Weird Science

Barwne kontrasty - reakcja oscylacyjna Briggsa-Rauschera

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (3/2022):

Ilustracja

Ples M., Barwne kon­tra­sty - oscy­la­cyjna reak­cja Briggsa-Rau­schera, Che­mia w Szkole, 3 (2022), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 44-47

Na stro­nie dostępny jest też inny - tak samo dokład­nie wypróbo­wany przeze mnie - prze­pis prze­pro­wa­dze­nia reak­cji Briggsa-Rau­schera. Można się z nim zapo­znać tutaj.

Zmiany, zmiany!

Zmiany towa­rzy­szą nam na każdym kroku. Mot­tem dzi­siej­szego arty­kułu będzie poniższy wyjątek z książki austra­lij­skiej autorki, pani Cana­van.

Nic nie pozo­staje takie samo. Jedyne, czego można być, w życiu pew­nym, to zmiana.

Cana­van T., Kapłanka w bieli,

tłum: Cho­lewa P.

Szcze­gólną klasą często sza­le­nie efek­tow­nych, a przy tym także wręcz fascy­nu­jących reak­cji che­micz­nych są te, w cza­sie których docho­dzi do samo­or­ga­ni­za­cji. Ter­mi­nem tym nazywa się spon­ta­niczne pow­sta­wa­nie w ukła­dzie upo­rząd­ko­wa­nych struk­tur lub kore­la­cji cza­so­wych. Pro­cesy pro­wa­dzące do tego mogą być natury che­micz­nej, fizycz­nej lub mie­sza­nej [1].

Jed­nym z najw­cze­śniej zba­da­nych przy­kła­dów samo­or­ga­ni­za­cji jest pow­sta­wa­nie cha­rak­te­ry­stycz­nych pier­ścieni opi­sa­nych dokład­nie po raz pierw­szy w 1896 roku przez Rapha­ela Edu­arda Lie­se­ganga [2]. Zja­wi­ska związane z samo­or­ga­ni­za­cją występują pow­szech­nie w natu­rze i - w ostat­nich deka­dach widzimy to coraz wyraźn­iej - pełnią naj­praw­do­po­dob­niej donio­słą rolę w wielu pro­ce­sach bio­lo­gicz­nych. Skala zda­rzeń, na które wpływ mają feno­meny samo­or­ga­ni­za­cji jest bar­dzo sze­roka, bo zaczyna się już od mikro­świata, kiedy pod uwagę bie­rzemy spój­nie zacho­wu­jące się zespoły dro­bin che­micz­nych lub nawet poje­dyn­cze cząsteczki, do wręcz kosmicz­nej, ponie­waż to wła­śnie temu feno­me­nowi zaw­dzięczamy naj­wy­raźn­iej np. pasmową budowę pier­ścieni oka­la­jących pla­netę Saturn.

Jed­nym z prze­ja­wów samo­or­ga­ni­za­cji jest ist­nie­nie tzw. reak­cji oscy­la­cyj­nych, które były tak odmienne od zna­nych wcze­śniej i uwa­ża­nych wła­ści­wie za jedyne reak­cji o mono­to­nicz­nym cha­rak­te­rze prze­mian, że począt­kowo śro­do­wi­sko nau­kowe wręcz odma­wiało uzna­nia ich ist­nie­nia. Potwier­dze­niem tego może byś przy­kra histo­ria radziec­kiego che­mika Borysa Paw­ło­wi­cza Bie­ło­u­sowa. Chcąc opi­sać zaob­ser­wo­wane przez sie­bie oscy­la­cje w ukła­dzie zawie­ra­jącym kwasy orga­niczne i kata­li­zo­wa­nym przez związku ceru Ce napot­kał na nie­do­wie­rza­nie śro­do­wi­ska nau­ko­wego i pro­blemy z publi­ka­cją wyni­ków swo­ich prac, co miało tak kata­stro­falny wpływ na stan ner­wowy nau­kowca, że musiał zasięgać porady lekar­skiej [3].

