Колебательные процессы
- 1. Колебательные реакции. Реакция Бриггса-Раушера. Детальное изучение взаимодействия колебаний, распространяющихся от двух пространственно удаленных центров, помогло разобраться в различных видах аритмий, возникающих в сердечной мышце. В настоящее время кинетика колебательных реакций - бурно развивающаяся отрасль знаний, возникшая на стыке химии, биологии, медицины, физики, математики. Показано, что хаотические режимы наблюдаются во многих областях биологии (в биохимии, биофизике, учении о биоритмах, при изучении динамики популяций, миграции организмов и т.д.), экологии и в самом широком понимании этого понятия некоторых социальных процессах (изменение народонаселения, развитие экономики). Во многих случаях сравнительно простые динамические химические системы со строго контролируемыми концентрационными изменениями исходных и промежуточных химических веществ могут оказаться весьма подходящими функциональными моделями при изучении хаотических процессов в других областях знаний (науке о Земле и других планетах, физике твердого тела, ядерной физике и физике элементарных частиц, инженерной механике и т.д.). Колебательные реакции - это периодические процессы, характеризующиеся колебаниями концентраций некоторых промежуточных соединений и соответственно скоростей превращения. Наблюдаются такие процессы в газовой и жидкой фазах и особенно часто на границе раздела этих фаз с твердой фазой. Колебательными чаще всего бывают редокс-реакции (окислительно-восстановительные реакции), а также реакции, сопровождающиеся появлением новой фазы вещества. Причиной возникновения колебаний концентрации является наличие обратных связей между отдельными стадиями сложной реакции: положительных и отрицательных. В нашем опыте мы хотим продемонстрировать автоколебательные процесс на примере реакции Бриггса-Раушера, открытой в 1973 году. Малоновая кислота окисляется йодат-ионами в присутствии пероксида водорода и катализатора - ионов Mn2+/Mn3+: , где RH - малоновая кислота, RI - йодопроизводная малоновой кислоты. Механизм реакции: 1. IO3 + H2O2 + H+ → HIO2 + O2 + H2O, 2. IO3- + HIO2 + H+ ⇄ 2IO2• + H2O, 3. HIO2 + H2O2 → HIO + O2 + H2O, 4. IO2• + Mn2+ + H2O ⇄ HIO2 + Mn(OH)2+, 5. 2HIO + H2O2 → 2I- + 4O2 + 4H+, 6. 4Mn(OH)2+ + I- + 2H+ ⇄ I• + 4Mn2+ + H2O, 7. HIO + I- + H ⇄ I2 + H2O, 8. 2HIO2 → IO3- + HIO + H+, 9. RH ⇄ enol, 10. HIO + enol → RI + H2O, 11. I2 + enol → RI + I-+ H+. Возникновение колебаний рассмотрим на примере окислительно-восстановительной пары I2/I-. Если концентрация I- в системе очень мала, то в соответствии со стадией (7) скорость
- 2. образования I2 очень мала. Однако за счѐт реакций (5) и (11) I- начинает накапливаться, а концентрация I2 в результате последней реакции (11) и обратной стадии (7), напротив, падать. Уменьшение концентрации I2 приводит к падению скорости накопления I-. Большая концентрация последнего вызывает большую скорость его расходования по реакции (7). В итоге возросшая концентрация I- снова уменьшается. Таким образом, система возвращается в начальное состояние, после чего описанный цикл повторяется. Осцилляции концентраций молекулярного йода могут фиксироваться визуально с помощью йодкрахмальной реакции. При этом окраска раствора будет изменяться от бесцветной через жѐлтую до голубой (трѐхцветный колебательный цикл). Литература: 1.Соросовский образовательный журнал. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ В ХИМИИ (МУШТАКОВА С.П. , 1997), ХИМИЯ 2. О.К. Первухин. Колебательные реакции. Методическое пособие.