Отдел общего и профессионального образования
Администрации города Протвино
VII городская научно-практическая конференция
Учащихся 1-11 классов
Секция «Химия»
Бегущие волны в химических системах.
Ученица 9А класса.
МОУ «Лицей»
Научный руководитель:
Учитель по химии
Протвино – 2009г.
Целью моей работы является:
изучение колебательных реакций
история открытия и изучения колебательных реакций
химическая сторона колебательных реакций
возможность практического применения колебательных реакций
Задачи:
собрать информационный материал о колебательных реакциях
изучить механизм протекания колебательных реакций.
экспериментально осуществить колебательную реакцию
сделать выводы о практическом значении колебательных реакций
Методы:
Экспериментальный метод.
Методика эксперимента представлена в работе.
Обоснованность выбора темы:
В школьном курсе химии мы получаем традиционные знания по химии. Но в химии есть еще много нераскрытых тайн, спорных вопросов. Колебательные реакции вызвали мой интерес, потому что их не проходят в школьном курсе химии, они представляют собой нетривиальное химическое явление и до сих пор не изучены до конца.
Содержание:
1. Колебательная реакция? Что это?
2. История открытия колебательных реакций.
3. Механизм протекания колебательных реакций.
4. Экспериментальная часть.
5. Практическое значение. Вывод.
6. Используемая литература.
Колебательные реакции – это периодические процессы, характеризующиеся колебаниями концентраций некоторых промежуточных соединений и соответственно скоростей превращения. Наблюдаются такие процессы в газовой и жидких фазах и особенно часто на границе раздела этих фаз с твердой фазой. Колебательными чаще всего бывают редокс-реакции, также реакции, сопровождающиеся появлением новой фазы вещества. Причиной возникновения колебаний концентрации является наличие обратных связей между отдельными стадиями сложной реакции: положительных и отрицательных. Колебательные химические реакции положили начало развитию неравновесной термодинамики.
История открытия:
Впервые колебательную химическую реакцию, проявляющуюся в виде периодических вспышек при окислении паров фосфора, наблюдал Роберт Бойль в конце XVII века. Эти повторяющиеся вспышки затем неоднократно описывали многие исследователи. Однако они не привлекли особого внимания, поскольку химическая кинетика как наука еще не существовала и никто не имел представления о том, как должна идти химическая реакция. Лишь во второй половине XIX века возникли термодинамика и химическая кинетика, положившие начало специфическому интересу к колебательным реакциям и методам их анализа.
(1880 – 1949)
Предсказания возможности колебаний в химических системах делались, начиная с 1910 года на основе анализа системы дифференциальных уравнений в работах
А. Лотки, однако, первые математические модели соответствовали неосуществимым и невозможным химическим реакциям.
В 1921 году У. Брей, опубликовал статью, в которой достаточно подробно описана первая колебательная жидкофазная реакция разложения пероксида водорода, катализируемая йодатом. Хотя эксперимент осложнялся выделением кислорода, Брей, осознал связь между своим открытием и прогнозом Лотки. Однако его работа не вызывала интереса в течение примерно 40 лет. Одна из причин такого безразличия – довольно низкий уровень развития методов исследования механизмов сложных химических реакций.
(1893 – 1970)
В 1951 году открыл колебания концентрации окисленной и восстановительной форм церия в реакции взаимодействия лимонной кислоты с броматом, катализируемой ионами церия. Направление реакции определяется химическим потенциалом – реакции осуществляются в направлении более вероятных состояний. Когда реакция в данном направлении завершается, это значит, что её потенциал исчерпан и достигается термодинамическое равновесие. Статью Белоусова отказались печатать и посчитали это полным бредом. Рецензенты даже не захотели повторить опыт.…Однако никакого нарушения законов в этой реакции не было. Происходили колебания концентраций промежуточных продуктов, а не исходных реагентов или конечных продуктов. Колебательная реакция аналогична схеме «хищник (Х) – жертва(Y)». Хищники поедают жертву и размножаются, (концентрация Х растет, Y – уменьшается). Хищникам не хватает еды, они умирают от голода. Уцелевшие жертвы начинают размножаться. Вслед за ними хищники также увеличиваются в численности. И так далее многократно. К колебательным системам относятся периодические процессы клеточного метаболизма, волны активности в сердечной ткани и в ткани мозга.
