2. Реакция Белоусова - Жаботинского

Автоколебательная реакция Белоусова-Жаботинского очень широко известна не только в научном мире. Ее знают как школьники и студенты, так и просто любознательные люди. Стакан с красно-лиловой жидкостью вдруг становится ярко-синим, а потом снова красно-лиловым. И снова синим. А когда жидкость налита тонким слоем, в ней распространяются волны изменения окраски. Образуются сложные узоры, круги, спирали, вихри, или все приобретает совершенно хаотический вид.

Эта реакция известна уже более 40 лет. Ее открыл в 1951 году Борис Павлович Белоусов.

Изменение цвета реакционной смеси в реакции Белоусова — Жаботинского с ферроином. В показанной системе (пробирке) колебания быстро затухают.

При малом времени пребывания, не допускается выравнивания скоростей прямой и обратной реакций. При этом поведение системы будет неравновесным.

При большом времени пребывания в системе достигается однородное стационарное состояние – концентрации остаются постоянными во времени. Это - состояние химического равновесия -аналог режима теплопроводности (∆Т<Т_с) в системе Бенара.

Эксперимент

В замкнутом сосуде при интенсивном перемешивании после короткого индуктивного периода возникают колебания концентраций [Br ^-] и [Ce⁴⁺ ]. Типичные эксперементальные кривые представлены на рис.1. Начало колебаний имеет характер «жесткого возбуждения». В системе проходит через субкритическую бифуркациюАндрионова-Хопфа. Колебания концентрации ионов[Ce⁴⁺ ] , регистрируемые на плптиновом электроде, имеют постоянную амплитуду. Бромидный электрод фиксирует увеличение ампитуды, максимальное значение ее соответствует разнице концентраций ионов[Br ^-] на два порядка, форма колебаний несколько меняется с течением времени, период увеличивается до 2 мин через 1,5 часа. После этого асплитуда колебаий постепенно уменьшается, они становятся нерегулярными, и очень медленно исчезают.

1.Эксперементально наблюдаемые показания, снятие с платинового электрода [Ce⁴⁺ ], (а) и электрода, регистрирующего ток ионов бродида [Br ^-] (б)

Первая модель наблюдаемых процессов была предложена А.М.Жаботинским. Рассмотренный им цикл реакции состоит из двух стадий (I) – окисление трехвалетного церия броматом: Ce^{3+ BrO3} Ce⁴⁺ (I)

Вторая стадия (II) – восстановление четырехвалентного церия малоновой кислотой:

Ce⁴⁺ + CHBr(COOH)₂ Ce³⁺ + Br^- + другие продукты (II)

Продукты восстановления бромата, образующиеся на стадии I,бромируют. Получающиеся бромопроизводные разрушаются с выделением [Br ^-]. Бромид является сильным ингибитором реакции. Схема автоколебательной реакции может быть качественно описана следующим образом. Пусти в системе имеются ионы [Ce⁴⁺ ]. Они катализируют образование [Br^-] стадия (II), который взаимодействует с частицами Y реакции Iи выводится из стстемы. Если коцентрация [Br^-] достаточно велика, реакция I полностью заблокирована. Когда концентрация ионов [Ce⁴⁺ ] в результате реакции II уменьшится до порогового значения, концентрация [Br^-] падает, тем самым снимается блокировка реакции I. Скорость реакции I возрастает, и возрастает концентрация[Ce⁴⁺].При достижении верхнего порогового значения[Ce⁴⁺] коцентрация[Br^-]также достигает больших значений, и это приводит к блокировке реакции . И так далее.