивости может служить самоускорение экзотермич. стадий р-ции, а в электрохим. р-циях экспоненциальная зависимость скорости р-ции от . Появление простейших неустойчивостей и соответствующих кинетич. состояний системы удобно пояснить на примере ферментативной р-ции с двумя S 1 и S 2 , один из к-рых, напр. S 1 , ингибирует Е:
S 01 D S 1 S 02 D S 2 S 1 +E 1 D S 1 E S 1 E+S 2 D S 1 E : P S 1 E+S 1 D S 1 S 1 E
S 1 и S 2 могут поступать в систему извне (напр., за счет притока в проточном реакторе или путем через ) или образовываться в результате медленных гомог. р-ций S 0i D S i (i=1,2); так же происходит удаление продукта Р, не влияющего на ход р-ции. S 1 E, S 1 S 2 E и S 1 S 1 Е - фермент-субстратные комплексы; происходит из-за образования неактивного комплекса S 1 S 1 E. В этой системе имеется 6 динамич. переменных: и , [Е] и разл. форм фермент-субстратных комплексов, причем [Е] + ++=е - полная . Обычно e<< и e<<, поэтому можно применить и представить фермент-субстратных комплексов как алгебраич. ф-ции . В результате поведение системы можно описать двумя дифференц. ур-ниями относительно и . Удобно использовать безразмерные переменные s 1 =/K 1 и s 2 =/K 2 (K 1 и К 2 - Михаэлиса), параметры a 1 и a 2 - скорости поступления , а также безразмерные комбинации элементарных стадий e, b, g, d, ( и безразмерное время t . Тогда дифференц. ур-ния принимают вид:

Рассмотрим случай, когда эта система имеет два устойчивых стационарных состояния - бистабильную систему, или триггер. Если a 2 >> a 1 / e , т.е. скорость р-ции S 02 D S 2 очень велика по сравнению со скоростью р-ции S 01 D S 1 и скоростью ферментативной р-ции, то постоянна и равна . В этом случае поведение системы описывается только одним ур-нием (3.1). Зависимости d s l /d t от s 1 при разных значениях a 1 показаны на рис. 1, а. Пунктирные кривые соответствуют бифуркац. значениям параметра a-a " 1 и a : 1 , а кривые, заключенные между ними, трижды пересекают ось абсцисс. Точки пересечения соответствуют стационарным состояниям s 1 01 , s 1 02 и s 1 03 , среднее из к-рых s 1 02 неустойчиво и разделяет области притяжения устойчивых состояний s 1 01

Рис. 1. Ферментативная система с тремя стационарными состояниями (биохим. триггер): a зависимость скорости d s 1 /d t изменения безразмерной S 1 , от ее значения ( s 1 ) при разл. скоростях ( a 1 ) поступления ; пунктиром обозначены кривые, соответствующие бифуркац. значениям a " 1 и a "" 1 ; 6 - зависимость стационарных значений s 0 1 от a 1 ; s 1 01 и s 1 0 3 устойчивые, s 1 0 2 - неустойчивое стационарные состояния.

и s 1 0 3 . На кривой зависимости стационарной s 1 0 от a 1 (рис. 1, б) область с тремя стационарными состояниями лежит в интервале ( a " 1 , a "" 1). При прямом и обратном медленном изменении параметра a 1 происходит движение системы по различным траекториям, т.е. гистерезис. Следует отметить, что описанную бистабильность можно получить в системе с односубстратной р-цией, к-рая ведет себя аналогично двухсубстратной р-ции с фиксир. одного из . Чтобы система с одной переменной и бистабильностью стала колебательной, нужно превратить параметр в медленную переменную. В ферментативной системе с двумя таким параметром, естественно, является второго s 2 . В этом случае для описания системы нужно использовать оба ур-ния (3). Относительные изменения S 2 ( D /) будут медленными по сравнению с относительными изменениями S l , если >>. При переходе к безразмерным параметрам это условие принимает след, вид: a 1 ~ a 2 ~1, e <<1. На фазовой плоскости с координатами s 1 , s 2 поведение системы качественно определяется взаимным расположением нуль-изоклин-кривых, на к-рых производные d s 1 /d t и d s 2 / d t равны 0 (рис. 2, а). Точки пересечения нуль-изоклин соответствуют стационарным состояниям системы. Пунктиром показано положение нуль-изоклины d s 1 /d t =0 при бифуркации, сопровождающейся возникновением устойчивых колебаний (автоколебаний) малой амплитуды. Этим колебаниям соответствует замкнутая траектория движения системы - т. наз. предельный цикл. Сплошными линиями показаны нуль-изоклины в ситуации, далекой от бифуркации, когда единственное стационарное состояние системы (точка О на рис. 2, а) сильно неустойчиво и окружено предельным циклом ABCD. Движению системы по этому предельному циклу соответствуют автоколебания s 1 и s 2 с большой амплитудой (см. рис. 2, б).

