Колебательная химическая реакция белоусова-жаботинского. Сказка о химике белоусове, который изготовил жидкие часы Управление траекторией кончика спиральной волны

Химия большинству из нас кажется ну очень скучной наукой. Это как вычисления, но только вместо цифр - буквы. Нужно быть уникальным психом, чтобы приходить в восторг от решения математических задач с алфавитом. Но введите в строку поиска YouTube слово «химия», и вы увидите поистине удивительные вещи, которые, вне всякого сомнения, взбудоражат ваш мозг.

7. Гипнотизирующая бромноватая кислота

Ваш дилер уехал из города, и вы скучаете без своей ежедневной дозы ЛСД? Не беда. Все, что вам нужно - это два простых вещества и чашка Петри для того, чтобы своими руками создать не виртуальную, а реальную лавовую лампу. Шутка, а то сейчас набегут, закроют сайт…

Согласно науке, реакция Белоусова-Жаботинского - это «колебательная химическая реакция», в ходе которой «ионы металлов переходной группы катализируют окисление различных, обычно органических, восстановителей бромноватой кислотой в кислой водной среде», что позволяет «наблюдать невооруженным глазом образование сложных пространственно-временных структур». Это научное объяснение гипнотического явления, которое происходит, если бросить немного брома в кислотный раствор.

Кислота превращает бром в химическое вещество под названием бромид (который приобретает совершенно другой оттенок), в свою очередь, бромид быстро превращается обратно в бром, потому что научные эльфы, живущие внутри него - чересчур упрямые засранцы. Реакция повторяется снова и снова, позволяя вам бесконечно наблюдать за движением невероятных волнообразных структур.

6. Прозрачные химические вещества мгновенно становятся черными

Вопрос: что произойдет, если смешать сульфит натрия, лимонную кислоту и натрия йодид? Правильный ответ внизу:

Когда вы смешиваете вышеупомянутые ингредиенты в определенных пропорциях, в конечном счете получается капризная жидкость, которая поначалу имеет прозрачный цвет, а после резко становится черной. Этот эксперимент называется «Йодные часы». Попросту говоря, данная реакция происходит тогда, когда специфические компоненты соединяются таким образом, чтобы их концентрация постепенно менялась. Если она достигает определенного порога - жидкость приобретает черный цвет.
Но это еще не все. За счет изменения пропорции ингредиентов у вас есть возможность получить обратную реакцию:

Кроме того, при помощи различных веществ и формул (например, как вариант - реакция Бриггса-Раушера) вы можете создать шизофреническую смесь, которая постоянно будет менять свой цвет с желтого на голубой.

5. Создание плазмы в микроволновке

Вы хотите затеять с вашим другом что-нибудь интересное, но у вас нет доступа к куче непонятных химических веществ или элементарных знаний, необходимых для того, чтобы смешать их безопасно? Не отчаиваетесь! Все, что вам понадобится для проведения данного эксперимента - это виноград, нож, стакан и микроволновка. И так, возьмите виноградинку и разрежьте ее напополам. Один из кусочков снова разделите ножом на две части так, чтобы эти четвертинки остались связанными кожурой. Поместите их в микроволновку и накройте перевернутым стаканом, включите печь. Затем сделайте шаг назад и наблюдайте за тем, как инопланетяне похищают разрезанную ягодку.

На самом деле, то, что происходит на ваших глазах - это один из способов создания очень незначительного количества плазмы. Еще со школы вы знаете, что существует три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Плазма, по сути, является четвертым типом и представляет собой ионизированный газ, полученный в результате перегревания обычного газа. Виноградный сок, оказывается, богат ионами, и поэтому является одним из самых лучших и доступных средств для проведения простых научных экспериментов.

Тем не менее, будьте осторожны, пытаясь создать плазму в микроволновке, поскольку озон, который образуется внутри стакана, в больших количествах может быть токсичным!

