"Химический Маятник" - реакция Белоусова - жаботинского.

(Пояснение к опыту + рецепты для самостоятельного проведения реакции).
Пояснение к опыту:
Одним из наиболее впечатляющих примеров возникновения самоорганизации являются колебательные химические реакции, открытие которых принадлежит.
Борису Петровичу Белоусову. В 1951 г. б. П. Белоусов изучал окисление лимонной кислоты при её реакции с бромноватокислым натрием в растворе серной кислоты. Для усилений реакции он в раствор соли церия добавил. Церий - металл с переменной валентностью (3+ или 4+), поэтому он может быть катализатором окислительно-восстановительных превращений. Реакция сопровождается выделением пузырьков со 2, и поэтому кажется, что вся реакционная смесь "Кипит". И вот на фоне этого кипения б. П. Белоусов заметил удивительную вещь: цвет раствора периодически изменялся - становился то жёлтым, то бесцветным. Белоусов добавил в раствор комплекс фенантролина с двувалентным железом (ферроин), и цвет раствора стал периодически изменяться от лилово - красного к синему и обратно.

Так была открыта реакция, ставшая знаменитой - сейчас она известна во всём мире, её называют "Реакция Белоусова - Жаботинского". А. М. жаботинский много сделал для понимания этого удивительного феномена. С тех пор отрыто большое число аналогичных реакций. В учебниках по физической химии давно уже введены специальные разделы, посвящённые химическим периодическим реакциям и их механизмам.
Когда б. П. Белоусов сделал своё открытие, периодические изменения концентрации реагентов казались нарушением законов термодинамики. В самом деле, как может реакция идти то в прямом, то в противоположном направлениях? Невозможно представить себе, чтобы всё огромное число молекул в сосуде было то в одном, то в другом состоянии (то все "Синие", то все "красные"…. Направление реакции определяется химическим (термодинамическим) потенциалом - реакции осуществляются в направлении более вероятных состояний, в направлении уменьшения свободной энергии системы. Когда реакция в данном направлении завершается, это значит, что её потенциал исчерпан, достигается термодинамическое равновесие, и без затраты энергии, самопроизвольно, процесс в обратную сторону пойти не может. А тут … реакция идёт то в одном, то в другом направлении. "Так не может быть! " - Решили в редакции очень солидного химического журнала и отказались публиковать статью Белоусова. Рецензенты даже не захотели повторить опыт ….
Однако никакого нарушения законов в этой реакции не было. Происходили колебания - периодические изменения - концентраций промежуточных продуктов, а не исходных реагентов или конечных продуктов. Со 2 не превращается в этой реакции в лимонную кислоту, это в самом деле невозможно. Рецензенты не учли, что пока система далека от равновесия, в ней вполне могут происходить многие замечательные вещи. Классическая термодинамика - наука о начальных и конечных состояниях. Детальные траектории системы от начального состояния к конечному могут быть очень сложными. Лишь в последние десятилетия этими проблемами стала заниматься термодинамика систем, далёких от равновесия. Эта новая наука стала основой новой науки - синергетики.
Реакцию Белоусова, как отмечено выше, детально изучил а. М. жаботинский и его коллеги. Они лимонную кислоту малоновой заменили. Окисление малоновой кислоты не сопровождается образованием пузырьков со 2, поэтому изменение окраски раствора можно без помех регистрировать фотоэлектрическими приборами. В дальнейшем оказалось, что ферроин и без церия служит катализатором этой реакции. Б. П. Белоусов уже в первых опытах заметил ещё одно замечательное свойство своей реакции: при прекращении перемешивания изменение окраски в растворе распространяется волнами. "Колба Становится Похожей на Зебру", - говорил Белоусов. Это распространение химических колебаний в пространстве стало особенно наглядным, когда в 1970 г. а. М.
Жаботинский и а. Н. заикин налили реакционную смесь тонким слоем в чашку Петри. В чашке образуются причудливые фигуры - концентрические окружности, спирали, "Вихри", распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин. Химические волны ряд необычных свойств имеют. Так, при столкновении они гасятся и не могут проходить сквозь друг друга. В то же время обычные волны, такие, как волны на поверхности волны или электромагнитные волны, при столкновении испытывают интерференцию, но остаются неизменными после столкновения. Другое уникальное свойство - наличие спиралевидных источников химических волн. Прошло много десятилетий с момента открытия этой реакции Белоусовым, а её исследованием по-прежнему заняты многие лаборатории в разных странах.
Это объясняется весьма общим характером явлений колебаний и распространения волн в самых разных системах. Так распространяется волна возбуждения по нерву, по сердечной мышце, вызывая ритмичные сокращения. Так распространяется зона активности при поверхностном катализе в промышленных химических установках, в "Активных Средах", когда вслед за проходящей волной через некоторое время восстанавливается способность системы к новому возбуждению. В чашке Петри с "Активной Химической Средой" можно изучать общие свойства таких процессов.
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:
- Kbro3 (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\xB0-50\xB0 с, затем высыпать навеску Kbro3. 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 50 мл H2O).
- Hclo4 (30 мл разбавленного раствора).
- Малоновая кислота (3 г в 50 мл H2O. И навески:
- Mnso4 (1 г) и немного крахмала. Все слить в один стакан (200-250 мл), добавить навески, размешать стеклянной палочкой. Происходит чередование цвета: бесцветный > желтый >голубой.