Рис. 2. Автоколебания (устойчивые колебания) в модельной ферментативной системе: a-фазовая плоскость в координатах s 1 - s 2 с нуль-изоклинами d s 1 /d t =0, d s 2 /d t =0; пунктиром показано положение нуль-изоклины d s 1 /d t =0, соответствующее колебат. бифуркации, и малый предельный цикл, окружающий потерявшее устойчивость стационарное состояние О, ABCD большой предельный цикл; б - автоколебания s 1 и s 2 , соответствующие большому предельному циклу ABCD.

В ходе колебательных наблюдались периодич. колебания разл. формы: синусоидальные, пилообразные, прямоугольные и т.д.; модулированные, квазипериодические и стохастические. Периоды большинства колебательных лежат в диапазоне от долей секунды до десятков минут. К жидкофазным колебательным относятся, напр., Н 2 О 2 и S 2 O 4 2- , разл. в-в галогенкислородными соед., и . Хорошо изучена Белоусова - Жаботинского , идущая в водном р-ре, где НВrO 3 при переменной окисляет разл. орг. соед., в частности малоновую к-ту. Газофазные колебательные обнаружены и исследованы при , СО и др. соединений. Во всех случаях существенны как объемные стадии р-ции, так и обрыв и зарождение цепей на стенках реактора, а также ускорение р-ций за счет разогрева системы в результате экзотермич. стадий (тепловой ). Возможны чисто термокинетич. автоколебания, когда тепловой является единств, причиной неустойчивости. Простейшая модель термокинетич. колебаний в проточном реакторе имеет вид: В 0 : В : Р+Q. Здесь в-во В поступает в проточный реактор идеального , где происходит мономолекулярная экзотермич. р-ция распада; выделяющееся тепло отводится через стенку реактора. Кинетика этой р-ции описывается двумя дифференц. ур-ниями относительно В и т-ры Т внутри реактора:

где [В 0 ] - приведенная на входе в реактор, Т 0 - т-ра стенки реактора, k - коэф. скорости обновления реакц. смеси в реакторе, h - коэф. скорости , Q - тепловой эффект р-ции, С р - при постоянном , r - плотность, Е и А -

Министерство образования, науки, молодёжи и спорта

Теоретический лицей Петру Мовилэ

Кафедра

"Способность, труд, талант"

Курсовая работа по химии на тему:

"Колебательные химические реакции"

Выполнила: ученица 12А класса

Болюбаш Ирина

Преподаватель: Снидченко М.А.

* г. Кишинёв 2007 *

1. Введение:

а) Окислительно-восстановительные реакции

б) Колебательные химические реакции

2. История открытия колебательных реакций:

а) Исследования концентрационных колебаний до открытия

реакции Б. П. Белоусова

3. Теоретическая часть:

а) Математическая модель А. Лоткой

б) Изучение механизма колебательных реакций

4. Экспериментальная часть

5. Заключение

6. Приложение:

а) Рецепты некоторых колебательных реакций

б) Иллюстрации к проделанным опытам

7. Литература

Введение.

Химия - наука экспериментальная. И поэтому эксперимент как метод научного исследования давно и прочно занимает ведущее место среди методов естественных наук. Эксперимент - важнейший путь осуществления связи теории с практикой при обучении химии, превращения знаний в убеждения. Поэтому раскрытие познавательного значения каждого опыта - основное требование к химическому эксперименту.

Под экспериментом (от лат. «experiтeпtuт» - «испытание») понимают наблюдение исследуемого явления при определенных условиях, позволяющих следить за ходом этого явления и повторять его при соблюдении этих условий. Химический эксперимент занимает важное место в обучении химии, так как через наблюдения и опыты познаётся многообразие природы веществ, накапливаются факты для сравнений, обобщений, выводов.

Проводя опыты и наблюдая за химическими превращениями в различных условиях, мы убеждается, что сложными химическими процессами можно управлять, что в явлениях нет ничего таинственного, они подчиняются естественным законам, познание которых обеспечивает возможность широкого использования химических превращений в практической деятельности человека.

Однако результаты некоторых химических опытов неожиданны и не вписываются в традиционные представления о свойствах веществ или закономерностях протекания химических реакций. Такие химические превращения были названы, проблемным экспериментом.