4. Ламинарное течение

Если вы смешаете кофе с молоком, у вас получится жидкость, которую вы вряд ли когда-нибудь снова сможете разделить на составные компоненты. И это касается всех веществ, находящихся в жидком состоянии, верно? Верно. Но есть такое понятие, как ламинарное течение. Чтобы увидеть это волшебство в действии, достаточно поместить несколько капель разноцветных красителей в прозрачный сосуд с кукурузным сиропом и аккуратно все перемешать…

… а затем снова перемешать в том же темпе, но только теперь в обратном направлении.

Ламинарное течение может происходить в любых условиях и с использованием различных типов жидкостей, однако в данном случае такое необычное явление обусловлено вязкими свойствами кукурузного сиропа, который при смешивании с красителями образует разноцветные слои. Так что, если вы так же аккуратно и не спеша выполните действие в обратном направлении, все вернется на прежние места. Похоже на путешествие во времени!

3. Зажигание потухшей свечи через дымный след

Этот трюк вы можете попытаться повторить в домашних условиях без риска взрыва гостиной или же всего дома. Зажгите свечу. Задуйте ее и сразу же поднесите огонь к дымному следу. Поздравляем: у вас получилось, теперь вы настоящий мастер огня.

Оказывается, между огнем и свечным воском существует некая любовь. И это чувство намного сильнее, чем вы думаете. Неважно, в каком состоянии находится воск - жидком, твердом, газообразном - огонь все равно его найдет, настигнет и сожжет ко всем чертям.

2. Кристаллы, которые светятся во время дробления

Перед вами химическое вещество под названием европий-тетракис, демонстрирующее эффект триболюминесценции. Впрочем, лучше раз увидеть, чем сто раз прочитать.

Данный эффект возникает при разрушении кристаллических тел благодаря преобразованию кинетической энергии непосредственно в свет.

Если вы хотите все это увидеть собственными глазами, но под рукой у вас нет европия-тетракиса, не беда: подойдет даже самый обычный сахар. Просто сядьте в темной комнате, положите в блендер несколько кубиков сахара и наслаждайтесь красотой фейерверка.

Еще в XVIII веке, когда многие люди думали, что научные явления вызывают призраки или ведьмы или призраки ведьм, ученые использовали этот эффект, чтобы подшутить над «простыми смертными», разжевывая в темноте сахар и смеясь над теми, кто бежал от них как от огня.

1. Адское чудовище, появляющееся из вулкана

Тиоцианат ртути (II) - на вид невинный белый порошок, но стоит его поджечь, как он тут же превращается в мифическое чудовище, готовое поглотить вас и весь мир целиком.

Вторая реакция, изображенная ниже, вызвана сгоранием дихромата аммония, в результате которого образуется миниатюрный вулкан.

Ну а что будет, если смешать два вышеупомянутых химических вещества и поджечь их? Смотрите сами.

Однако не пытайтесь повторить эти эксперименты дома, поскольку и тиоцианат ртути (II), и дихромат аммония являются очень токсичными и при сгорании могут нанести серьезный вред вашему здоровью. Берегите себя!

Реакция Белоусова - Жаботинского - класс химических реакций , протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. В частности, именно в реакции Белоусова - Жаботинского наблюдался первый экспериментальный странный аттрактор в химических системах и была осуществлена экспериментальная проверка его теоретически предсказанных свойств.

История открытия колебательной реакции Б. П. Белоусовым, экспериментальное исследование её и многочисленных аналогов, изучение механизма, математическое моделирование, историческое значение приведены в коллективной монографии .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Реакция Белоусова-Жаботинского. Колебательные реакции (ч1). Химия – Просто

