webdonsk.ruРеакция бриггса раушера как сделать дома
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 09.09.2024
Работы по исследованию этой реакции можно сгруппировать следующим образом: изучение механизма реакции, исследование реакции с различными субстратами
и в различных средах (табл. б) и работы, посвященные методам исследования.
Таблица 6. Новые субстраты и среды в реакции Бриггса — Раушер
3.2.1. Исследования механизма реакции.
Фарроу и Нойес [74] рассмотрели подсистему иодат—пероксид водорода (работа Либавски 1931 г.) (в этой системе колебания впервые наблюдались Бреем в 1921 г.) как сочетание двух реакций:
Был детально обсужден механизм некаталитической реакции А и механизм той же реакции, катализируемой марганцем (II). При этом показано, что каталитическая реакция осуществляется в 103 раз быстрее, чем некаталитическая.
В дальнейшем теми же авторами [151] для всей системы была предложена подробная модель механизма, включающая 30 псевдоэлементарных стадий, 11 из которых определяют наблюдаемую колебательную реакцию: для семи из них определены экспериментально константы скорости, а для оставшихся четырех предложены величины, при использовании которых может быть правильно описано
поведение колебательной реакции. Этот механизм отличается от механизма других известных осцилляторов тем, что и радикальный, и нерадикальный путь оба приводят к одинаковому химическому изменению.
Де Кеппер и Эпштейн [53] выделили десять реакций в механизме для системы Бриггса — Раушера которые частично перекрываются с предложенными Нойесом и Фарроу [151] и Куком [47]. Были определены пределы начальных концентраций U и в которых осуществляются колебания, и проведен их расчет цифровым методом.
Реакция Бриггса — Раушера в связи с участием в ней молекулярного иода весьма чувствительна к свету. На основании измерений в проточном реакторе с перемешиванием (ППР) оптической плотности системы относительно средней интенсивности падающего света было найдено [97], что для правильного описания химических реакций необходимо учитывать влияние света, при котором проведена реакция.
3.2.2. Эксперименты с различными субстратами и средами.
В качестве нового субстрата для реакции Бриггса — Раушера, осуществляемой в фосфорной или серной кислоте, был предложен ацетоуксусный эфир (Датт и Банерджи [58]); при этом были определены пределы концентраций каждого компонента, при которых осуществляется реакция. Рассматриваемый механизм реакции аналогичен предложенному Нойесом с сотр. (см. [78] в списке литературы к ч. I книги) для реакции Белоусова — Жаботинского. Те же авторы (Датт и Банерджи [59]) сумели осуществить колебательную реакцию в среде хлорной кислоты и в среде фосфорной кислоты, содержащей хлорид-ионы При увеличении концентрации хлорид-ионов увеличивается продолжительность индукционного периода, а при достижении 0,04 М концентрации хлорид-ионов колебания прекращаются (см. также [47а]).
В работах Датта и Банерджи [60] приведены результаты исследования влияния температуры в диапазоне 280—320 К на поведение реакции Бриггса — Раушера, в которой в качестве органических субстратов использованы малоновая кислота, ацетилацетон (ацетилацетон
впервые был использован в этой реакции в их работе 1980 г. [57]) и этилацетоацетат. Увеличение температуры приводило к увеличению частоты колебаний.
При использовании в реакции Бриггса — Раушера метилмалоновой кислоты было найдено [71], что увеличение концентрации приводит к увеличению периода колебаний, а увеличение концентрации метилмалоновой кислоты и марганца уменьшению его. Тем же автором [73] исследовалась подсистема реакции Бриггса — Раушера без малоновой кислоты, в которой накопление иода осуществляется за счет введения кротоновой кислоты, и хотя в этой системе и не наблюдались колебания, само исследование безусловно полезно для понимания механизма колебаний в реакции Бриггса — Раушера.
Фарроу и Нойес [75] исследовали действие различных органических и неорганических реагентов, способствующих выводу из системы иода, присутствующего в ней в виде 12 и HOI. Было найдено, например, что реагенты, эффективно выводящие HOI, имеют вполне определенное влияние на подсистему иодат — пероксид водорода — Mn(II), из которой почти совсем не удаляют иодид-ионы и молекулярный иод. Исходя из этого, авторы заключили, что HOI — важный промежуточный продукт катализируемой марганцем(II) реакции А. В этом исследовании в качестве добавочных реагентов использовались малоновая кислота метилмалоновая кислота кротоновая кислота фенол акриламид , щавелевая кислота пирофосфат ион серебра бихромат и хлорид-ион.