Еще в пору античности философы полагали, что любое познание начинается с удивления. Удивление, вызванное новым, ведёт к развитию любознательности (чувствительности к проблемам в окружающем мире) с последующим формированием устойчивого интереса к чему-нибудь. Удивление и, следующая за ней, тяга к познанию – вот благодатная почва для изучения проблемного эксперимента, формирования диалектического и системного мышления, раскрытия творческого потенциала.

Такое же состояние может быть вызвано ярким, впечатляющим химическим экспериментом (проблемным экспериментом). В химии причинами проблемных экспериментов, чаще всего, являются окислительно-восстановительные реакции.

Окислительно-восстановительные реакции

Существуют многочисленные критерии классификации химических реакций. Один из важнейших – признак изменения степеней окисления элементов. В зависимости от того, изменяются степени окисления элементов или сохраняются, химические реакции могут быть разделены на окислительно-восстановительные и проходящие без изменения степеней окисления.

Реакции, протекающие с изменением степеней окисления элементов (окислительно-восстановительные), широко известны. Они играют большую роль в технике и природе, лежат в основе обмена веществ в живых организмах, с ними связаны процессы окисления, гниения, брожения, фотосинтеза. Процессы окисления (и восстановления) идут при сгорании топлива, коррозии металлов, электролизе, с их помощью получают металлы, аммиак, щелочи и многие другие ценные продукты. Поэтому изучение окислительно-восстановительных реакций предусмотрено школьными курсами неорганической и органической химии.

Напомним основные положения, связанные с концепцией окислительно-восстановительные реакций.

Степень окисления соответствует заряду, который возник бы на атоме данного элемента в химическом соединении, если предположить, что все электронные пары, посредством которых данный атом связан с другими, полностью смещены к атомам элементов с большей электроотрицательностью.

Окислитель – вещество, содержащее атомы или ионы, принимающие электроны: X m (окислитель) + ne - = X (m - n) , где m – степень окисления элемента в исходном веществе, n – число электронов.

Восстановитель – вещество, содержащее атомы или ионы, отдающие электроны: Y m (восстановитель) - ne - = Y (m + n) .

Окисление – процесс отдачи электронов атомом, молекулой или ионом, при этом степень окисления элемента повышается.

Восстановление - процесс приёма электронов атомом, молекулой или ионом, при этом степень окисления элемента понижается.

Окисление и восстановление – процессы сопряжённые, число электронов, отданных восстановителем в процесс его окисления, всегда равно числу электронов, принятых окислителем в процессе его восстановления.

Колебательные химические реакции

В этой курсовой работе я рассмотрю частный случай проблемного эксперимента, колебательные химические реакции. Колебательные реакции – это целый класс реакций окисления органических веществ с участием катализатора, обладающего окислительно-восстановительными свойствами. Этот процесс протекает циклично т. е. состоит из многократных повторений.

Колебательные химические реакции были открыты и научно обоснованы в 1951 г. советским учёным Борисом Петровичем Белоусовым. Б.П. Белоусов изучал окисление лимонной кислоты при её реакции с бромноватокислым натрием в растворе серной кислоты. Для усилений реакции он добавил в раствор соли церия. Церий – металл с переменной валентностью (3+ или 4+), поэтому он может быть катализатором окислительно-восстановительных превращений. Реакция сопровождается выделением пузырьков СО 2 , и поэтому кажется, что вся реакционная смесь «кипит». И вот на фоне этого кипения Б. П. Белоусов заметил удивительную вещь: цвет раствора периодически изменялся – становился то жёлтым, то бесцветным. Белоусов добавил в раствор комплекс фенантролина с двухвалентным железом (ферроин), и цвет раствора стал периодически изменяться от лилово-красного к синему и обратно.

История открытия колебательных реакций.

Направление реакции определяется химическим (термодинамическим) потенциалом – реакции осуществляются в направлении более вероятных состояний, в направлении уменьшения свободной энергии системы. Когда реакция в данном направлении завершается, это значит, что её потенциал исчерпан, достигается термодинамическое равновесие, и без затраты энергии, самопроизвольно, процесс в обратную сторону пойти не может. А тут… реакция идёт то в одном, то в другом направлении.

Однако никакого нарушения законов в этой реакции не было. Происходили колебания – периодические изменения – концентраций промежуточных продуктов, а не исходных реагентов или конечных продуктов. СО 2 не превращается в этой реакции в лимонную кислоту, это в самом деле невозможно. Рецензенты не учли, что пока система далека от равновесия, в ней вполне могут происходить многие замечательные вещи. Детальные траектории системы от начального состояния к конечному могут быть очень сложными. Лишь в последние десятилетия этими проблемами стала заниматься термодинамика систем, далёких от равновесия. Эта новая наука стала основой новой науки – синергетики (теория самоорганизации).