✪ Реакция Белоусова-Жаботинского

✪ Реакция Белоусова-Жаботинского в РЛ

✪ Реакция Белоусова -- Жаботинского

✪ Реакция Белоусова-Жаботинского / Belousov–Zhabotinsky reaction

Субтитры

Всем привет, с вами Александр Иванов, и проект "Химия - Просто" Сегодня мы начинаем серию видео, в которых мы рассмотрим колебательные реакции В 1937 году, немецкий химик Ханс Кребс, открыл цикл окисления лимонной кислоты открытие важное за которое Кребс получил Нобелевскую химию Цикл Кребса - это ключевая реакция, лежащая в основе кислородного дыхания, энергоснабжения, и роста клетки В советском союзе, был такой ученый, который размышлял, можно ли получить более простой - в идеале - неорганический аналог сложного цикла Кребса? Это позволило бы промоделировать сложные процессы, протекающие в живой клетке, простой химической реакцией которую проще изучить и понять В 1951 году, Белоусов написал о такой химической реакции статью в журнал академии наук СССР. Но её завернули - рецензент завернул статью, категорически утверждая, что такая химическая реакция невозможна. Однако, наш химик не опустил руки, и продолжил исследования А в это время, наука не стояла на месте. Английский математик - Алан Тьюринг, предположил что сочетание химических реакций с процессами диффузии может объяснить целый класс биологических явлений Например, это может объсянить периодические полоски на шкуре тигра Советский физик и химик - Илья Романович Пригожин, в 1955 году пришел к выводу что в неравновесных термодинамических системах, к которым относятся и все биологические системы, возможны химические колебания. Ни Тьюринг, ни Пригожин, даже не подозревали, что обсуждаемый феномен уже открыт Просто статья на эту тему не опубликована Наконец, Белоусов отправляет новый вариант своей работы в другой научный журнал, однако статья снова возвращается с отказом в публикации. Рецензент предложил автору сократить её до пары страниц Такой наглости, Белоусов не выдержал и выбросил статью в мусорную корзину и навсегда прекратил общение с академическими журналами И только через 8 лет, о колебательной реакции была напечатана заметка в сборнике трудов радиационной медицины По Москве ходили слухи, что где-то есть стакан, в котором бьётся химическое сердце Это заинтересовало химика Симона Шнолля Он нашёл Бориса Павловича, и взял рецепт чудесной реакции А когда провел её, то был чрезвычайно удивлён Он поручил своему аспиранту - Анатолию Марковичу Жаботинскому детально исследовать колебательно-химический феномен Вскоре, в исследовании этой реакции, участвовали уже десятки людей - они публиковали сотни статей, получали кандидатские и докторские степени Белоусов в данной деятельности не участвовал ему было глубоко за 70, и он продолжал работать в своём институте, а потом до него добрались бюрократы и отправили его на пенсию. Оставшись без работы, Борис Павлович вскоре умер. Открытая им знаменитая химическая реакция, носящая сейчас имя Белоусова-Жаботинского, стала поворотным пунктом в современном мировоззрении. Сейчас, колебательная реакция входит в золотой фонд науки 20-го века Вскоре было открыто множество различных колебательных реакций, поэтому давайте похимичим, и сами проведём реакцию Белоусова-Жаботинского Чтобы её провести, приготовим 3 раствора. Их составы приведены на экране. Вместо двойного нитрата церия и аммония, в принципе подойдет эквивалентное количество любой другой соли церия (IV) Смешаем растворы А и B, и будем постоянно перемешивать через минуту, доливаем раствор С Как мы видим, раствор