J . S o p o u š e k ú l o h a
/1/
10b
10. Katalýza
10.b. Sledování chemických oscilací reakce Bělousov-Žabotinský
Reakce Bělousov-Žabotinský (BZ) probíhá za katalýzy podle celkové rovnice
3CH2(CO2H)2 +
4BrO3
→
4Br+
9CO2 +
6H2O (1.1.)
Existují různé varianty
této reakce lišící se
použitou organickou
kyselinou či
katalyzátorem (nejčastěji
se používají kationty
𝐶𝐶𝐶𝐶4+
𝐶𝐶𝐶𝐶3+
)⁄ , použití
bromičnanu je nutno
dodržet. Podrobný rozbor
této oscilující reakce lze
nalézt v odborné
literatuře.
Celková reakce BZ je
výsledkem dílčích reakcí propojených do otevřených cyklických a lineárních sekvencí se
zpětnou vazbou. Při vhodné volbě koncentrací reaktantů reakce BZ přechází
z inkubační do oscilační fáze (viz OBRÁZEK 1), která může trvat i několik minut.
Reakční koordináta vedoucí od výchozích látek k produktům je v oscilační fázi
přepínána změnou koncentrace aniontů 𝐵𝐵𝐵𝐵−
. Tato vlastnost reakční směsi se projevuje
periodickými změnami koncentrací meziproduktů (chemickými oscilacemi) a kolísáním
reakčních rychlostí reaktantů i produktů v čase. Vyneseme-li jednu oscilující veličinu na
jiné také oscilující získáme tzv. atraktor.
Vznik oscilací závisí na výchozích koncentracích reaktantů, zejména aniontů Br,
která
by měla být okolo 10-4
M. Oscilace se projevují i na periodické změně dalších vlastností
reakční směsi. Lze například sledovat i oscilace v absorpčním spektru 𝐶𝐶𝐶𝐶4+
(žluté
zbarvení roztoku díky absorpci okolo 330nm) nebo ve spektru přidaného oxidačně
redukčního indikátoru (např. ferroinu). Perioda a tvar oscilačních vln je dána také
teplotou a výchozími koncentracemi reaktantů.
ÚKOL: Stanovte oscilující závislosti koncentrace aniontů 𝐵𝐵𝐵𝐵−
a oxidačně
redukčního potenciálu 𝐸𝐸𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 na čase v katalytické systému BZ. Určete oscilační
periodu. Sestavte reakční atraktor. Posuďte, jak se projeví přídavek oxidačně
redukčního katalyzátoru (ferroinu) do reakční směsi. Můžete experimentovat i
s přídavkem aniontů 𝐵𝐵𝐵𝐵−
nebo 𝐶𝐶𝐶𝐶4+
.
POTŘEBY A CHEMIKÁLIE: bromidová iontově selektivní elektroda (Br-ISE), platinová
oxidačně redukční elektroda, potenciometr pro paralelní měření potenciálu
elektrod (např. Seven Multi od firmy Mettler Toledo), PC s programem pro sběr dat.
Elektromagnetická rotační mícháčka s míchadlem, 2 vyšší kádinky 100 ml, stojan

OBRÁZEK 1: Závislost signálů BrISE
a oxidačně redukční Pt
elektrody na čase.
?

ú l o h a J . S o p o u š e k
/2/
10b
s držákem elektrod. 0,006M Ce(SO4)2 .4H2O v 1,5 M H2SO4, 0,187M KBrO3 v 1,5 M
H2SO4, 0,807M kyselina malonová (nebo 0,825M kys. citrónová) v 1,5 M H2SO4,
indikátor ferroin (CAS No 14634-91-4) ve vodě, 0,02M KBr, 3 pipety 20ml.
POSTUP: Zapneme počítač a seznámíme se s programem na sběr dat i s
obsluhou potenciometru.
Oscilace s přítomností indikátoru.
a) Kombinované elektrody (Br-ISE a platinovou) vyjmeme z uchovávacích roztoků
a upevníme je do držáků. Zkontrolujeme spojení elektrod s potenciometrem a
propojení potenciometru s pořítačem.
b) Smísíme 20ml roztoku 0,006M Ce(SO4)2.4H2O v 1,5 M H2SO4 s 20ml roztoku
0,807M kys. malonové v 1,5 M H2SO4 (vznikne roztok I). Přidáme malou pipetou
0,5ml indikátoru ferroinu.
c) Do kádinky s roztokem I vložíme míchadlo, vše položíme na elektromagnetickou
míchačku. Obě elektrody ponoříme do roztoku I tak, aby nemohlo dojít
k poškození elektrod otáčejícím se míchadlem.
d) Zapneme míchání a spustíme sběr signálů z elektrod.
e) Pipetou přidáme 20ml 0,187M KBrO3 v 1,5 M H2SO4 (roztok II).
f) Sledujeme inkubační periodu a dále oscilace provázené změnou barvy indikátoru
a změnami signálů Br-ISE a Pt elektrody. Zaznamenáme cca 20 cyklů pro Pt a
Br- elektrodu.
Oscilace bez indikátoru.
a) Postupujeme stejně jako v předchozím experimentu, ale nepřidáváme ferroin.
b) Barevné změny jsou jiné. Žluté zabarvení je důsledek přítomnosti iontů Ce4+
.
PROTOKOL: GRAFY 1-4: závislosti potenciálů elektrod na čase (signály z Pt
elektrody a Br- elektrody s ferroinem i bez ferroinu). GRAF 5 - 6: Zobrazení
atraktoru oscilací ve fázovém prostoru (tj. závislost napětí kombinované Pt elektrody na
signálu Br- ISE) DÁLE: průměrná hodnota oscilační periody (Pt elektrody a Br-ISE
elektrody s ferroinem i bez ferroinu).