Реакцию Белоусова, как отмечено выше, детально изучил А. М. Жаботинский и его коллеги. Они заменили лимонную кислоту малоновой. Окисление малоновой кислоты не сопровождается образованием пузырьков СО 2 , поэтому изменение окраски раствора можно без помех регистрировать фотоэлектрическими приборами. В дальнейшем оказалось, что ферроин и без церия служит катализатором этой реакции. Б. П. Белоусов уже в первых опытах заметил ещё одно замечательное свойство своей реакции: при прекращении перемешивания изменение окраски в растворе распространяется волнами. Это распространение химических колебаний в пространстве стало особенно наглядным, когда в 1970 г. А. М. Жаботинский и А. Н. Заикин налили реакционную смесь тонким слоем в чашку Петри. В чашке образуются причудливые фигуры – концентрические окружности, спирали, «вихри», распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин. Химические волны имеют ряд необычных свойств. Так, при столкновении они гасятся и не могут проходить сквозь друг друга.

Исследования концентрационных
колебаний до открытия реакции Б. П. Белоусовым

Но как гласит история, открытие Б. П. Белоусова было отнюдь не первым в мировой науке. Оказалось, что одна из первых публикаций по химическим колебаниям относится к 1828 г. В ней Т.Фехнер изложил результаты исследования колебаний электрохимической реакции. Наиболее интересна работа М. Розеншельда, относящаяся к 1834 г. Ее автор совершенно случайно заметил, что небольшая колба, содержащая немного фосфора, в темноте испускает довольно интенсивный свет. В самом факте свечения фосфора не было ничего удивительного, но то, что это свечение регулярно повторялось каждую седьмую секунду, было интересно. Сорок лет спустя эти эксперименты с «мерцающей колбой» продолжил француз М.Жубер (1874). Ему удалось в пробирке наблюдать периодическое образование «светящихся облаков». Еще через двадцать лет также немецкий ученый А.Центнершвер исследовал влияние давления воздуха на периодические вспышки фосфора. В его экспериментах период вспышек начинался с 20 с и уменьшался с понижением давления.

Особенно яркая страница в истории химических колебаний связана с так называемыми кольцами Лизеганга. В 1896 г. немецкий химик Р.Лизеганг, экспериментируя с фотохимикатами, обнаружил, что если капнуть ляписом на стеклянную пластину, покрытую желатиной, содержащей хромпик, то продукт реакции, выпадая в осадок, располагается на пластинке концентрическими окружностями. Лизеганг увлекся этим явлением и почти полвека занимался его исследованием. Нашлось и практическое его применение. В прикладном искусстве кольца Лизеганга использовали для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и т. п. Сам Лизеганг предложил технологию изготовления искусственного жемчуга.

Перечень подобных примеров можно продолжить. Вслед за указанными были открыты колебательные реакции на границе раздела двух фаз. Из них наиболее известны реакции на границе металл–раствор, получившие специфические названия – «железный нерв» и «ртутное сердце». Первая из них – реакция растворения железа (проволоки) в азотной кислоте – получила свое название из-за внешнего сходства с динамикой возбужденного нерва, замеченного В.Ф.Оствальдом. Вторая, вернее один из ее вариантов, – реакция разложения Н 2 О 2 на поверхности металлической ртути. В реакции происходит периодическое образование и растворение пленки оксида на поверхности ртути. Колебания поверхностного натяжения ртути обусловливают ритмические пульсации капли, напоминающие биение сердца. Но все эти реакции не привлекали особенного внимания химиков, поскольку представления о ходе химической реакции были еще достаточно смутными.

Лишь во второй половине XIX в. возникли термодинамика и химическая кинетика, положившие начало специфическому интересу к колебательнымреакциям и методам их анализа.

Математическая модель А. Лоткой

Математическая теория колебаний в системах, аналогичных химическим реакциям, была опубликована еще в 1910 г. А. Лоткой – он написал систему дифференциальных уравнений, из которой следовала возможность периодических режимов. Лотка рассматривал взаимодействие «жертв», например травоядных животных, и поедающих их «хищников» (X и Y). Хищники поедают жертв и размножаются – концентрация Y растёт, но до некоторого предела, когда численность жертв резко уменьшается, и хищники умирают от голода – концентрация Y уменьшается. Тогда уцелевшие жертвы начинают размножаться – концентрация X растёт. Уцелевшие хищники вслед за этим также размножаются, концентрация Y снова растёт, и так далее многократно. Наблюдаются периодические колебания концентрации реагентов. Ясно, что условием таких незатухающих (длительное время) колебаний является изобилие травы – пищи жертв. Уравнения Лотки усовершенствовал В. Вольтерра. А современную теорию колебаний разработали российские физики Л. И. Мандельштамм, А. А. Андронов, А. А. Витт, С. Э. Хайкин, Д. А. Франк-Каменецкий. Так что для физиков и математиков открытие Белоусова не было таким удивительным.