3.2.3. Экспериментальная техника.
Для исследования реакции Бриггса — Раушера Бетеридж с сотр. [32] применили метод акустического излучения и описали изменение акустической энергии системы. Было показано, что наряду с колебаниями окраски раствора между голубой и бесцветной имеют место колебания изменения акустической энергии.
Химические реакции являются частью повседневной жизни. Человек сталкивается с их продуктами буквально на каждом шагу, но вряд ли об этом задумывается. Мы собрали 10-ку самых зрелищных химических реакций, которые, развлекут взрослых, а детей, возможно, подтолкнут к изучению химии.
1. Натрий и вода в газообразном хлоре
Натрий является очень горючим элементом, и простое добавление воды может привести к взрыву. В видео показано, как каплю воды добавляют к небольшому кусочку натрия в колбе, заполненной газообразным хлором. Желтый цвет испускаемого света связан с работой натрия, который часто используется в системах уличном освещении. В эксперименте также выделяется большое количество тепла. А если объединить натрий и хлор, то получится хлорид натрия – обычная поваренная соль.
2. Реакция магния и сухого льда
Магний воспламеняется очень легко и горит очень ярко. В этом эксперименте можно увидеть, как магний воспламеняется в оболочке из сухого льда - замороженного углекислого газа. Магний может гореть в двуокиси углерода и азоте. Из-за яркого света в процессе горения, магний использовался в при создании фотографических вспышек, и сейчас он все еще используется в морских сигнальных ракетах и фейерверках.
3. Реакция хлората калия и конфеты
Хлорат калия представляет собой соединение, содержащее калий, хлор и кислород. Он часто используется в качестве дезинфицирующего средства, а также в фейерверками и взрывчатых веществах. Когда хлорат калия нагревают до температуры плавления, любой элемент, добавленный к нему, вызовет быстрый распад в виде взрыва (как видно на видео). В процессе этого распада выделяется кислород. Из-за этого хлорат калия часто используется в самолетах, космических станциях и подводных лодках в качестве источника кислорода.
4. Эффект Мейснера
Когда сверхпроводник охлаждается до температуры ниже критического уровня, то он становится диамагнитным: т.е. он отталкивается от магнитного поля, а не притягивается к нему. Это открытие Мейснера привело к концепции магнитолевитационных поездов, когда поезд "парит" над рельсами, а не "использует колеса для езды".
5. Перенасыщение ацетатом натрия
Ацетат натрия при нагревании или охлаждении становится пересыщенным. Когда он вступает в контакт с другим объектом, то снова кристаллизуется. Эта реакция также вызывает высокую температуру, поэтому она имеет практическое применение в создании тепловых прокладок. Ацетат натрия также используется в качестве консерванта, чем придает чипсам их уникальный вкус. Речь идет о пищевой добавке E262 или диацетате натрия.
6. Сверхабсорбирующие полимеры
Сверхабсорбирующие полимеры (также известные как гидрогели) способны поглощать очень большие объемы жидкости по отношению к собственной массе. По этой причине, они используются в промышленном производстве подгузников, а также в других областях, требующих защиты от воды или жидкостей, к примеру при прокладке подземных кабелей.
7. Плавающий гексафторид серы
Гексафторид серы представляет собой бесцветный, без запаха, нетоксичный и негорючий газ. Поскольку он в 5 раз плотнее воздуха, то этот газ можно наливать в открытые контейнеры, а легкие предметы будут плавать на нем, как на обычной воде. Еще одним забавным применением этого безобидного газа является то, что он при вдыхании резко понижает голос - полная противоположность гелия.
8. Сверхтекучий гелий
При гелий охлаждается до минус 271 градуса по Цельсию, то он превращается в сверхтекучий гелий-II. Поскольку он проходит даже через даже сверхтонкие капилляры, то его вязкость невозможно измерить. Кроме того, гелий-II будет ползти вверх по стенкам контейнера в поисках более теплого места, что, как кажется, противоречит силе притяжения.
