НАУЧНЫЕ ЗАБАВЫ
Еще раз о периодических реакциях
В «ЮТ» № 10 за 2014 г. мы рассказали об истории открытия реакции Белоусова-Жаботинского и дали несколько рецептов периодических реакций.
Сегодня мы дополняем наш рассказ благодаря книге французского популяризатора науки Поля Деповера «О, химия!», которую перевело на русский язык и опубликовало издательство «РИЦ «Техносфера».
Второй принцип термодинамики говорит о том, что любая химическая система должна стремиться к окончательному состоянию равновесия, характерному для нее. То есть, говоря проще, обычно реакция идет в одном направлении, никогда не возвращаясь назад.
Однако примерно 100 лет назад было открыто, что существуют химические реакции, в течение которых концентрации некоторых веществ (посредников или составляющих группу катализаторов) увеличиваются, а затем уменьшаются периодическим образом. О некоторых из этих реакций, которые, кажется, нарушают законы термодинамики, мы вам сейчас и расскажем.
Эта реакция, случайно открытая в 1921 году и названная по именам первооткрывателей реакции Брея и Либавски, не что иное, как разложение перекиси водорода (H2O2) катализированным йодат-ионом (IO3).
Реагирующая смесь, состоящая из перекиси водорода, йодата калия (КIO3) и разбавленной серной кислоты, дает место периодической вариации (осцилляции) концентрации йода (I2). Механизм этой реакции, по крайней мере, странный. С одной стороны, перекись водорода превращает йодат в йод:
5H2O2 + 2HIO3 = I2 + 5O2 + 6H2O
Но с другой стороны, перекись водорода окисляет йод в йодат:
5H2O2 + I2 = 2HIO3 + 4H2O
Вот почему концентрация йода периодически изменяется с течением времени. «Чистая» реакция, которая представляет движущую силу этого осциллирующего феномена, получается при складывании двух вышеприведенных уравнений.
А теперь еще раз приведем вариант реакции, открытой в 1958 году Б. П. Белоусовым, который изучал механизм так называемого цикла Кребса. Затем она была улучшена А. М. Жаботинским и получила название реакции Белоусова-Жаботинского. По всем правилам осуществляется она так.
В химический стакан емкостью 250 мл, установленный на магнитный смеситель, поместим 70 мл дистиллированной воды. (Предостережение: хлорид-ионы должны быть полностью удалены заранее). Добавим 2 мл концентрированной серной кислоты, затем растворяем в этом кислом растворителе 6,5 г бромата калия (КВIO3). После этого добавляем 15 мл воды, содержащей 0,6 г бромида калия (КВr) и 1 г малоновой кислоты (НООС-СН2-СООН). После исчезновения окраски раствора добавляем туда на кончике шпателя небольшое количество сульфата церия (IV) аммония [(NH4)4Ce(SO4)4-2H2O] и 1 мл ферроина (соединение офенантролина с ионом железа) 0,025 М. Тогда наблюдаем периодические осцилляции цвета от венецианского красного к лазурно-голубому на протяжении приблизительно часа.
Реакция Бригса-Рошера является самой зрелищной разновидностью реакции Белоусова-Жаботинского, скрещенной в каком-то виде с реакцией Брея-Либавски.
Раствор А: разбавим водой 400 мл 30 %-ной перекиси водорода до объема 1 л.
Раствор Б: растворим 43 г йодата калия в воде, добавим туда 13,7 мл 70 %-ной (плотность = 1,67) хлорной кислоты (НСIO4) и доведем объем раствора до 1 л.
Раствор В: растворим при нагревании 0,3 г крахмала в воде. В этот крахмальный клейстер добавим 16 г малоновой кислоты и 3,38 г сульфата марганца (II) MnSО4H2О. Объем раствора затем доводится до 1 л.
Смешиваем одинаковые объемы трех растворов — А, Б и В. Система изменится от бесцветной до цвета желтого лимонада, затем резко меняет окраску на синий цвет, и так далее. Механизм этой реакции соответствует в каком-то виде суперпозиции двух реакций, Брея-Либавски и Белоусова-Жаботинского. Что касается ее движущей силы, то она базируется на уравнении: HOOC–CH2-COOH = HOOC–CHI–COOH + I2