меняет свой цвет Но мы, на этом не остановимся, и усовершенствуем данную реакцию добавлением раствора ферроина. Его состав вы видите на экране. Наиболее полный механизм происходящего, можно описать набором 80 элементарных реакций Выглядят эти превращения, вот так Даже если вы химик, запоминать подробно это не стоит. Мы просто показываем масштаб трагедии, а точнее то, как такая красота происходит Так происходит смена цвета, если раствор постоянно перемешивается, а если мы остановим перемешивание или заполним данным раствором высокий, узкий сосуд, то выглядит это совсем космически А для тех кто не сдюжил, мы разберём происходящее в общих чертах. После того, как мы смешали растворы A и B, в стакане протекает несколько процессов. Их реакции вы видите на экране. Эти реакции конкурируют друг с другом. Жёлтая окраска раствора получается из-за выделяющегося брома. Какого цвета бром - вы можете посмотреть в видео про бром. Далее, бром реагирует с малоновой кислотой и жёлтая окраска исчезает Затем, протекает реакция окисления Церия, которая иницируется следующими реакциями Причём бромистая кислота неустойчива и разлагается образуя бромат ионы, которые ускоряют предыдущие реакции. Кстати, церий в данном процессе является катализатором Катализатор - это такое вещество, которое ускоряет реакцию, но не участвует в самой реакции. И если вот в этой реакции церий окислился, то в вот этой он возвращается в исходное состояние Видно, что концентрация ионов церий 3+ и церий 4+ постоянно колеблется. Здесь, мы должны вспомнить, что в стакан мы последним добавили раствор фероина, который может менять цвет в зависимости от величины окислительно-восстановительного потенциала который, в свою очередь, определяется соотношением концентраций ионов церия 4+ и церия 3+ в растворе Что такое окислительно-восстановительный потенциал, мы рассмотрим как-нибудь в другой раз. Если концентрация ионов церия 4+ увеличивается, то он всё больше окисляет железо в фероине, из 2-х валентного, в 3-х валентное Комплекс 2-х валентного железа имеет красный цвет, а комплекс 3-х валентного железа имеет синий цвет. Таким образом, при изменении соотношений концентраций различных ионов церия происходит изменение цвета раствора Колебания происходят из-за того, что процессы, протекающие в стакане, постоянно конкурируют друг с другом В какой-то момент становится больше брома, в какой-то бромат ионов, а в какой-то бромид ионов Цвет раствора зависит от того, концентрация какого из веществ больше в данный момент Выделющийся бром придаёт жёлтую окраску Когда брома мало, и много бромат ионов, раствор имеет синюю окраску Также, мы модифицировали эту реакцию, добавив в раствор фероина который тоже меняет свой цвет, в зависимости от концентрации ионов церий 4+ между синим и красным. Не следует, конечно, и забывать об окраске ионов церия. Если ионы церия 3+ бесцветны, то ионы церия 4+ окрашивают раствор в жёлтый цвет. А когда все эти цвета накладываются, то раствор может иметь все остальные цвета, которые вы видите. Естественно, у вас возникает вопрос - "А какое прктическое применение имеет данная реакция?" Ответ прост - а никакого! Максимум для чего может использоваться конкретно данная химическая реакция - это чисто в демонстративных целях Чуть позже, в других видео, мы рассмотрим другие подобные колебательные реакции, в том числе и такую которая имеет практическое применение А на этом всё - подписывайся, ставь палец вверх, не забывай поддерживать проект и обязательно рассказывай друзьям Пока!

