Weird Science

Chemiczny oscylator - reakcja BŻW

BŻW?

Skrót ten pocho­dzi od pierw­szych liter nazwisk nau­kow­ców (Bie­ło­u­sow, Żabo­tyński, Win­free), którzy badali przed­sta­wioną dalej reak­cję oscy­la­cyjną.

W tym miej­scu musimy wyja­śnić czym wła­ści­wie jest oscy­la­tor. Zaj­rzyjmy do ency­klo­pe­dii:

Oscy­la­tor - układ elek­tryczny, fizyczny lub che­miczny wyko­nu­jący cykliczne w cza­sie zmiany war­to­ści pew­nych swo­ich para­me­trów wokół poło­że­nia rów­no­wagi.

Wielka Ency­klo­pe­dia PWN, PWN War­szawa 1996

Oscy­la­tor jest więc ukła­dem, który wytwa­rza jakie­goś rodzaju drga­nia. W dzi­siej­szych cza­sach oscy­la­tory są naj­czę­ściej urządze­niami elek­trycz­nymi (na przy­kład wszel­kie zegary, gene­ra­tory aku­styczne, rezo­na­tory kwar­cowe). Daw­niej pow­szech­nie wyko­rzy­sty­wano oscy­la­tory mecha­niczne, takie jak zegary waha­dłowe lub z balan­sem. O wiele mniej znaną klasą oscy­la­to­rów są che­miczne układy drga­jące. Jedną z tego typu reak­cji jest reak­cja Bie­ło­u­sowa-Żabo­tyńs­kiego. Ory­gi­nalna reak­cja wyko­rzy­sty­wała związki ceru, które są trudne do zdo­by­cia. My zapo­znamy się dziś z jedną z łatwiej­szych do prze­pro­wa­dze­nia mody­fi­ka­cji tej reak­cji (zwa­nej wła­śnie reak­cją Bie­ło­u­sowa-Żabo­tyńs­kiego-Win­free), w której sto­suje się kwas malo­nowy, związki bromu oraz żelaza. Od razu zazna­czam, że nie wyja­śnię tutaj dokład­nego mecha­ni­zmu tej reak­cji, cechuje sie on bowiem wyso­kim stop­niem kom­pli­ka­cji. Zain­te­re­so­wa­nych odsy­łam do odpo­wied­nich publi­ka­cji.

Zaczy­namy!

Musimy przy­go­to­wać odpo­wied­nie roz­twory:

Fer­ro­ina jest związ­kiem kom­plek­so­wym żelaza z 1,10-fenan­tro­liną o wzo­rze suma­rycz­nym [Fe(phen)3]SO4. Wzór struk­tu­ralny przed­sta­wiony jest poni­żej:

Ilustracja

Fer­ro­ina jest efek­tyw­nym wskaźn­i­kiem redox; w śro­do­wi­sku redu­ku­jącym ma barwę czer­woną, w utle­nia­jącym zaś nie­bie­ską.

Ostrze­że­nie: Należy szcze­gól­nie uwa­żać pod­czas ope­ra­cji ze stężo­nym kwa­sem siar­ko­wym(VI). Należy sto­so­wać ręka­wiczki och­ronne i nie dopu­ścić do zanie­czysz­cze­nia skóry! Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Pokaz!

Doświad­cze­nie można prze­pro­wa­dzić w dwóch warian­tach: zmie­nia­jącego barwę roz­tworu i wędru­jących fal reak­tyw­no­ści che­micz­nej. Oba doświad­cze­nia są jed­na­kowo efek­towne i ich opis jest przed­sta­wiony poni­żej.