9. Термит и жидкий азот
Термит - порошкообразная смесь алюминия с оксидами различных металлов, которые производят так называемую термитную реакцию. Это не взрывчатое вещество, но оно может создавать короткие вспышки при очень высокой температуре. Горение при термитной реакции происходит при температуре в несколько тысяч градусов. В видео можно посмотреть попытку "погасить" термитную реакцию жидким азотом (минус 200 градусов).
10. Реакция Бриггса-Раушера
Реакция Бриггса-Раушера известна как осциллирующая химическая реакция. Свежеприготовленный бесцветный раствор медленно окрашивается в янтарный цвет, затем вдруг резко становится темно-синим. После этого он медленно становится бесцветным, и процесс повторяется примерно десять раз. Это связано с тем, что первая реакция создает определенные химические вещества, которые затем вызывают вторую реакцию, и процесс повторяется.
Недавно с целью популяризации химии был запущен проект Beautiful Chemistry (Красивая химия) , разработчики которого хотели открыть сложный мир химических реакций и структур для широкой публики.
Определенный интерес представляют гомогенные колебательные химические реакции с участием пероксида водорода - реакции Брея - Либавского и Бриггса - Раушера, основанные на проявлении двойственной роли H2O2 как окислителя и восстановителя.
В 1931 году Брей и Либавский и их сотрудники начали серию исследований по реакциям соединений иода с H2O2 [13]. Разложение пероксида водорода, катализируемое иодатом, включает в себя два процесса:
-окисление иода до иодноватой кислоты пероксидом водорода
-восстановление иодноватой кислоты до иода пероксидом водорода
Хотя эти реакции были впервые описаны Оже [13], только Брею в 1921 году удалось обнаружить в данной системе колебания, имеющие в условиях эксперимента затухающий характер. Реакция окисления иода до иодноватой кислоты пероксидом водорода - автокаталитическая и протекает с высокой скоростью; скорость реакции восстановления иодноватой кислоты до иода пероксидом водорода относительно невелика.
Система Брея - Либавского является первым известным гомогенным осциллятором и содержит мало компонентов.
Эти колебательные явления почти не привлекали внимания в течение последующих 15 лет. В 1951 году Перд и Каллис [13] подтвердили колебательное выделение О2 и измерили влияние каждого компонента на ее суммарную скорость. Они приписали колебания “очень необычному сочетанию химических и физических факторов”, включая улетучивание иода.
Шоу и Притчард [13] также наблюдали эти колебания, но утверждали, что для колебаний необходим свет, и оспаривали возможность существования гомогенных колебательных систем. Почти полвека продолжались попытки опровергнуть открытые Бреем периодические изменения в процессе взаимодействия иодат-пероксид водорода. Однако в 1967 году было подтверждено наличие колебаний в этой реакции и предложена математическая модель, описывающая колебания, подобные экспериментально наблюдаемым.
В конце 60-х годов Дегн, а также Дегн и Хиггинс [13] показали, что свет не является необходимым для возникновения колебаний; они также использовали Na2O2 и перегнанный H2O2 чтобы исключить влияние ингибиторов. Дегн считал, что, поскольку окисление I2 сильно подвержено влиянию галогенидов и ненасыщенных органических соединений, реакция, возможно идет по свободнорадикальному цепному механизму. На реакцию эти реагенты не влияли. Он отмечал также, что H2O2 ингибирует реакцию. Линдбладу и Дегну [13] удалось смоделировать колебательное поведение, используя гипотетическую схему реакций, включающую квадратичное размножение свободных радикалов. Однако ничего не было сказано по поводу химической природы переменных этой модели.
Шопен-Дюма [13] использовала проточный реактор постоянного перемешивания и регистрировала изменения потенциала с помощью электродной системы Pt |HgSO4| Hg. Она варьировала [H2SO4] и [KIO3] и температуру (50-95 0 С), очертила границы колебательной области и определила типы переходов к неколебательному поведению. Ею были также найдены области колебаний сложной формы.