В 1959 году опубликовал статью «Периодически действующая химическая реакция». Но не один химический журнал не пожелал её напечатать, кроме «Сборника рефератов по радиационной медицине».
В конце 1961 года работа была продолжена . Выяснилось, что колебательные реакции можно проводить не только с церием и лимонной кислотой...
(1938 – 2008)
установил ключевую роль бромид-иона, обеспечивающего «обратную связь» в этой системе. Им было найдено 8 различных восстановителей, способных поддерживать колебательную реакцию, а также 3 катализатора.
Филд и Нойес из Орегона разработали модель химической реакции, основанную на механизме реакции Белоусова-Жаботинского. Химическую реакцию можно описать некоторой системой уравнений. Возникло новое понятие «химические волны». Химические волны имеют ряд необычных свойств. Так при столкновении они гасятся и не могут проходить сквозь друг друга. В то время как обычные волны, такие, как волны на поверхности волны или электромагнитные волны, при столкновении испытывают интерференцию, но остаются неизменными после столкновения.
Механизм протекания колебательных реакций:
В 1972 году исследования показали, что колебательные реакции проходят в несколько этапов, которые можно объединить в две группы (А и Б).
Процесс А:
BrO3- + 2Br - + 3CH2(COOH)2 + 3H+ 3BrCH(COOH)2 + 3H2O
BrO3- + Br - + 2H+ HBrO2 + HOBr
HBrO2 + Br - + H+ 2HOBr
HOBr + Br + H+ Br2 + H2O
Br2 + CH2(COOH)2 BrCH(COOH)2 + Br - + H+
Процесс Б:
BrO3- + 4Ce4+ +CH2(COOH)2 +5H+ BrCH(COOH)2 + 4Ce4+ + 3H2O
BrO3- + HBrO2 + H+ 2BrO2 + H2O
BrO2 + Ce3+ + H+ HBrO2 + Ce4+
2HBrO2 BrO3- + HOBr + H+
HOBr +CH2(COOH)2 BrCH(COOH)2 + H2O
Кроме приведенных, идут также реакции:
6Ce4+ +CH2(COOH)2 + 2H2O 6Ce3+ + HCOOH + 2CO2 + 6H+
4Ce4+ + BrCH(COOH)2 +2H2O Br - + 4Ce3++HCOOH +2CO2 +5H+
Экспериментальная часть:
Мной, Желудковой Татьяной, была осуществлена колебательная реакция взаимодействия малоновой кислоты с йодатом калия. Опыт был осуществлен в лаборатории Росийского Химико-Технологического Университета им. . В проведении опыта принимал участие сотрудник университета .
В работе использовались следующие реактивы:
1. MnSO4 (сульфат марганца – 0,3г) и немного крахмала
2. KIO3 (7,17г в 50мл H2O)
3. H2SO4 (30мл разбавленого раствора)
4. H2O2 (50мл 30%)
5. CH2(COOH)2 (малоновая кислота 3г в 50мл H2O)
Ход работы:
а) В первой колбе в навеску малоновой кислоты разбавленной в воде добавили крахмал и начали нагревать. Когда крахмал достаточно растворился, добавили сульфат марганца и нагрели еще раз.
б) Во второй колбе йодат калия растворили в серной кислоте.
в) В третью колбу налили прекись водорода.
г) Слили три раствора в один стакан.
Фото 1. Слили три раствора в один стакан.