История открытия

Механизм реакции

Модель Жаботинского - Корзухина

Первая модель реакции Белоусова - Жаботинского была получена в 1967 году Жаботинским и Корзухиным на основе подбора эмпирических соотношений, правильно описывающих колебания в системе . В её основе лежала знаменитая консервативная модель Лотки - Вольтерры .

d X 1 d t = k 1 X 1 (C − X 2) − k 0 X 1 X 3 {\displaystyle {\frac {dX_{1}}{dt}}=k_{1}X_{1}(C-X_{2})-k_{0}X_{1}X_{3}} d X 2 d t = k 1 X 1 (C − X 2) − k 2 X 2 {\displaystyle {\frac {dX_{2}}{dt}}=k_{1}X_{1}(C-X_{2})-k_{2}X_{2}} d X 3 d t = k 2 X 2 − k 3 X 4 {\displaystyle {\frac {dX_{3}}{dt}}=k_{2}X_{2}-k_{3}X_{4}}

здесь X 2 {\displaystyle X_{2}} = , C= 0 + 0 , X 1 {\displaystyle X_{1}} - концентрация автокатализатора, X 3 {\displaystyle X_{3}} = .

Брюсселятор

Простейшая модель, предложенная Пригожиным , которая имеет колебательную динамику.

Орегонатор

Механизм, предложенный Филдом и Нойесом , является одним из простейших и в то же время наиболее популярным в работах, исследующих поведение реакции Белоусова - Жаботинского:

I	A + Y		X
II	X + Y	⟶ {\displaystyle \longrightarrow }	P
III	B + X	⟶ {\displaystyle \longrightarrow }	2 X + Z
IV	2 X	⟶ {\displaystyle \longrightarrow }	Q
V	Z	⟶ {\displaystyle \longrightarrow }	f Y

Соответствующая система обыкновенных дифференциальных уравнений:

d [ X ] d t = k I [ A ] [ Y ] − k I I [ X ] [ Y ] + k I I I [ B ] [ X ] − k I V [ X ] 2 {\displaystyle {\frac {d[X]}{dt}}=k_{I}[A][Y]-k_{II}[X][Y]+k_{III}[B][X]-k_{IV}[X]^{2}} d [ Y ] d t = − k I [ A ] [ Y ] − k I I [ X ] [ Y ] + f k V [ Z ] {\displaystyle {\frac {d[Y]}{dt}}=-k_{I}[A][Y]-k_{II}[X][Y]+fk_{V}[Z]} d [ Z ] d t = k I I I [ B ] [ X ] − k V [ Z ] {\displaystyle {\frac {d[Z]}{dt}}=k_{III}[B][X]-k_{V}[Z]}

Эта модель демонстрирует простейшие колебания, похожие на экспериментально наблюдаемые, однако она не способна показывать более сложные типы колебаний, например сложнопериодические и хаотические.

Расширенный орегонатор

Модель Шоуалтера, Нойеса и Бар-Эли разрабатывалась для моделирования сложнопериодического и хаотического поведения реакции. Однако хаос получить в этой модели не удалось.

1	A + Y		X + P
2	X + Y	↔ {\displaystyle \leftrightarrow }	2 P
3	A + X	↔ {\displaystyle \leftrightarrow }	2 W
4	C + W	↔ {\displaystyle \leftrightarrow }	X + Z"
5	2 X	↔ {\displaystyle \leftrightarrow }	A + P
6	Z"	→ {\displaystyle \rightarrow }	g Y + C

где A {\displaystyle A} - BrO 3 − ; X {\displaystyle X} - HBrO 2 ; Y {\displaystyle Y} - Br − ; C {\displaystyle C} - Ce 3+ ; Z {\displaystyle Z} " - Ce 4+ ; W {\displaystyle W} - BrO 2 ; P {\displaystyle P} - HOBr.

«Реакция Белоусова-Жаботинского» названа так в честь двух отечественных учёных, первый из которых её открыл (Борис Павлович Белоус ов ), а второй (Анатолий Маркович Жаботинский ) – описал математически. В англоязычных источниках можно встретить такое название: BZ-reaction.

Cтрого говоря, аналоги этой реакции наблюдались химиками ещё в XIX веке…

Этот класс реакций протекает в колебательном режиме, при котором параметры реакции: цвет раствора, концентрация компонентов, температура и др. изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды. Из-за периодического изменения цвета раствора иногда эту реакцию называют «химические часы».

В силу новизны явления, Б.П. Белоусову несколько раз отказали в публикации научные журналы и впервые он опубликовал свои данные лишь в 1958 году в малоизвестном «Сборнике рефератов по радиационной медицине».