Изучение механизма колебательных реакций.

Детальный механизм реакции Белоусова всё ещё известен не полностью. В первых работах казалось, что число промежуточных продуктов невелико. Для объяснения природы колебаний было достаточно представить себе, как сначала из малоновой кислоты образуется броммалоновая кислота, и при дальнейшей реакции с ней KВrO 3 превращается в KBr. Анион Br -- тормозит дальнейшее окисление броммалоновой кислоты, и накапливается окисленная форма катализатора (четырёхвалентного церия или трёхвалентного железа в комплексе с фенантролином). В результате прекращается накопление Br -- , и окисление броммалоновой кислоты возобновляется... Теперь ясно, что такой механизм далеко не полон. Число промежуточных продуктов достигло четырёх десятков, и изучение продолжается.

Сначала (группа реакций А) бромат-ион взаимодействует с бромид-ионом в присутствии Н + с образованием бромистой и гипобромистой кислот:

BrO -3 + Br -- + 2H + = HBrO 2 + HOBr ( А 1)

гипобромистую кислоту:

HBrO 2 + Br -- + H + = 2HOBr ( А 2)

Гипобромная кислота, в свою очередь, реагирует с бромид-ионом, образуя свободный бром:

HOBr + Br -- + H + = Br 2 + H 2 O ( А 3)

Малоновая кислота бромируется свободным бромом:

Br 2 + CH 2 (COOH) 2 = BrCH(COOH) 2 + Br -- + H + ( А 4)

В результате всех этих реакций малоновая кислота бромируется свободным бромом:

BrO -3 + 2Br -- + 3CH 2 (COOH) 2 + 3H + = 3BrCH(COOH) 2 + 3H 2 O ( А )

Химический смысл этой группы реакций двойной: уничтожение бромид-иона и синтез броммалоновой кислоты.

Реакции группы Б возможны лишь при отсутствии (малой концентрации) бромид-иона. При взаимодействии бромат-иона с бромистой кислотой образуется радикал BrO 2 .

BrO -3 + HBrO 2 + H + > 2BrO 2 + H 2 O ( Б 1)

BrO 2 реагирует с церием (III), окисляя его до церия (IV), а сам восстанавливается до бромистой кислоты:

BrO 2 + Ce 3+ + H + > HВrO 2 + Ce 4+ ( Б 2)

Бромистая кислота распадается на бромат-ион и гипобромистую кислоту:

2HBrO 2 > BrO -3 +HOBr + H + ( Б 3)

Гипобромистая кислота бромирует малоновую кислоту:

HOBr + CH 2 (COOH) 2 > BrCH(COOH) 2 + H 2 O ( Б 4)

В итоге реакций группы Б образуется броммалоновая кислота и четырехвалентный церий.

Колебания концентраций основных компонентов реакции: бромистой кислоты и феррина – в фазовом пространстве представляются в виде замкнутой линии (предельного цикла).

BrO -3 + 4Ce 3+ + CH 2 (COOH) 2 + 5H + > BrCH(COOH) 2 + 4Ce 4+ + 3H 2 O ( Б )

Образовавшийся в этих реакциях церий (IV) (реакции группы В):

6Ce 4+ + CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O > 6Ce 3+ + HCOOH + 2CO 2 +6H + ( В 1)

4Ce 4+ + BrCH(COOH) 2 + 2H 2 O > Br -- + 4Ce 3+ + HCOOH + 2CO 2 + 5H + ( В 2)

Химический смысл этой группы реакций: образование бромид-иона, идущее тем интенсивнее, чем выше концентрация броммалоновой кислоты. Увеличение концентрации бромид-иона приводит к прекращению (резкому замедлению) окисления церия (III) в церий (IV). В исследованиях последнего времени церий обычно заменяют ферроином.

Из этой (неполной) последовательности этапов реакции Белоусова-Жаботинского видно, сколь сложна эта система. Так, достаточно учитывать изменение концентрации всего трех основных промежуточных компонентов реакции HВrO 2 (бромистой кислоты), Br -- и ферроина (или церия).

