Лимонная кислота

4. Лимонная кислота.

5. Дистиллированная вода.

Ход работы: Навеску лимонной кислоты – 2 г растворили в 6 мл H₂O. 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 KMnO₄ 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.         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 бромида калия (2 моль/л, или 12 г на 50 мл воды)

4. KBrO₃ насыщенный раствор 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, 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):

Fe²⁺ + 3 phen = [Fe(phen)₃]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:

BrO₃^– + 5Br^– + 6H⁺ = 3Br₂ + 3H₂O

3Br₂ + 2CH₂(COOH)₂ + 2H₂O = BrCH(COOH)₂ + HCOOH + CO₂↑ + 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 510⁰ 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) [Fe(phen)₃]³⁺ в результате окисления соответствующего комплекса железа(II):

 

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

Этот процесс является самоускоряющимся. Образующийся комплекс [Fe(phen)₃]³⁺ окисляет броммалоновую кислоту с образованием бромид-ионов:

4[Fe(phen)₃]³⁺ + BrCH(COOH)₂ + 7H₂O =

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

 

Выделяющиеся бромид-ионы являются ингибиторами реакции окисления комплексов железа(II) бромат-ионами. Только когда концентрация комплексных ионов [Fe(phen)₃]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(NO₃)₃^. 6H₂O. 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):

 

6Ce³⁺ + BrO₃^– + 15H₂O = 6[Ce(OH)₂]²⁺ + Br^– + 6H₃O⁺

4[Ce(OH)₂]²⁺ + BrCH(COOH)₂ + 3H₃O⁺ =

= 2CO₂↑ + Br^– + HCOOH + 4Ce³⁺+ 9H₂O

 

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:

- 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 белой бумаги. 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 до 40°-50° С, затем высыпать навеску KВrO₃. Стакан поставить на лист белой бумаги и внести навеску Ce₂(SO₄)₃ и несколько мл H₂SO₄. Сразу начинает происходить чередование 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. 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.:

Мир, 1986.

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.