Наблюдали: чередование цвета бесцветный > оранжевый > синий. Реакция продолжалась в течении 5 минут. Яркость цвета в растворе и время чередования цветов находились в обратной пропорциональности. В конце колебательной реакции наблюдается термодинамическое равновесие. Чем ближе было термодинамическое равновесие, тем цвет жидкости становился насыщеней, а время чередования цветов сокращалось. Система достигла равновесия в фазе темно-синего цвета.
Фото 2. Фаза 1. Прозрачная. Фото 3. Фаза 3. Переход.
Фото 3. Фаза 2. Оранжевая. Фото 4. Фаза 4. Синяя.
В литературе я не нашла объяснение химической стороны данного опыта и попыталась составить уравнения возможных превращений.
Мои рассуждения:
Понятно, что в процессе этой автокаталитической реакции периодически изменяются концентрации йода I2( оранжевый цвет), который с крахмалом дает синий комплекс и йодид ионов I- (бесцветный). Параллельно происходит изменение концентраций ионов Mn2+ и Mn3+. Ионы Mn2+ / Mn3+ играют роль каталитической редокс-пары, запускают процесс автокатализа. Характерной особенностью автокаталитической реакции является то, что она идет при переменной возрастающей в ходе реакции концентрации катализатора. Скорость автокаталитических процессов по мере расходования реагентов возрастает. Поэтому, скорость реакции сначала мала, затем растет. Цикличность переходов заключается в том, что катализатор многократно взаимодействует с реагентами. Обязательно должна быть двухосновная карбоновая кислота (в моем опыте малоновая), которая играет роль восстановителя. В рассмотренном примере сложные реакции можно упрощенно представить в виде следующих суммарных стадий.
Первая стадия – быстрая,
в ходе которой бесцветный раствор дает оранжевую окраску (образование I2)
10Mn2+ + 2IO3- + 12H+ = 10Mn3+ +I2 + 6H2O
Взаимодействие I2 с крахмалом дает синий комплекс.
I2 + крахмал = синий комплекс
Вторая стадия – медленная.
Идет обесцвечивание за счет превращения ионов Mn3+ в Mn2+.
4Mn3++HOOCCHICOOH+2H2O=4Mn2++HCOOH +2CO2 +5H+ + I-
Изменение окраски обусловленно установлением режима в котором концентрация каждой формы катализатора периодически колеблется.
Автокаталитические процессы, во время которых продукт катализирует синтез самого себя, лежат в основе жизни.
Практическое значение. Выводы.
Колебательные реакции изучаются с конца XVII века. Изучен механизм возникновения такого явления, как колебания концентраций химических соединений в ходе реакции Белоусова-Жаботинского. Колебательные реакции являются ярким примером самоорганизации в природе. Класс реакций Белоусова интересен не только тем, что он представляет собой нетривиальное химическое явление, но и тем, что он служит удобной моделью для изучения колебательных и волновых процессов в активных средах. Сюда относятся периодические процессы клеточного метаболизма, волн активности в сердечной ткани и ткани мозга, процессы происходящие на уровне морфогенеза и на уровне экосистем.
Изучение реакции Белоусова-Жаботинского имеет значение не только теории активных сред. Эта реакция используется как модель для исследования грозного нарушения работы сердца – аритмии и фибрилляции. Недавно были начаты эксперименты со светочувствительной модификацией этой реакции. 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.
В школьной практике пример колебательной реакции можно рассматривать как пример сложной термодинамической системы при изучении темы «Термодинамика» в профильных классах. Такие примеры показывают, что химия сложная и интересная наука, безгранична в своих открытиях.
Используемая литература:
1. . Колебательные реакции в химии // Соросовский общеобразовательный журнал №7, 1997 стр. 31 - 36
2. . Периодически действующая реакция // Химия и жизнь №7 стр.65 – 69, 1982
3. Колебания и бегущие волны в химических системах / Под ред. Р. Филда, М. Бургера. М.: Мир, 1998
4. Химия в школе №3 стр.58 – 62, 2006