Znane nam współcze­śnie reak­cje oscy­la­cyjne możemy kla­sy­fi­ko­wać na różne spo­soby, często dzieli się je na zacho­dzące w ukła­dach jed­no­rod­nych i nie­jed­no­rod­nych. Same oscy­la­cje mogą być cza­sowe, prze­strzenne i prze­strzenno-cza­sowe. Wpro­wa­dza­nie do dydak­tyki eks­pe­ry­men­tów związa­nych z tego rodzaju egzo­tycz­nymi reak­cjami może wyda­wać się nieco ryzy­kowne. Warto wziąć jed­nak pod uwagę, że mimo często bar­dzo skom­pli­ko­wa­nego w szcze­gółach mecha­ni­zmu, pozwa­lają one na zacie­ka­wie­nie tema­tyką kine­tyki che­micz­nej. Jest to wielką pomocą dydak­tyczną, zwłasz­cza, że wspom­niany dział che­mii bywa często uzna­wany przez ucz­niów i stu­den­tów – a bywa też, że i nau­czy­cieli - za jed­no­cze­śnie mało cie­kawy i trudny.

Ilustracja
Cykliczne zmiany barwy roz­tworu pod­czas reak­cji B-R
ani­ma­cja: doda­tek autora

Reak­cją oscy­la­cyjną, która szcze­gól­nie dobrze nadaje się do celów dydak­tycz­nych i poka­zo­wych, jest reak­cja Briggsa-Rau­schera (B-R). W jej trak­cje docho­dzi do bar­dzo kon­tra­sto­wych prze­mian barw­nych [4].

Doświad­cze­nie

Aby prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie potrze­bu­jemy:

Jodan potasu w warun­kach nor­mal­nych jest bia­łym cia­łem sta­łym, umiar­ko­wa­nie roz­pusz­czal­nym w wodzie. Nie posiada zapa­chu. W tem­pe­ra­tu­rze top­nie­nia roz­kłada się z wydzie­le­niem jodu. Jest dosyć dobrym utle­nia­czem - rea­guje z mate­ria­łami łatwo­pal­nymi, cza­sem wręcz wybu­chowo. Jodan potasu sto­so­wany jest pow­szech­nie do jodo­wa­nia soli kuchen­nej, w której jed­nak jego kon­cen­tra­cja jest bar­dzo niska. Jest także sto­so­wany w lecze­niu przy­pad­ków wch­ło­nięciu radio­ak­tyw­nego jodu w celu jego wypar­cia z tar­czycy.

Kwas malo­nowy lub - sto­su­jąc nazew­nic­two sys­te­ma­tyczne - kwas pro­pa­no­diowy, to orga­niczny związek che­miczny z grupy kwa­sów dikar­bok­sy­lo­wych (Rys.1). Jego sole i estry są nazy­wane malo­nia­nami, a nazwa pocho­dzi od łacińs­kiego słowa malum ozna­cza­jącego jabłko. Sil­nie drażni skórę i błony ślu­zowe. Jego moc jest zbli­żona do mocy kwasu octo­wego. W warun­kach nor­mal­nych jest białą sub­stan­cją kry­sta­liczną.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny kwasu malo­no­wego

Mono­hy­drat siar­czanu(VI) man­ganu (II) w warun­kach nor­mal­nych jest cia­łem sta­łym, kry­sta­licz­nym, o deli­kat­nie różo­wej bar­wie. Dobrze roz­pusz­cza się w wodziei posiada wła­ści­wo­ści higro­sko­pijne. Tem­pe­ra­tura top­nie­nia tego związku wynosi 57–117°C, co jest spo­wo­do­wane stop­niową utratą wody kry­sta­licz­nej. Sól bez­wodna topi się nato­miast dopiero w tem­pe­ra­tu­rze 700°C.

Trzeba pamiętać, że kwas siar­kowy(VI) oraz nad­tle­nek wodoru są sil­nie żrące i powo­dują ciężkie opa­rze­nia. Jodan potasu i siar­czan man­ganu(II) są tok­syczne, a kwas malo­nowy ma dzia­ła­nie drażn­iące. Trzeba zacho­wać ostrożn­ość i sto­so­wać środki och­rony oso­bi­stej, jak zaw­sze zresztą przy pracy w labo­ra­to­rium!

Ostat­nią sub­stan­cją jakiej potrze­bu­jemy jest skro­bia. Naj­wy­god­niej byłoby użyć tzw. skrobi roz­pusz­czal­nej, ale w razie jej braku możemy wyko­rzy­stać zwy­kłą skro­bię (mąkę) ziem­nia­czaną (Fot.1).