Первый шаг в реакции – в результате автокаталитической реакции образуется бромистая кислота (быстрый, подобный взрыву процесс), ферроин трансформируется в ферриин (окисленную форму ферроина).

Второй шаг – в результате взаимодействия с органическим компонентом феррин начинает медленно трансформироваться обратно в ферроин, и одновременно начинает образовываться бромид-ион.

Третий шаг – бромид-ион является эффективным ингибитором автокаталитической реакции (1-й шаг). Как следствие, прекращается образование бромистой кислоты, и она быстро распадается.

Четвертый шаг – процесс распада ферриина, начатый на 2-м шаге, завершается; бромид-ион удаляется из системы. В результате система возвращается к состоянию, в котором находилась до 1-го шага, и процесс повторяется периодически. Существует несколько математических моделей (систем дифференциальных уравнений), описывающих эту реакцию, колебания концентрации ее реагентов и закономерности распространения концентрационных волн.

Экспериментальная часть:

Реакция взаимодействия лимонной кислоты с броматом калия:

Реактивы:

1. K M nO 4 (перманганат калия).

2. KВrO 3 (калий бромноватокислый или бромат калия).

3. H 2 SO 4 (концентрированная).

4. Лимонная кислота.

5. Дистиллированная вода.

Ход работы: Навеску лимонной кислоты – 2 г растворили в 6 мл H 2 O. В полученный раствор добавили навеску калия бромноватокислого - 0,2 г и долили 0,7 мл концентрированной серной кислоты. Затем внесли 0,04 г перманганата калия и довели объем полученного раствора до 10 мл дистиллированной водой. Тщательно перемешали до полного растворения реактивов.

Наблюдения: Сразу после добавления KMnO 4 раствор приобрёл фиолетовую окраску и начал «кипеть». Через 25 с, при бурном кипении, цвет раствора стал меняться на коричневый. С течением реакции раствор постепенно светлеет - вплоть до светло-желтого цвета. Через 3 мин 45 с начинается резкое потемнение раствора (похоже на диффузию жидкости высокой плотности), и через 40 с раствор снова становится полностью коричневым. Далее все повторяется с периодом 4,5 мин – 5 мин. Через довольно большой промежуток времени реакция начинает замедляться, затем и прекращается вовсе (раствор жёлтого цвета).

Колебательные окислительно-восстановительные реакции:

Реактивы:

1. FeSO 4 . 7H 2 O кристаллический гептагидрат сульфата железа(II) или

Fe(NH 4) 2 (SO 4) 2 . 6H 2 O (соль Мора) гексагидрат сульфата диаммония-

железа(II)

2. Ce(NO 3) 3 . 6H 2 O гексагидрат нитрата церия(III)

3. KBr водный раствор бромида калия (2 моль/л, или 12 г на 50 мл воды)

4. KBrO 3 насыщенный раствор бромата калия (около 10 г на 100 мл воды)

5. H 2 SO 4 концентрированная серная кислота

6. CH 2 (COOH) 2 водный раствор малоновой кислоты (5 моль/л, или 52 г в

100 мл воды)

7. C 12 H 8 N 2 (phen) о-фенантролин

8. дистиллированная вода

Посуда и приборы: Полилюкс с экраном, стеклянная пластинка размером 25Χ25 см, чашка Петри, мерная колба емкостью 100 мл, колба Эрленмейера емкостью 250 мл с пришлифованной пробкой, шесть пипеток, бюретка, стеклянная палочка, промывалка, фильтровальная бумага.

Описание опыта: Для демонстрации эксперимента предварительно готовят растворы А и Б.

Раствор А – раствор ферроина – комплекса железа(II) с о-фенантролином (phen). В мерную колбу емкостью 100 мл вносят 0,70 г гептагидрат сульфата железа(II) (или 0,99 г соли Мора) и 1,49 г о-фенантролина, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Раствор приобретает красный цвет за счет образования фенантролинового комплекса железа(II):

Fe 2+ + 3 phen = 2+

Раствор Б – раствор броммалоновой кислоты (готовится непосредственно перед демонстрацией). В коническую колбу с пришлифованной пробкой вводят 3,3 мл раствора бромида калия, 5 мл раствора малоновой кислоты и 5 мл концентрированной серной кислоты. Полученный раствор титруют из бюретки насыщенным раствором бромата калия при перемешивании после добавления каждой порции титранта, добиваясь исчезновения коричневой окраски за счет выделения брома в параллельно протекающей реакции конмутации:

BrO 3 – + 5Br – + 6H + = 3Br 2 + 3H 2 O

3Br 2 + 2CH 2 (COOH) 2 + 2H 2 O = BrCH(COOH) 2 + HCOOH + CO 2 + 5HBr

Общий объем раствора бромата калия, пошедшего на титрование, должен составлять около 7,5 мл. Образующаяся броммалоновая кислота неустойчива, однако некоторое время ее можно хранить при температуре 510 0 С.