«Активная среда на основе химической реакции была создана в нашем институте А.М. Жаботинским и А.Н. Заикиным в 1970 г. и представляет собой тонкий слой жидкости, где протекает окислительная реакция Белоусова (позднее эта реакция и получила название реакции Белоусова-Жаботинского). Реакция имеет циклический (колебательный) характер. В отличие от большинства известных окислительных процессов, которые идут до исчерпания одного из субстратов (окислителя или восстановителя), в ходе этой реакции выделяется ингибитор, тормозящий реакцию на некоторое время после того, как исчерпана лишь небольшая доля реагентов. Состав реакционной смеси следующий (он был описан Б.П. Белоусовым в середине 50-х гг.): лимонная кислота- 2.00 г, сульфат церия - 0.16 г, бромат калия - 0.20 г, серная кислота (1: 3) – 2.0 мл, вода до общего объёма -10.0 мл. Церий (металл переменной валентности) играет роль маятника: он появлялся то в окисленной, то в восстановленной форме».

Реакция Белоусова - Жаботинского

Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова - Жаботинского с ферроином

Реакция Белоусова-Жаботинского - класс химических реакций , протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентрация компонентов, температура и др.) изменяются периодически, образуя сложную пространственно-временную структуру реакционной среды.

В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (Ce 3+ , Mn 2+ и комплексы Fe 2+ , Ru 2+), органическими восстановителями (малоновая кислота , броммалоновая кислота , лимонная кислота , яблочная кислота и др.) и окислителями (броматы, иодаты и др.). При определенных условиях эти системы могут демонстрировать очень сложные формы поведения от регулярных периодических до хаотических колебаний и являются важным объектом исследования универсальных закономерностей нелинейных систем. В частности, именно в реакции Белоусова - Жаботинского наблюдался первый экспериментальный странный аттрактор в химических системах и была осуществлена экспериментальная проверка его теоретически предсказанных свойств.

История открытия колебательной реакции Белоусовым Б.П , экспериментальное исследование ее и многочисленных аналогов, изучение механизма, математическое моделирование, историческое значение приведены в коллективной монографии .

История открытия

Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова - Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Механизм реакции

Жаботинский предложил первый механизм реакции и простую математическую модель , которая была способна демонстрировать колебательное поведение. В дальнейшем механизм был расширен и уточнён, экспериментально наблюдаемые динамические режимы, включая хаотические, были теоретически рассчитаны и показано их соответствие эксперименту. Полный список элементарных стадий реакции очень сложен и составляет почти сотню реакций с десятками веществ и интермедиатов . До сих пор подробный механизм неизвестен, особенно константы скоростей реакций.

Значение открытия реакции

Реакция Белоусова - Жаботинского стала одной из самых известных в науке химических реакций, её исследованиями занимаются множество учёных и групп различных научных дисциплин и направлений во всём мире: математике , химии , физике , биологии . Обнаружены ее многочисленные аналоги в разных химических системах (см., например, твердофазный аналог - самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Опубликованы тысячи статей и книг, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций. Открытие реакции фактически дало толчок к развитию таких разделов современной науки , как синергетика , теория динамических систем и детерминированного хаоса .

См. также

Примечания

Ссылки

Из истории открытия и изучения автоколебательных процессов в химических системах: к 50-летию открытия реакции Белоусова - Жаботинского
Б. П. Белоусов и его колебательная реакция , журнал «Знание - сила»
Реакционные схемы Белоусова Жаботинского и Бриггса Раушера , дифференциальные уравнения
В. А. Вавилин. Автоколебания в жидкофазных химических системах
А. А. Печенкин. Мировоззренческое значение колебательных химических реакций
Колебания и бегущие волны в химических системах. Ред. Р.Филд и М. Бургер. М., «Мир», 1988 /Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc. (Engl)/

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Реакция Белоусова - Жаботинского" в других словарях:

Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова Жаботинского с ферроином Реакция Белоусова Жаботинского класс химических реакций, протекающих в колебательном режиме, при котором некоторые параметры реакции (цвет, концентраци … Википедия

- («йодные часы») автоколебательная химическая реакция. При взаимодействии пероксида водорода, йодноватой кислоты, сульфата марганца (II), серной и малоновой кислот и крахмала возникает колебательная реакция с переходами бесцветный золотой синий.… … Википедия

Борис Павлович Белоусов Фото 1930 года Дата рождения: 7 (19) февраля 1893(1893 02 19) Место рождения: Москва Дата с … Википедия

Реакция Белоусова–Жаботинского – это протекающее в автоколебательном режиме каталитическое окисление различных восстановителей бромноватой кислотой НВrO 3 . При этом наблюдаются колебания концентраций окисленной и восстановленной форм катализатора и некоторых промежуточных продуктов. Реакция идет в кислотной среде, в водном растворе; в качестве катализаторов используют ионы металлов переменной степени окисления, например церия или марганца. В роли восстановителей выступают малоновая кислота, ацетилацетон и др.

Реактивы

гептагидрат сульфата железа(II) FeSO 4 ∙7H 2 O (кристаллический)
гексагидрат нитрата церия(III) Ce(NO 3) 3 ∙6H 2 O (кристаллический)
водный раствор бромида калия KBr (2 моль/л, или 12 г в 50 мл раствора)
бромат калия KBrO 3 (кристаллический) и насыщенный раствор бромата калия (около 10 г на 100 мл воды)
серная кислота H 2 SO 4 концентрированная и разбавленная (1: 3 по объему).
водный раствор малоновой кислоты CH 2 (COOH) 2 (5 моль/л, или 52 г в 100 мл раствора)
о-фенантролин (phen) C 12 H 8 N 2
лимонная кислота СH(OH)(CH 2 COOH) 2
октагидрат сульфата церия(III) Ce 2 (SO 4) 3 ∙8H 2 O
дистиллированная вода.

Оборудование

Проектор, стеклянная пластина 30 × 30 см, чашка Петри, мерная колба емкостью 100 мл, колба Эрленмейера емкостью 250 мл с пришлифованной пробкой, шесть пипеток, бюретка, стеклянная палочка, промывалка, фильтровальная бумага.

1 вариант опыта (вариант Жаботинского)

Подготовка опыта

Для демонстрации эксперимента готовят два раствора – А и Б.

А – раствор ферроина (комплекса железа(II)) с о-фенантролином (phen).

В мерную колбу емкостью 100 мл вносят 0,70 г гептагидрата сульфата железа(II) и 1,49 г о-фенантролина, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Раствор должен иметь красный цвет благодаря образованию фенантролинового комплекса состава 2+ :

Fe 2+ + 3phen = 2+ ,

он может быть приготовлен заранее.

Б – раствор броммалоновой кислоты (готовится непосредственно перед демонстрацией). В колбу Эрленмейера с пришлифованной пробкой с помощью пипеток вводят 3,3 мл раствора бромида калия (2 моль/л), 5 мл раствора малоновой кислоты (5 моль/л) и 5 мл концентрированной серной кислоты.

Полученный раствор титруют из бюретки насыщенным раствором бромата калия, тщательно перемешивая его после каждой очередной порции титранта, добиваясь исчезновения коричневой окраски, характерной для брома, выделяющегося в параллельно идущей реакции конмутации:

BrO 3 – + 5Br – + 6H + = 3Br 2 + 3H 2 O, 18Br 2 + 10CH 2 (COOH) 2 + 8H 2 O = 6BrCH(COOH) 2 + 4HCOOH + 8CO 2 + 30HBr.

Общий объем раствора бромата калия, израсходованного на титрование, должен составить около 7,5 мл. Образующаяся броммалоновая кислота неустойчива, однако некоторое время ее можно хранить при низкой температуре.

Проведение опыта

Для непосредственной демонстрации опыта на стеклянную пластинку, помещенную на зеркало проектора, 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 в чашке появляются голубые участки; это происходит из-за образования другого комплекса – 3+ при окислительно-восстановительной реакции комплекса 2+ с бромат-ионами:

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

Выделяющиеся бромид-ионы являются ингибиторами реакции окисления комплекса железа(II) бромат-ионами. Только когда концентрация 2+ становится достаточно высокой, ингибирующее действие бромид-ионов преодолевается, и снова начинают протекать реакции получения броммалоновой кислоты и окисления комплекса. Процесс повторяется снова, и это отражается в окраске раствора. От голубых участков в чашке во все стороны расходятся концентрические круговые красно-голубые «волны» окраски.

Если содержимое чашки перемешать стеклянной палочкой, то раствор на непродолжительное время станет одноцветным, а потом периодический процесс повторится. В конце концов реакция прекращается из-за выделения диоксида углерода.

Можно внести в чашку Петри, помимо всех перечисленных реагентов, несколько кристалликов гексагидрата нитрата церия(III); тогда диапазон окрасок расширится: появится желтый цвет за счет производных церия(IV), зеленый – из-за наложения голубого и желтого цветов:

6Ce 3+ + BrO 3 – + 15H 2 O = 6Сe(OH) 2 2+ + 6H 3 O + + Br – , Сe(OH) 2 2+ + BrCH(COOH) 2 + 3H 2 O = 2CO 2 + 3H 3 O + + Br – + HCOOH + Ce 3+ .

При нагревании цикл колебательной реакции укорачивается, смена окрасок происходит быстрее.

Примечания

В уравнениях реакций условно записано производное церия(IV) состава Сe(OH) 2 2+ ; более точно его состав отражает формула (4 – x )+ .
Вместо гептагидрата сульфата железа(II) можно использовать для приготовления раствора А соль Мора – кристаллогидрат сульфата железа(II) – аммония состава (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ∙6H 2 O в количестве 0,99 г на тот же объем воды.

2 вариант опыта (вариант Белоусова)

Подготовка опыта

Для эксперимента берут 2 г лимонной кислоты (HOOC)C(OH)(CH 2 COOH) 2 , 0,16 г октагидрата сульфата церия(III) Ce 2 (SO 4) 3 ∙8H 2 O и 0,2 г бромата калия KBrO 3 . Навески растворяют в 2,0 мл раствора серной кислоты (1: 3 по объему). Затем объем раствора доводят до 10 мл, добавляя дистиллированную воду.

Проведение опыта

Для непосредственной демонстрации опыта на стеклянную пластинку, помещенную на зеркало проектора, ставят чашку Петри, в которую выливают подготовленную смесь лимонной кислоты, соли церия и бромата калия в разбавленной серной кислоте. В течение нескольких минут окраска раствора в чашке меняется, из беловатой переходит в ярко-желтую и обратно.

В системе протекают следующие реакции:
(HOOC)С(OH)(CH 2 COOH) 2 + 2Сe IV → С(O)(CH 2 COOH) 2 + 2Ce III + CO 2 + 2H + ,	(1)
	(2)
Реакция (2) протекает медленнее, чем реакция (1).
	(3)
Br – + HBrO + H + = Br 2 + H 2 O,	(4)
3H + + 3Br – + HBrO 2 = 2Br 2 + 2H 2 O,	(5)
С(O)(CH 2 COOH) 2 + 5Br 2 = С(O)(CHBr 2)(CBr 3) + 5Br – + 2CO 2 + 5H + .	(6)

Последняя реакция увеличивает количество бромид-ионов, а ацетондикарбоновая кислота расходуется вследствие малой скорости ее накопления по реакции (1). Наконец, наступает момент взаимодействия Br – с выделяется бром, обусловливающий окраску раствора. Выделившийся бром идет на образование Сe IV . После исчезновения Br 2 и Ce III в реакционном растворе остаются неактивный ацетонпентабромид, взятые в избытке и непрореагировавшие лимонная кислота и бромат-ион, а также катализатор процесса Сe IV . Реакция протекает до полного израсходования одного из реагентов. Увеличение кислотности среды и температуры ускоряют ритм процесса.