Fot.1 – Skro­bia ziem­nia­czana

Roz­twór skrobi ziem­nia­cza­nej przy­go­to­wu­jemy w pro­sty spo­sób, roz­pro­wa­dza­jąc w kil­ku­na­stu cen­ty­me­trach sze­ścien­nych zim­nej wody desty­lo­wa­nej szczyptę tej sub­stan­cji, a następ­nie zale­wa­jąc ją 200cm3 wody pod­grza­nej bez­po­śred­nio przed­tem do wrze­nia. Po ostu­dze­niu roz­twór należy prze­sączyć, zbie­ra­jąc kla­rowną lub nieco mętną ciecz (Fot.2).

Fot.2 – Roz­twór skrobi

O tym, że roz­twór jest przy­go­to­wany pra­wi­dłowo możemy się prze­ko­nać doda­jąc do niego kilka kro­pli jodyny (alko­ho­lo­wego roz­tworu jodu, lub jodu w wod­nym roz­two­rze jodku potasu KI) – ciecz powinna wtedy przy­brać cha­rak­te­ry­stycz­nie gra­na­tową, pra­wie czarną barwę (Fot.3).

Fot.3 – Roz­twór skrobi z dodat­kiem jodu

Przy­stępu­jąc do wła­ści­wego doświad­cze­nia musimy przy­go­to­wać trzy roz­twory:

Do przy­go­to­wa­nia roz­two­rów trzeba oczy­wi­ście wyko­rzy­stać wodę desty­lo­waną lub demi­ne­ra­li­zo­waną, ponie­waż nie może ona zawie­rać jonów chlor­ko­wych Cl- będących inhi­bi­to­rami opi­sy­wa­nej reak­cji. Pro­ces jest ska­lo­walny, to zna­czy można dosto­so­wać objętość układu reak­cyj­nego do swo­ich potrzeb, odpo­wied­nio zmniej­sza­jąc lub zwięk­sza­jąc pro­por­cjo­nal­nie ilo­ści rea­gen­tów. Dla poda­nych ilo­ści powin­ni­śmy zaob­ser­wo­wać przy­najm­niej kilka, kil­ka­na­ście cykli spon­ta­nicz­nych prze­mian barw­nych – w razie potrzeby wydłu­że­nia pro­cesu warto prze­ska­lo­wać potrzebne ilo­ści sub­stan­cji [5].

W momen­cie roz­po­częcia pokazu wszyst­kie roz­twory powinny mieć tem­pe­ra­turę poko­jową lub nieco niższą. Począt­kowo wszyst­kie roz­twory są bez­barwne, jedy­nie ten zawie­ra­jący skro­bię może być nieco mętny.

Pod­czas reak­cji trzeba zapew­nić dokładne wymie­sza­nie roz­two­rów – przy­datne jest mie­sza­dło magne­tyczne. Roz­twory muszą być doda­wane w poda­nej kolej­no­ści!

Do naczy­nia umiesz­czo­nego na mie­sza­dle zle­wamy razem roz­twory A i B – ich mie­sza­nina także jest bez­barwna (Fot.4).

Fot.4 – Mie­sza­nina roz­two­rów A i B

Po chwili, pod­czas której oba roz­twory powinny się jak naj­do­kład­niej wymie­szać, doda­jemy do naczy­nia także roz­twór C – pociąga to za sobą prak­tycz­nie natych­mia­stową zmianę barwy na wyraźnie żółtą (Fot.5).

Fot.5 – Mie­sza­nina roz­two­rów A, B i C jako gotowy układ reak­cyjny

Nie powin­ni­śmy się jed­nak przy­zwy­cza­jać do tej kon­kret­nej barwy, ponie­waż już po chwili cała objętość roz­tworu w mgnie­niu oka sta­nie się gra­na­towa, pra­wie czarna (Fot.6A).

Fot.6 – Che­miczne oscy­la­cje barwne; A – faza gra­na­to­wego roz­tworu, B – faza żółt­a­wego roz­tworu, C – faza bez­barw­nego roz­tworu

Po pew­nym cza­sie roz­twór odbar­wia się (Fot.6C), następ­nie nabiera żółt­ego zabar­wie­nia (Fot.6B), po czym znowu następuje barwa gra­na­towa i cykl się zamyka.

