Экспериментальные исследования колебательной реакции Белоусова — Жаботинского с использованием ферроина

Колебательные реакции представляют собой циклические процессы, состоящие из многократных повторений одного и того же превращения. Цикличность лежит в основе многих процессов — приливо-отливных явлений, годичных колец деревьев, сердечных и мышечных сокращений, дыхания. Колебания свойственны также ряду химических процессов, в том числе каталитических. При этом наблюдается ускорение реакции в присутствии определенных веществ, которые многократно химически взаимодействуют с исходными реагентами, но не входят в состав продукта реакции. Внешне, периодические изменения концентраций промежуточных продуктов химической реакции могут выглядеть как поочередная смена цвета раствора в процессе протекания реакции. Это наблюдается в колебательных реакциях, которые относятся к классу окислительно-восстановительных. [1]

Открытие многократно повторяющихся колебательных химических реакций совершил Б. П. Белоусов, его работу продолжил А. М. Жаботинский. Далее изучением этих реакций занимались многие ученые: Бригс, Рошер, Либавски. Анализ литературных источников показал, что наибольший интерес и известность получила реакция Белоусова-Жаботинского — окисления органической малоновой кислоты и ее аналогов при реакции с бромноватокислым натрием в растворе серной кислоты с катализатором в виде солей церия — где окраска менялась циклично, с молочно-желтой на прозрачную. [2,3]

Реализация исследований данной циклической реакции не позволила подробно экспериментально изучить ее механизм: фиксировать точное время изменения цвета раствора не удалось, так как процесс перехода от бледного к ярко-желтому цвету было сложно оценить визуально. Для четкого определения изменения цвета и наблюдения за протеканием колебательной реакции был проведен эксперимент с использованием ферроина — комплекса сульфата железа (II) c ортофенантреном. Согласно литературным источникам, при замене ионов церия в реакции Белоусова — Жаботинского на ионы железа, изменение цвета реакции будет происходить в другом диапазоне поглощения света и цвета раствора будут более контрастными (переход красный — голубой).

Предварительно подготовили раствор ферроина — комплекса соли железа (II) с ортофенантреном. Для этого в мерную колбу емкостью 100 мл вносли 0,70 г гептагидрата сульфата железа(II) и 1,49 г о-фенантролина. Далее объем раствора довели дистиллированной водой до метки 100 мл и перемешали. Раствор приобрел красный цвет за счет образования фенантролинового комплекса железа (II):

Fe²⁺ + 3 phen = [Fe(phen)₃]²⁺

Далее в химический стакан емкостью 200 мл, установленный на магнитный смеситель, поместили 70 мл дистиллированной воды и 2 мл 30 % серной кислоты, затем в нем растворили 6,5 г бромата калия (KBrO₃). После этого добавили 15 мл воды, содержащей 0,6 г бромида калия (КBr) и 1 г лимонной кислоты. В стакан со смесью прилили 1 мл готового раствора ферроина.

Наблюдалась циклическая смена цвета раствора от насыщенно — красного до ярко — голубого. Во время реакции замечалось выделение пузырьков газа в стакане. Механизм протекающей реакции, обеспечивающий периодическую смену цвета в растворе можно представить следующим образом (рис.1.).

Рис. 1. Схематический механизм реакции Белоусова — Жаботинского

Механизм реакции схематически обозначен в виде передаточного кольца, в котором постоянно происходит передача электронов от одного вещества к другому. Комплекс железа Fe²⁺ с ортофенантреном имеет насыщенно-красную окраску, а в процессе окисления бромат-анионом (BrO₃^-) железа до Fe³⁺ раствор приобретает ярко-голубую окраску. Кислота, участвующая в реакции, восстанавливает железо (III) (красное окрашивание), которое затем снова окисляется бромат-анионом. В процессе восстановления образуются анионы Br^-, вода и выделяется углекислый газ СО₂ в виде мелких пузырьков в растворе. При этом раствор снова меняет окраску с синего на красный цвет. Таким образом, происходит передача электронов от малоновой/лимонной кислоты к бромат-аниону через железо.

Цикл изменения цвета раствора идет достаточно длительное время. Моменты смены цвета фиксировались секундомером на протяжении почти 50 минут. Синяя окраска раствора проявлялась на 2 секунды, циклически сменяясь красной.

По результатам эксперимента построен график зависимости изменений цвета раствора от времени протекания реакции на протяжении всего периода наблюдения. На рисунке 2 представлен график зависимости колебаний цвета от времени за первые пять минут визуальных наблюдений.

Рис. 2. График изменения цвета раствора осциллирующей реакции с течением времени

График представляет собой зубцеобразную ломаную, с периодически повторяющимися интервалами одинаковой продолжительности (на синем фоне). Между зубцами наблюдаются четкие периоды смены цвета, реакция идет не хаотически, сами периоды четко классифицируются.

Измерение циклических колебаний цвета раствора также было произведено на спектрофотометре, на длине волны 500 нм, что соответствует максимуму поглощения ферроина (Fe2+) (рис.3). Поскольку прибор четко фиксирует изменения состояния цвета, график также имеет вид зубцов. Заметно, что большую часть времени система находится в «красной зоне» (верхняя часть области построения графика), но фиксируется и «синяя зона» (нижняя часть области построения графика), и промежуточные состояния перехода цвета. Данные спектрофотометра четко показывают имеющуюся периодизацию и подтверждают цикличность протекания колебательной химической реакции.

Рис. 3. График изменений цвета раствора по данным спектрофотометра

Проведенное экспериментальное изучение колебательных реакций, показало — данный тип химических превращений сопровождается стабильным цикличным изменением степени окисления у некоторых атомов реагирующих веществ, что характерно для окислительно-восстановительных химических реакций. В периодически меняющейся системе происходит процесс сопряжения нескольких реакций по определенному веществу, то есть в одних реакциях оно образуется, а в других — расходуется. Добавление в систему индикатора (ферроина) дает возможность визуально наблюдать за сменой цветов и периодичностью колебаний. Пока происходят колебания цвета раствора, система находится в неустойчивом состоянии — концентрации веществ в ней постоянно меняются. И насколько долго она будет находиться в состоянии, далеком от равновесия, настолько долго будут наблюдаться циклические изменения цвета.

В настоящее время реакция Белоусова-Жаботинского хорошо изучена, но ее детальный механизм всё ещё известен не полностью. Раскрыты и описаны далеко не все виды промежуточных продуктов и этапов колебательных реакций. Исследование этих явлений перспективно для новых научных разработок.

Литература:

1.                Энциклопедия для детей. [Том 17.] Химия/ред.коллегия: М.Аксенова, И. Леенсон, С. Мартынова и др. — 2-е изд., перераб. –М.: Аванта +, АСТ, 2013. — 656 с.: ил.
2.                Гарел Д., Гарел О. Колебательные химические реакции М: Мир, 1986 г. — 148 с.: ил.
3.                Витер В. Н. Химические колебания. Химия и химики № 5/2008, № 6/2016,№ 7/2017// [Электронный ресурс] (http://chemistry-chemists.com /N6_2016/ChemistryAndChemists 6_2016-P8–1.html)