Знаменитая реакция второй половины 20-го века

Одна из самых знаменитых реакций второй половины XX века проводится следующим образом: смешивают 2,0 г лимонной кислоты, 0,16 г сульфата церия(III), 0,20 г бромата калия, 2,0 мл водного раствора серной кислоты (1:3) и добавляют воду до объема 10 мл. Если полученный раствор хорошо перемешать, то наблюдается периодическое изменение окраски от бесцветной до желтой и обратно. Если же эту реакцию проводить в присутствии фенантролинового комплекса железа (смеси о-фенантролина и соли Мора), то цвет раствора меняется от красного к синему и обратно. По данным химического анализа один из продуктов реакции — пентабромацетон.

1) Напишите электронно-ионное уравнение реакции окисления лимонной кислоты броматом калия в кислой среде.

2) Предложите свои соображения о том, почему наблюдается периодическое изменение цвета. Какова роль сульфата церия?

3) Почему изменяется цвет раствора при добавлении фенантролинового комплекса железа?

4) Как называется описанная реакция?

Решение

1) Лимонная кислота

Лимонная кислота

окисляется до пентабромацетона и углекислого газа:

C6H8O7 + 5Br — 12ē → C3HBr5O + 3CO2 + 7H+

Окислитель — бромат калия:

BrO3 + 6H+ + 6ē → Br + 3H2O

Если второе уравнение умножить на два и сложить с первым, получим суммарное электронно-ионное уравнение:

C6H8O7 + 2BrO3 + 5H+ + 3Br → C3HBr5O + 3CO2 + 6H2O

2) Периодическое изменение цвета происходит потому, что в системе протекает колебательная реакция. Концентрации ионов Ce3+ и Ce4+ являются периодическими функциями от времени. Бесцветная окраска раствора соответствует преобладанию Ce3+, а желтая — преобладанию Ce4+. Примерный механизм реакции (по Б.П. Белоусову) выглядит следующим образом:

а) Бромат калия окисляет церий(III) до церия(IV):

6Ce3+ + BrO3 + 6H+ → 6Ce4+ + Br + 3H2O

б) Церий(IV) окисляет лимонную кислоту:

Окисление лимонной кислоты

в) Бромат калия окисляет бромид-ион до свободного брома:

BrO3 + 5Br + 6H+ → 3Br2 + 3H2O

г) Бром реагирует с ацетондикарбоновой кислотой с образованием пентабромацетона:

Пентабромацетон

Эта последовательность реакций повторяется до тех пор, пока в системе есть лимонная кислота и бромат калия: эти два вещества расходуются необратимо. Ионы церия играют роль катализатора, промежуточного продукта, облегчающего окисление лимонной кислоты броматом калия. Концентрация этих ионов то увеличивается, то уменьшается, в зависисмости от того, какая из первых двух реакций преобладет в данный момент.

3) Фенантролиновый комплекс железа(II) — окислительно-восстановительный индикатор. Под действием ионов Ce3+ он превращается в соединение красного цвета, а под действием ионов Ce4+ — в соединение синего цвета.

4) Эту реакцию называют реакцией Белоусова-Жаботинского, в честь двух российских химиков. Б.П. Белоусов открыл данную реакцию в 1951 г., а А.М. Жаботинский в 1961 г. усовершенствовал её методику.

[свернуть]

Добавить комментарий