Okres zmian barw­nych może wyno­sić od kil­ku­na­stu do kil­ku­dzie­sięciu sekund, w zależn­o­ści od tem­pe­ra­tury roz­two­rów i sta­ran­no­ści odwa­że­nia skład­ni­ków.

Oscy­la­cje po pew­nym cza­sie słabną i zatrzy­mują się – roz­twór pozo­staje w fazie o bar­wie gra­na­to­wej i daje się wyczuć cha­rak­te­ry­styczna, drażn­iąca woń pier­wiast­ko­wego jodu.

Wyja­śnie­nie

Pod­ty­tuł niniej­szego roz­działu jest nieco prze­korny, ponie­waż o ile pre­zen­to­wane reak­cje che­miczne są nie­skom­pli­ko­wane w przy­go­to­wa­niu, to wyja­śnie­nie ich dokład­nego mecha­ni­zmu nie jest już takie pro­ste, a na pewno wykra­cza w pew­nych aspek­tach znacz­nie poza zakres wie­dzy ucz­nia, czy nawet stu­denta. Wystar­czy powie­dzieć, że wiele modeli tego typu pro­ce­sów zakłada, że w ukła­dzie zacho­dzi jed­no­cze­śnie nawet kil­ka­dzie­siąt wza­jem­nie na sie­bie wpły­wa­jących reak­cji che­micz­nych. Z tego powodu poni­żej przed­sta­wię jedy­nie naj­ważn­iej­sze z nich.

W cza­sie reak­cji jony joda­nowe(V) ule­gają reduk­cji do kwasu jodo­wego(I) HIO pod wpły­wem nad­tlenku wodoru, przy czym następuje wydzie­la­nie wol­nego tlenu w myśl rów­na­nia:

IO3 + 2H2O2 + H+ → HIO + 2H2O + 2O2

Wspom­niany kwas rea­guje dalej z nad­tlen­kiem wodoru, dzięki czemu pow­stają jony jod­kowe:

HIO + H2O2 → I + H+ + H2O + O2

Co cie­kawe, jony jod­kowe rea­gują następ­nie z kwa­sem jodo­wym(I) według:

HIO + I + H+ → I2 + H2O

W wyniku uzy­sku­jemy pier­wiast­kowy jod. Opi­sane pro­cesy powo­dują zabar­wie­nie roz­tworu na zaob­ser­wo­wany, żółty kolor. Wolny jod rea­guje z kolei z jonami jod­ko­wymi, prze­cho­dząc w trój­jo­dek:

I2 + I ⇆ I3

Wła­śnie trój­jodki two­rzą ze skro­bią gra­na­towy kom­pleks.

Zau­ważmy jed­nak, że rów­no­le­gle trwa ciągle reak­cja jodu z kwa­sem malo­no­wym:

I2 + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + H+ + I

Kolejną reak­cją zuży­wa­jącą pier­wiast­kowy jod jest:

5H2O2 + I2 → 2HIO3 + 4H2O

W wyniku obu reak­cji zuży­wany jest pier­wiast­kowy jod, co pro­wa­dzi do zaniku gra­na­to­wego kom­pleksu, a jed­no­cze­śnie na pow­rót pow­stają jony joda­nowe(I).

Przed­sta­wione reak­cje pozwa­lają na wytłu­ma­cze­nie zmian barw­nych pod­czas reak­cji, ale nie mówią, dla­czego pow­stają oscy­la­cje zamiast mono­to­nicz­nych zmian stężeń rea­gen­tów. Dokładne wytłu­ma­cze­nie wybiega poza ramy niniej­szego opra­co­wa­nia, warto jed­nak wie­dzieć, że duże zna­cze­nie mają tu pro­cesy kata­li­tyczne i auto­ka­ta­liczne.

Powyższy prze­pis na reak­cję Briggsa-Rau­schera został spraw­dzony przeze mnie i wie­lo­krot­nie wypróbo­wany wła­sno­ręcz­nie. Ist­nieją też oczy­wi­ście i inne, które można wypróbo­wać z jak naj­lep­szym skut­kiem, także takie, w których kwas siar­kowy(VI) zastąpiono np. kwa­sem chlo­ro­wym(VII) HClO4 [6].



Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa