Реакция Белоусова – Жаботинского

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева»

Факультет нефтегазохимии и полимерных материалов

Кафедра химической технологии основного органического и нефтехимического синтеза[pic 1]

Направление подготовки:

18.04.01 Химическая технология

Программа:

Химическая технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза

РЕФЕРАТ

на тему:

«Реакция Белоусова – Жаботинского»

Руководитель

А. Д. Черепанова

Обучающийся

А. И. Коркашова

Москва 2022

ВВЕДЕНИЕ

Реакция Белоусова – Жаботинского — это класс реакций, в ходе проведения которых ионы переходных металлов катализируют окисление различных, обычно органических, восстановителей бромной кислотой в кислом водном растворе. Вследствие чего невооруженным взглядом можно наблюдать периодическое изменение цвета раствора. Большинство реакций Белоусова-Жаботинского являются гомогенными. В настоящее время под этим названием объединяется целый класс родственных химических систем, близких по механизму, но различающихся используемыми катализаторами (, и комплексы ,), органическими восстановителями (малоновая кислота, броммалоновая кислота, лимонная кислота, яблочная кислота и др.) и окислителями (броматы, иодаты и др.) [1].[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5]

Колебательные реакции – это реакции, в которых могут наблюдаться периодические изменения концентраций реагирующих веществ или скоростей̆ реакции во времени. Данная реакция является типичным примером колебательных реакций, которая может генерировать до нескольких тысяч колебательных циклов в замкнутой системе, что позволяет изучать химические волны и закономерности без постоянного пополнения реагентов. Моделированием и численным исследованием которой̆ занимаются многие ученые, но до настоящего времени остается открытым вопрос разработки методов и алгоритмов решения обратных задач поиска и уточнения кинетических параметров реакции [2].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В начале 1950-х годов советский биохимик Б. П. Белоусов занимался разработкой простой химической модели окисления органических молекул в живых клетках. Центральное место в этих путях занимает цикл Кребса, при котором органические кислоты окисляются до и . В своей версии метаболизма в пробирке Белоусов использовал лимонную кислоту (один из промежуточных продуктов цикла Кребса) в качестве органического субстрата, ионы бромата () в качестве окислителя и ионы церия в качестве катализатора. Казалось, что реакция должна протекать монотонно до равновесия, переходя от бесцветного раствора (в восстановленном состоянии) к бледно-желтому (окисленное состояние, .Однако реакционная смесь стала желтой, затем бесцветной, затем снова желтой и бесцветной, десятки раз колеблясь между окисленным и восстановленным состояниями. Белоусов обнаружил, что частота колебаний увеличивается с повышением температуры [3]. Жаботинский заменил лимонную кислоту малоновой кислотой, чтобы создать наиболее широко используемую версию реакции. Он показал, что колебания цвета раствора были вызваны колебаниями концентрации Ce 4 + (рис. 1). Далее он обнаружил, что окисление с помощью является автокаталитической реакцией, и после накопления броммалоновой кислоты (BMA) возникают самоподдерживающиеся колебания концентрации [4].[pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13]

[pic 14]

Рис.1 Колебания концентрации [pic 15]

Механизм реакции весьма сложен с химической точки зрения и содержит десятки промежуточных стадий. Реакция Белоусова – Жаботинского состоит из двух основных частей:

1.Автокаталитическое окисление с помощью [pic 16][pic 17]

[pic 18]

2.Восстановление  с помощью малоновой кислоты (и ее бромпроизводных, которые образуются в ходе общей реакции).[pic 19]

[pic 20]

Продукты восстановления бромата, образующиеся на стадии 1, бромируют МA. Получающиеся бромпроизводные МА разрушаются с выделением  Бромид является сильным ингибитором автокаталитического окисления  из-за его быстрой реакции с автокатализатором, которым предположительно является  [5].[pic 21][pic 22][pic 23]