Для непосредственной демонстрации опыта на стеклянную пластинку, закрывающую световое окно полилюкса, ставят чашку Петри, в которую последовательно вносят с помощью пипеток 10 мл насыщенного раствора бромата калия, 4 мл раствора броммалоновой кислоты и 1,5 мл раствора ферроина. В течение нескольких минут на красном фоне появляются голубые пятнышки за счет образование фенантролинового комплекса железа(III) 3+ в результате окисления соответствующего комплекса железа(II):

6 2+ + 6H 3 O + + BrO 3 – = 6 3+ + 9H 2 O + Br –

Этот процесс является самоускоряющимся. Образующийся комплекс 3+ окисляет броммалоновую кислоту с образованием бромид-ионов:

4 3+ + BrCH(COOH) 2 + 7H 2 O =

= 2CO 2 + 5H 3 O + + Br – + HCOOH + 4 2+

Выделяющиеся бромид-ионы являются ингибиторами реакции окисления комплексов железа(II) бромат-ионами. Только когда концентрация комплексных ионов 2+ становится достаточно высокой, ингибирующая активность бромид-ионов преодолевается, и раствор становится голубым за счет образования комплекса железа(III). Процесс повторяется снова и снова, поэтому и окраска раствора периодически изменяется из голубой в розовую, или наоборот. Изменение окраски начинается с появлением на розовом фоне голубых пятнышек, от которых во все стороны расходятся концентрические волны окраски. С течением времени скорость изменения окраски уменьшается и, в конце концов, процесс затухает. При этом на экране можно наблюдать появление “черных точек”  проекций пузырьков выделяющегося диоксида углерода.

Диапазон окрасок можно расширить, если добавить в чашку Петри несколько кристаллов гексагидрата нитрата церия(III) Ce(NO 3) 3 . 6H 2 O. Тогда, помимо голубой и розовой окраски, можно наблюдать желтое (за счет образования соединений церия(IV)) или зеленое окрашивание (вследствие нало наложения желтого и голубого цвета):

6Ce 3+ + BrO 3 – + 15H 2 O = 6 2+ + Br – + 6H 3 O +

4 2+ + BrCH(COOH) 2 + 3H 3 O + =

= 2CO 2 + Br – + HCOOH + 4Ce 3+ + 9H 2 O

При нагревании скорость реакций возрастает, а смена окрасок убыстряется.

Примечание. Фенантролин представляет собой гетероциклическое соединение с двумя атомами азота, обладающими неподелёнными парами электронов и способными к координации. В комплексных соединениях с железом о -фенантролин играет роль бидентатного лиганда и образует прочные комплексы хелатного типа.

Заключение.

К настоящему времени реакция Белоусова–Жаботинского заняла достойное место в мировой науке. Каждый год в мире проводится по нескольку международных конференций по динамике нелинейных химических систем, а слова «BZ-reaction» (сокращение: реакции Белоусова-Жаботинского) звучат на десятках других конференций, посвященных проблемам физике, химии, биологии.

Изучение реакции Белоусова-Жаботинского, как я убедилась, имеет огромное значение, ведь она нашла применение в различных областях науки и техники. Эта реакция используется как модель для исследования грозного нарушения работы сердца – аритмии и фибрилляций. А в недавнее время были начаты эксперименты со светочувствительной модификацией этой реакции, когда динамика в этой системе зависит от интенсивности света. Оказалось, что такую реакцию можно использовать как вычислительную машину для хранения и обработки изображения. Светочувствительная модификация реакции Белоусова-Жаботинского может служить прототипом вычислительного комплекса, который возможно, придет на смену ЭВМ.

С другой стороны, колебательные химические реакции являются ярким примером самоорганизации в неживой природе, и в этом смысле имеется не только естественно-научное, но и философское значение. Фундаментальные изменения в естествознании, породившие так называемую теорию самоорганизации, обусловлены в значительной степени начальным импульсом, приданным ей российскими учеными на рубеже 1950–1960-х гг., когда Белоусов открыл окислительно-восстановительную химическую реакцию. При этом были обнаружены поразительные аналогии, оказалось, что многие природные явления, начиная от образования галактик до смерчей, циклонов и игры света на отражающих поверхностях, по сути дела, – процессы самоорганизации. Они могут иметь самую различную природу: химическую, механическую, оптическую, электрическую и др.

Так, все больший удельный вес приобретают исследования прикладной направленности, например, в области моделирования альтернативных средств обработки информации (в частности, анализ сложных мозаик с градацией яркости объектов). Еще одним новым направлением прикладных исследований является изучение особенностей полимеризации в БЖ-системе или сходных с ней.

Сложной пространственно-временной организации, проявляемой БЖ-системой в отсутствие перемешивания, со временем нашлись аналогии в природе, в биологических системах (например: периодические процессы клеточного метаболизма, волны активности в сердечной ткани и в тканях головного мозга, процессы, происходящие на уровне не экологических систем), в новой ее области – синергетики (теории самоорганизации), а также экспериментальные работы инициировали развитие современной теории динамических систем. Хотя в настоящее время многое в таких реакциях уже понятно, однако причины, вызывающие колебательные химические процессы, остаются до конца невыясненными.

В настоящее время кинетика колебательных реакций – бурно развивающаяся отрасль знаний, возникшая на стыке химии, биологии, медицины, физики, математики. Мне было очень интересно познакомиться со столь необычными и на первый взгляд невозможными свойствами живой материи. Но ещё больше меня поразило, что такое невероятное по своей значимости, впечатляющее открытие долгие годы не воспринималось другими, и просто не было понято великими умами того времени. Это открытие прошло свой тернистый путь, и, в конце концов, заняло достойное место в мировой науке. А сама возможность такой реакции ещё раз доказывает, что в нашем мире существует ещё очень много неизведанного и неизученного.

Приложение.

Рецепты некоторых колебательных реакций

Рецепт 1: Необходимо приготовить растворы перечисленных далее веществ из расчета их конечных концентраций: малоновая кислота 0,2 М; бромат натрия 0,3 М; серная кислота 0,3 М; ферроин 0,005 М. Ферроин можно заменить сульфатом двухвалентного марганца или трехвалентного церия, но при этом интенсивность окраски будет существенно слабее. Около 5 мл раствора всех компонентов нужно налить в чашку Петри так, чтобы толщина слоя жидкости была 0,5-1 мм. Через 3-8 мин (переходный период) можно наблюдать колебания и химические волны.

Рецепт 2: В плоскую прозрачную кювету слоями (1 мл) налить следующие растворы:

- KВrO 3 (0,2 моль/л)

- малоновую кислоту (0,3 моль/л)

- ферроин (0,003 моль/л)

- H 2 SO 4 (0,3 моль/л)

Кювету поставить на лист белой бумаги. Темп реакции можно изменить, добавляя щелочь или кислоту.

Рецепт 3: Необходимы растворы:

- лимонной кислоты (40 г в 160 мл H 2 O)

- H 2 SO 4 (1:3).

А также навески:

- KBrO 3 (16 г)

- Ce 2 (SO 4) 3 (3-3,5 г)

Раствор лимонной кислоты нагреть до 40°-50° С, затем высыпать навеску KВrO 3 . Стакан поставить на лист белой бумаги и внести навеску Ce 2 (SO 4) 3 и несколько мл H 2 SO 4 . Сразу начинает происходить чередование цветов: желтый > бесцветный > желтый, с периодом 1-2 мин.

Рецепт 4: Необходимы растворы:

- H 2 O 2 (50 мл 30%)

- KIO 3 (7,17 г в 50мл H 2 O)

- HСlO 4 (30 мл разбавленного раствора)

- малоновая кислота (3 г в 50 мл H 2 O). И навески:

- MnSO 4 (1г) и немного крахмала.

Все слить в один стакан (200-250 мл), добавить навески, размешать стеклянной палочкой. Происходит чередование цвета: бесцветный > жёлтый > голубой.

Список литературы.

1. Алиев Р. , Шноль С. Э. «Колебательные химические реакции». Кинетика и катализ. 1998. № 3. С. 130-133.

2. Шноль С. Э. Знание – Сила. 1994. № 3. С. 62-71.

3. Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания. М.: Наука, 1974.

4. Гарел Д., Гарел О. Колебательные химические реакции / Пер. с англ. М.:

5. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. Новоси-

бирск: ЮКЭА, 1997, С. 683 – 697.

6. Концепции современного естествознания. Под ред. В. Н. Лавриненко,

В. П. Ратникова, М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1999, С. 78 - 87.

7. Вавилин Б.В. "Автоколебания в жидкофазных химических системах".

Природа, 2000, № 5, С. 19 – 25.