Oscy­lu­jący roz­twór

Do nie­wiel­kiej zlewki wle­wamy 6,5cm3 roz­tworu B i doda­jemy 1cm3 roz­tworu A. Zlewkę przy­kry­wamy szkiełk­iem zegar­ko­wym i cze­kamy aż znik­nie bru­natne zabar­wie­nie. Po kilku minu­tach do roz­tworu doda­jemy kro­plę roz­tworu C. Po chwili roz­twór zacz­nie cyklicz­nie zmie­niać barwę z różo­wej na błękitną. Zmiany występują z okre­sem kil­ku­na­stu-kil­ku­dzie­sięciu sekund. Można to zoba­czyć na moim fil­miku:

Nie­bie­ska barwa występuje z okre­sem około 5 sekund. Reak­cja w zależn­o­ści od warun­ków może trwać kil­ka­dzie­siąt minut lub nawet dłu­żej.

Che­miczne fale - samo­or­ga­ni­za­cja w roz­two­rze

Postępu­jemy podob­nie jak poprzed­nio z tym, że doda­jemy więcej roz­tworu C; tym razem musimy dodać 1cm3 fer­ro­iny. Pow­stałą mie­sza­ninę wyle­wamy na szalkę Petriego i przy­kry­wamy. Po kilku minu­tach w cie­czy poja­wią się nie­bie­skie punkty, które zaczną emi­to­wać koli­ste roz­prze­strze­nia­jące się fale barwy nie­bie­skiej. Niek­tóre punkty emi­tują fale z więk­szą często­tli­wo­ścią niż inne i to pocho­dzące z nich fale zdo­mi­nują po pew­nym cza­sie całą powierzch­nię roz­tworu. Reak­cja trwa zwy­kle krócej niż w poprzed­nim przy­padku. Jest to spo­wo­do­wane naj­praw­do­po­dob­niej więk­szą powierzch­nią paro­wa­nia. Poni­żej przed­sta­wiam przy­spie­szony film uka­zu­jący prze­bieg tej reak­cji:

Wyraźnie widoczne są roz­prze­strze­nia­jące się z poło­żo­nych losowo punk­tów fale o nie­bie­skiej bar­wie.

Wyja­śnie­nie

Tym razem nie przed­sta­wię tutaj kon­kret­nych rów­nań reak­cji che­micz­nych. Zamiast tego zasta­nówmy się nad tym, co wła­ści­wie jest takiego cie­ka­wego w reak­cji Bie­ło­u­sowa-Żabo­tyńs­kiego-Win­free. Może nie jest to oczy­wi­ste na pierw­szy rzut oka, ale docho­dzi tutaj do zja­wi­ska zwa­nego samo­or­ga­ni­za­cją. Z począt­ko­wego stanu cha­o­tycz­nego (przy­pad­kowe roz­miesz­cze­nie i stan cząstek w wymie­sza­nych roz­two­rach) pow­staje jakiś rodzaj upo­rząd­ko­wa­nia. Pow­sta­jące oscy­la­cje są oczy­wi­stym przy­kła­dem upo­rząd­ko­wa­nia. Barwne fale są tego jesz­cze bar­dziej dobit­nym świa­dec­twem, ponie­waż docho­dzi tam dodat­kowo do upo­rząd­ko­wa­nia prze­strzen­nego zacho­dzących w ukła­dzie pro­ce­sów fizyko-che­micz­nych. Poni­żej przed­sta­wiam poklat­kowy fil­mik uka­zu­jący roz­prze­strze­nia­nie się fal reak­tyw­no­sci:

Ilustracja

źródło: ani­ma­cję stwo­rzy­łem na pod­sta­wie zdjęć zamiesz­czo­nych tutaj, dostęp: 03.08.2011

Samo­or­ga­ni­za­cja jest coraz czę­ściej brana pod uwagę jako klu­czowy pro­ces także w innych dzie­dzi­nach, na przy­kład przy two­rze­niu pew­nych struk­tur bio­lo­gicz­nych. Innym przy­kła­dem tego zja­wi­ska jest two­rze­nie pier­ścieni Lie­se­ganga i  reak­cja Briggsa-Rau­schera.

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa