Die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Oszillierende chemische Reaktionen sind von besonderem Interesse für die Wissenschaft. Ihr Verhalten ist u. a. für die Chaosforschung von Bedeutung, denn solche Reaktionssysteme sind immer komplex und weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht. Bei der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion läßt sich die auftretende Potentialänderung verfolgen. (SF)

Einleitung

Die bisher am besten untersuchte oszillierende Reaktion ist die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion - im Folgenden kurz BZR genannt. Es handelt sich dabei eigentlich um eine Klasse von Reaktionen, bei denen in jedem Fall eine Dicarbonsäure durch Bromat in saurer Lösung ox idiert wird, wobei als oszillierender Katalysator ein Redoxsystem anwesend ist, dessen oxidierte und reduzierte Form sich nur um eine Oxidationsstufe unterscheiden (vgl. [1]).
Solche Systeme sind z. B. Ce(III)/Ce(IV), Mn(II)/Mn(III) oder Fe(phen)₃³⁺ /Fe(phen)₃²⁺ (vgl. [2]). Benannt wurde diese Reaktionsklasse nach den beiden sowjetischen Wissenschaftlern Boris Belousov, welcher die erste dieser Reaktionen entdeckte, und Anatol Zhabotinsky, welcher ihre Bedeutung erkannte und zeigte.

Ein Modell

Am Beispiel einer einfachen einseitig verlaufenden Reaktionsfolge erklärt Prof. Dr. R. Reich (vgl. [1]) das Phänomen der Oszillation in chemischen Reaktionssystemen:
A -> X -> Y -> E
Ohne Autokatalyse stellt sich bei konstanter Konzentration des Ausgangsstoffes ein stationäres Fließgleichgewicht ein. Katalysiert X seine eigene Bildungsreaktion, steigt dessen Konzentration immer weiter an. Wird aber auch die Bildung von Y autokatalytisch beschleunigt wird die Zunahme von c_x gebremst; denn irgendwann ist die Bildungsgeschwindigkeit von X -> Y höher als die von A -> X. Dann nimmt c_x ab, bis die Konzentration so niedrig ist, dass c_y rückläufig wird. Dabei verläuft die zeitliche Änderung der Konzentration des einen Zwischenprodukts proportional zum Abstand der Konzentration des anderen Zwischenprodukts von ihrem Sollwert. Auf diese Weise oszillieren die Konzentrationen um ihre Sollwerte.
Die bisher bekannten chemischen Oszillationen verlaufen komplizierter als durch dieses Modell beschrieben, die Oszillation an sich kann aber so erklärt werden (vgl. [1]).

Reaktionen

Für die BZR sind drei Prozesse ausschlaggebend:
A) Verbrauch von Bromidionen,
B) Bildung von Cer(IV)-Ionen,
C) Bildung von Bromid unter Verbrauch von Cer(IV)-Ionen

Bei diesen Prozessen finden folgende Reaktionen statt:
Prozess A:

1. Br^- + BrO₃^- + 2 H⁺ --> HBrO₂ + HBrO
2. Br^- + HBrO₂ + H⁺ --> 2 HBrO
3. (Br^- + HBrO + H⁺ --> Br₂ + H₂O)*3
4. (Br₂ + CH₂(COOH) ₂ --> BrCH(COOH) ₂ + Br^- + H⁺)*3

Summe (I.-IV.): 2 Br^- + BrO₃^- + 3 CH₂(COOH) ₂ + 3 H⁺ --> 3 BrCH(COOH) ₂ + 3 H₂O

Prozess B:

1. HBrO₂ + BrO₃^- + H⁺ --> 2 ^.BrO₂ + H₂O
2. (^.BrO₂ + Ce³⁺ + H⁺ --> Ce⁴⁺ + HBrO₂)*2
3. Summe(I.+II.): HBrO₂ + BrO₃^- + 3 H⁺ + 2 Ce³⁺ --> 2 Ce⁴⁺ + 2 HBrO₂ + H₂O
4. 2 HBrO₂ --> HBrO + BrO₃^- + H⁺
5. HBrO + CH₂(COOH)₂ --> BrCH(COOH) ₂ + H₂O
   (in Abwesenheit von Bromidionen)

Summe (III.-V.): BrO₃^- + CH₂(COOH)₂ + 4 Ce³⁺ + 5 H⁺ --> 4 Ce⁴⁺ + BrCH(COOH) ₂ + 3 H₂O
(Gleichung III geht zweimal in die Bilanz ein.)

Prozess C: Dieser Prozess wurde bisher nicht vollständig erklärt.

postulierte Gesamtreaktion:
2 Ce⁴⁺  + 2 BrCH(COOH) ₂  + CH₂(COOH) ₂ + 3 H₂O  --> 2 Br^- + 2 Ce^3 + + 3 HOCH(COOH) ₂ + 4 H⁺
(vgl. hierzu [1])

Versuch

Die experimentelle Durchführung des Versuchs geschah nach den Anleitungen von F. Kappenberg (s. [3]).

Materialien und Chemikalien

Material: PC, ALL-CHEM-MISST, serielles Kabel, Vollpipette (2ml), Becherglas (400ml), 4 Bechergläser (100 ml), 2 Experimentierkabel, Platinelektrode, Kupferelektrode, Stativ, 2 Muffen, 2 Greifklemmen, Magnetrührer, Rührmagnet

Chemikalien: KBrO₃, Malonsäure, KBr, Schwefelsäure (konz), Ferroin-Indikatorlösung, c=1/40 mol/l, dest. Wasser

Durchführung

Zunächst werden vier Lösungen vorbereitet:
A) 6,75 g KBrO₃ in 80 ml Wasser
B) 15, 6 g Malonsäure in 100 ml Wasser
C) 1,3 g KBr in 70 ml Wasser
D) 14 ml H₂SO₄ (konz) in 70 ml Wasser
Die vier Lösungen werden in das Becherglas gegeben und der Magnetrührer angestellt. Die beiden Elektroden werden so befestigt, dass sie in die Lösung eintauchen. Nachdem die anfängliche Braunfärbung verschwunden ist, werden noch 2 ml Ferroin-Lösung zugegeben und die Messwertaufnahme am Computer gestartet. Es wird eine potentiometrische Messung durchgeführt (vgl. [3]).

Beobachtung

Nach Zugabe des Ferroin-Indikators färbt sich die Lösung rot. Sobald die gemessene Spannung ansteigt, tritt eine rasche Blaufärbung auf, die nach kurzer Zeit wieder verschwindet, so daß die ursprüngliche, rote Farbe zu sehen ist. Die folgende Darstellung zeigt das Ergebnis einer potentiometrischen Verfolgung der Reaktion.

Deutung

Ausschlaggebend für die Farbe der Lösung und die Höhe der Spannung ist das Ferroin. Dies ist ein intensiv rot gefärbter Komplex aus einem Eisen(II)-Ion und 3 Phenantrolin-Molekülen. In der oxidierten Form ist der Komplex blau gefärbt. Die Bildung der Eisen(III)-Ionen wird durch Bromidionen inhibiert, solange deren Konzentration einen bestimmten Wert übersteigt. Die Bromidionen werden in Prozess A verbraucht (siehe: Reaktionen), folglich überwiegt die autokatalytische Bildung der Eisen(III)-Ionen bei Unterschreitung des kritischen Wertes. Die Bildung von Bromidionen unter Verbrauch von Eisen(III)-Ionen wurde bisher noch nicht vollständig geklärt.

Quellen

[1] Reich, Roland: Oszillierende chemische Reaktionen. In: MNU, 43. Jahrgang 1990, Nr. 3, S. 145-152
[2] Field, Richard J.: Schneider, Friedemann W.: Oszillierende chemische Reaktionen und nichtlineare Dynamik In: Chemie in unserer Zeit, 22. Jahrgang 1988, Nr. 1, S. 17 - 29
[3] Kappenberg, F.: Materialien für den Chemieunterricht - Band II, Analytik. 1. Auflage 1992
[4] Hrsg.: Falbe, Jürgen; Regitz, Manfred: Römpp Chemie Lexikon. Thieme, Stuttgart, New York 1995, Seite 1331

Ausgearbeitet im Rahmen der Chemie-AG des Käthe-Kollwitz-Gymnasiums Wilhelmshaven von Stefan Freudenberg.
Letzte Änderung: 14.04.1997
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