Вавилин и др. [13] использовали иод - серебряный электрод и спектрофотометр для одновременной записи [I – ] и [I2]. Они также обнаружили область сложных колебаний. Шарма и Нойес представили данные, включая действие света и кислорода на эти колебания. Их статья 1976 года подводит итог проделанной работы и состояния знаний об этой системе на то время.
Исходный состав, состоящий из KIO3 (0,067 M), HClO4 (0,053 M), MnSO4 (0,0067 M), малоновой кислоты (0,050 М), H2O2 и 0,01 % крахмала, дает сначала бесцветный гомогенный раствор, который вскоре желтеет, быстро становится ярко - синим, затем обесцвечивается до прозрачного, и все это повторяется снова с частотой несколько колебаний в минуту. Осциллятор Бриггса - Раушера хорошо работает при комнатной температуре после небольшого периода индукции, и колебания происходят в течение примерно 5 - 10 минут. В растворе наблюдаются колебания значений потенциала платинового электрода.
Брутто - реакция описывается уравнением :
Эта реакция может осуществляться в условиях открытой системы. Помимо незатухающих колебаний в этом случае можно наблюдать резкие изменения концентраций, что указывает на существование полистационарности.
Жизнь полна чудес, большинство из которых мы никогда не увидим. От квантового уровня до космических масштабов, существуют силы, действующие на весь окружающий мир и постоянно изменяющие его. Большинство из этих взаимодействий заметны в повседневной жизни, однако под поверхностным слоем реальности расположен огромный мир, кишащий странными карикатурами известных научных принципов. В этом списке мы погрузимся в царство странностей, где естественные законы физики превращаются в кипящую смесь чистого чуда и любопытства.
По крайней мере, так было ранее, до открытия высокотемпературных сверхпроводников. Эти вещества обладают сложными кристаллическим структурами и обычно получаются при смешении керамики и меди с другими металлами. Эти вещества переходят в сверхпроводники около -160,59 °C или выше. Не особо тепло, но всё же такой температуры достичь легче.
9. Бусы Ньютона (Newton’s Beads)
Если вы возьмёте банку и наполните её длинной цепочкой из бус, вы сможете воссоздать этот феномен прямо у себя дома. Заполните всю банку бусами, затем потяните за один из концов цепочки и бросьте конец на пол. Сначала вы заметите то, что и ожидали – цепь начинает выпадать из банки. Но затем следует что-то неожиданное – вместо того, чтобы продолжать выскальзывать через край банки, бусы поднимутся в воздух как фонтан и будут дальше падать на пол из подвешенного состояния.
Это достаточно простой опыт, но в реальности выглядит очень интересно. В данном случае взаимодействуют три силы. Гравитация, конечно же, тянет ведущий конец цепи к полу. Каждая бусинка, сдавшая на волю гравитации, тянет за собой следующую бусинку – это вторая сила.
Однако внутри банки существует третья сила – банка на самом деле выталкивает бусы в воздух. Звучит невероятно, даже глупо, ведь банка совсем не двигается, но это объясняется природой самой цепи.
На самом основном уровне, цепь является последовательностью жёстких стержней, соединённых подвижным стыком. Представьте себе последовательность вагонов поезда. Гипотетически, если вы потянете вверх за конец вагона, он наклонится в плоскости осевой линии – передняя часть поднимется, а задняя опустится. В реальной жизни этого не происходит из-за того, что прямо под ним находится плотный слой земли. Вместо этого его задняя часть поднимается. В этом случае сила, земля фактически толкает его наверх, препятствуя повороту вагона. Если сила, поднимающая вагон, была пропорциональна весу вагона, сила, отталкивающая его от земли, подбросила бы вагон в воздух. На сайте Королевского научного общества есть ещё одно видео, объясняющее этот концепт в деталях.
8. Скульптуры из ферромагнитной жидкости (Ferrofluid Sculptures)
Феррофлюид в сочетании с магнитом является одним из самых поразительных веществ на всей планете. Сама жидкость, по сути, является намагниченными частицами, подвешенными в жидкости, обычно масле. Частицы являются наномасштабными – они настолько малы, что не могут магнитно воздействовать на другие частицы. В ином случае жидкость бы стала одним большим комком. Однако если жидкость поднести к мощному магниту, мы можем увидеть что-то волшебное.
7. Индукционный нагрев кубика льда
Индукционный нагрев – это процесс, в ходе которого ток высокой частоты проходит через катушку, образуя электромагнит, после чего полученные в результате вихревые токи проходят через проводящее вещество. Когда вихревые токи взаимодействуют с сопротивлением вещества, вступает в дело закон Джоуля-Ленца (Joule effect) – вырабатывается джоулево тепло. В данном случае проводником служит кусочек металла внутри кубика льда и тепло вырабатывается настолько быстро, что установка загорается до того, как лёд полностью растает.
Насколько быстро вырабатывается тепло? В зависимости от типа металла, индукционный нагрев может разогреть что-либо до 871 °C всего за полторы секунды при помощи 0,6 кВт на квадратный сантиметр поверхности. Через четыре секунды после начала видеоролика, внутренняя часть куба льда уже раскалилась докрасна, поэтому можно предположить, что тут либо применяется меньше мощности, либо применённый метал обладает меньшим электрическим сопротивлением. В любом случае, через ещё несколько секунд мы видим глюк в матрице – горящий лёд.
6. Мост из жидкого кислорода (Liquid Oxygen Bridge)
Точка кипения кислорода составляет -183 °C и при любой температуре выше этой кислород находится в состоянии газа, который мы все знаем и любим. Однако при более низкой температуре кислород заполучает интересные свойства. Если точнее, более плотная конфигурация молекул в жидком состоянии позволяет скрытым естественным свойствам кислорода проявить себя.
Хорошим примером этого является парамагнетизм кислорода. Парамагнитное вещество является магнитным, только если на него действует внешнее магнитное поле. В состоянии газа молекулы кислорода находятся слишком далеко друг от друга, чтобы на них воздействовали магниты. Но в состоянии жидкости, кислород ведёт себя рядом с магнитом как кусочек железа – свирепо кипящий, жидкий кусочек железа. При двух противоположно направленных магнитах, жидкий кислород образует мост посередине, что и можно увидеть в видеоролике. К сожалению, за этим сложно наблюдать долго, так как жидкий кислород быстро выкипает обратно в газ, как только сталкивается с комнатной температурой.
5. Реакция Бриггса-Раушера (Briggs-Rauscher Reaction)
Реакция Бриггса-Раушера является одной из самой впечатляющих в визуальном плане химических реакций в мире. Реакция является химическим осциллятором – в ходе реакции, вещество постепенно меняет свой цвет от прозрачного до янтарного, затем внезапно становится тёмно-синим, а затем обратно прозрачным – всё за одно колебание. Реакция продолжается несколько минут, сменяя цвет каждые несколько секунд.
До 30 различных реакций может проходить одновременно в ходе каждого колебания. Список веществ похож на список ингредиентов замороженной еды: сульфат марганца (II), малоновая кислота, крахмал, серная кислота, перекись водорода и йодноватая кислота это один из примеров, как добиться реакции (можно изменить некоторые кислоты или йодиты для получения других реакций).
Когда все вещества смешиваются, йодат превращается в йодноватистую кислоту. Когда появляется эта кислота, другая реакция превращает её в йодид и в свободный йод. Это вызывает первую смену цвета, придавая смеси янтарный цвет. Затем вещество продолжает выделять йодид. Когда йодида становится больше йода, они образовывают трёхйодистое соединение. Соединение вступает в реакцию с крахмалом, что переводит смесь в тёмно-синий цвет.
В этом видео меньше объяснений, чем в первом, но можно намного лучше рассмотреть отдельные стадии.
4. Воины Катушки Тесла (Tesla Coil Warriors)
Большинство из нас слышали о Николе Тесла (Nicola Tesla), блестящем гении электрических инновации и жертвы мерзких случаев чёрного пиара со стороны конкурентов. Большинство из нас также знакомы с катушками Тесла – устройством, производящим высокое напряжение высокой частоты, сопровождая это всё красочными искрами.
Современные катушки Тесла зачастую вырабатывают ток напряжением в 250 000 – 500 000 Вольт. Большинство развлекательных устройств сдерживают сильное магнитное поле клеткой Фарадея, являющейся заземлённой клеткой, равномерно распределяющей ток. Из-за того, что электрическое напряжение характеризуется разностью потенциалов, внутри клетки Фарадея не будет тока. Любой внутри клетки может безопасно сесть на электрический стул и с ним ничего не случится.
3. Синусоида и кадровая частота (Sine Waves And FPS)
Акустические волны обладают невероятным свойством заставлять другие объекты соответствовать их частоте. Если вы когда-то слушали музыку с мощными басами в вашей машине, вы, скорее всего, заметили, как зеркала колеблются в такт со звуковыми волнами. То, что происходит в видео выше, фактически является тем же феноменом, хотя конечный результат намного более эффектный.
Синусоида 24 Гц проходит через спикер под водяным шлангом. Шланг начинает вибрировать со скоростью 24 раза в секунду. Когда вода выходит из него, она образует волны, соответствующие частоте 24 Гц. Однако, вот в чём трюк: в реальной жизни, вы бы увидели, что вода просто изгибается по пути к земле.
Настоящим трюком тут является камера – феномен смещённой перспективы. Снимая текущую воду с кадровой частотой 24 кадра в секунду, мы получаем картинку застывшего в воздухе потока воды. Каждая волна воды попадает в одно и то же место 24 раза в секунду. На видео создаётся ощущение, что одна и та же волна находится в воздухе без движения, хотя на самом деле каждый кадр на её место приходит новая порция воды. Если изменить частоту синусоиды до 23 Гц создастся впечатление, что вода течёт обратно в шланг из-за небольшого несоответствия между кадровой частотой камеры и синусоидами.
2. Капельница лорда Кельвина (Lord Kelvin’s Thunderstorm)
Капельница Кельвина или гроза Кельвина была впервые сооружена в 1867 году и это достаточно простое устройство. Вода из двух банок капает в два индуктора с различным зарядом – один с положительным, другой с негативным. Внизу собираются заряженные капли воды, после чего из текущей воды можно получить электрический потенциал. Дешёвая энергия, либо хотя бы маленькая искра, которой можно удивить своих друзей.
Каким образом это работает?
При изначальном состоянии, один из индукторов (медные кольца в видео) обладает небольшим естественным зарядом. Предположим, что индуктор справа обладает небольшим отрицательным зарядом. Когда через него проходит капля воды, позитивные ионы воды будут притягиваться к поверхности капли, а положительно заряженные ионы оттолкнутся в центр, благодаря чему капля получит положительный заряд на поверхности.
Когда положительная капля падает в коллектор справа, она немного заряжает воду и передаёт положительный заряд через проволоку в индуктор слева, давая ему положительный заряд. Теперь левая сторона создаёт отрицательные капли воды, которые далее подзаряжают отрицательный индуктор справа. Эти заряды постепенно накапливаются в обеих сторонах до тех пор, пока разность потенциалов не достигнет момента, необходимого для вызова разряда – искры между двумя коллекторами (или двумя медными шарами в видео).
Отбросив научную часть, самый забавный побочный эффект этого устройства случается в индукторах. С ростом заряда, они начинают притягивать противоположные ионы воды настолько сильно, что маленькие капли воды выпрыгивают и вращаются вокруг индуктора, как мотыльки вокруг лампы.
1. Разложение ртути (Decomposing Mercury)
Это самое странное явление, которое вы увидите за сегодня.
В профессиональном плане тиоцианат ртути имеет несколько применений. Его в небольших количествах применяют в ходе нескольких видов химического синтеза, а также с его помощью можно определять наличие хлора в воде. Но с другой стороны, тиоцианат ртути также является несдержанным эксгибиционистом. Когда вещество распадается, вырабатываются азотированный углерод и пары ртути – ужасающе токсичная смесь. В 1800-х годах его продавали в качестве фейерверков, пока несколько детей не погибло от того, что приняли вещество внутрь.
Однако его репутация сохранилась и по хорошей причине. Хорошего способа объяснить, что происходит в этом видео, не существует – тиоцианат ртути просто начинает разлагаться от тепла. При контакте огня с порошковым соединением начинается цепная реакцию, которая закончится только в ваших кошмарах. Наслаждайтесь.
Читайте также: