Экспериментальная часть. 
Колебательные химические реакции

Реакция взаимодействия лимонной кислоты с броматом калия:

Реактивы:

• 1. KMnO₄ (перманганат калия).
• 2. KВrO₃ (калий бромноватокислый или бромат калия).
• 3. H₂SO₄ (концентрированная).
• 4. Лимонная кислота.
• 5. Дистиллированная вода.

Ход работы: Навеску лимонной кислоты — 2 г растворили в 6 мл H₂O. В полученный раствор добавили навеску калия бромноватокислого — 0,2 г и долили 0,7 мл концентрированной серной кислоты. Затем внесли 0,04 г перманганата калия и довели объем полученного раствора до 10 мл дистиллированной водой. Тщательно перемешали до полного растворения реактивов.

Наблюдения: Сразу после добавления KMnO₄ раствор приобрёл фиолетовую окраску и начал «кипеть». Через 25 с, при бурном кипении, цвет раствора стал меняться на коричневый. С течением реакции раствор постепенно светлеет — вплоть до светло-желтого цвета. Через 3 мин 45 с начинается резкое потемнение раствора (похоже на диффузию жидкости высокой плотности), и через 40 с раствор снова становится полностью коричневым. Далее все повторяется с периодом 4,5 мин — 5 мин. Через довольно большой промежуток времени реакция начинает замедляться, затем и прекращается вовсе (раствор жёлтого цвета).

Колебательные окислительно-восстановительные реакции:

Реактивы:

1. FeSO4. 7H2O кристаллический гептагидрат сульфата железа (II) или

Fe (NH₄)₂(SO₄)₂ ^. 6H₂O (соль Мора) гексагидрат сульфата диаммония;

железа (II).

• 2. Ce (NO₃)₃ ^. 6H₂O гексагидрат нитрата церия (III)
• 3. KBr водный раствор бромида калия (2 моль/л, или 12 г на 50 мл воды)
• 4. KBrO₃ насыщенный раствор бромата калия (около 10 г на 100 мл воды)
• 5. H₂SO₄ концентрированная серная кислота
• 6. CH₂(COOH)₂ водный раствор малоновой кислоты (5 моль/л, или 52 г в 100 мл воды)
• 7. C₁₂H₈N₂ (phen) о-фенантролин
• 8. дистиллированная вода

Посуда и приборы: Полилюкс с экраном, стеклянная пластинка размером 25Ч25 см, чашка Петри, мерная колба емкостью 100 мл, колба Эрленмейера емкостью 250 мл с пришлифованной пробкой, шесть пипеток, бюретка, стеклянная палочка, промывалка, фильтровальная бумага.

Описание опыта: Для демонстрации эксперимента предварительно готовят растворы, А и Б.

Раствор А — раствор ферроина — комплекса железа (II) с о-фенантролином (phen). В мерную колбу емкостью 100 мл вносят 0,70 г гептагидрат сульфата железа (II) (или 0,99 г соли Мора) и 1,49 г о-фенантролина, доводят объем раствора водой до метки и перемешивают. Раствор приобретает красный цвет за счет образования фенантролинового комплекса железа (II):

Fe2+ + 3 phen = [Fe (phen)3]2+

Раствор Б — раствор броммалоновой кислоты (готовится непосредственно перед демонстрацией). В коническую колбу с пришлифованной пробкой вводят 3,3 мл раствора бромида калия, 5 мл раствора малоновой кислоты и 5 мл концентрированной серной кислоты. Полученный раствор титруют из бюретки насыщенным раствором бромата калия при перемешивании после добавления каждой порции титранта, добиваясь исчезновения коричневой окраски за счет выделения брома в параллельно протекающей реакции конмутации:

BrO3- + 5Br- + 6H+ = 3Br2 + 3H2O

3Br₂ + 2CH₂(COOH)₂ + 2H₂O = BrCH (COOH)₂ + HCOOH + CO₂^ + 5HBr

Общий объем раствора бромата калия, пошедшего на титрование, должен составлять около 7,5 мл. Образующаяся броммалоновая кислота неустойчива, однако некоторое время ее можно хранить при температуре 510⁰ С.

Для непосредственной демонстрации опыта на стеклянную пластинку, закрывающую световое окно полилюкса, ставят чашку Петри, в которую последовательно вносят с помощью пипеток 10 мл насыщенного раствора бромата калия, 4 мл раствора броммалоновой кислоты и 1,5 мл раствора ферроина. В течение нескольких минут на красном фоне появляются голубые пятнышки за счет образование фенантролинового комплекса железа (III) [Fe (phen)₃]³⁺ в результате окисления соответствующего комплекса железа (II):

6[Fe (phen)₃]²⁺ + 6H₃O⁺ + BrO₃— = 6[Fe (phen)₃]³⁺ + 9H₂O + Br;

Этот процесс является самоускоряющимся. Образующийся комплекс [Fe (phen)₃]³⁺ окисляет броммалоновую кислоту с образованием бромид-ионов:

4[Fe (phen)3]3+ + BrCH (COOH)2 + 7H2O =

= 2CO2^ + 5H3O+ + Br- + HCOOH + 4[Fe (phen)3]2+.

Выделяющиеся бромид-ионы являются ингибиторами реакции окисления комплексов железа (II) бромат-ионами. Только когда концентрация комплексных ионов [Fe (phen)₃]²⁺ становится достаточно высокой, ингибирующая активность бромид-ионов преодолевается, и раствор становится голубым за счет образования комплекса железа (III). Процесс повторяется снова и снова, поэтому и окраска раствора периодически изменяется из голубой в розовую, или наоборот. Изменение окраски начинается с появлением на розовом фоне голубых пятнышек, от которых во все стороны расходятся концентрические волны окраски. С течением времени скорость изменения окраски уменьшается и, в конце концов, процесс затухает. При этом на экране можно наблюдать появление «черных точек»? проекций пузырьков выделяющегося диоксида углерода.

Диапазон окрасок можно расширить, если добавить в чашку Петри несколько кристаллов гексагидрата нитрата церия (III) Ce (NO₃)₃ ^. 6H₂O. Тогда, помимо голубой и розовой окраски, можно наблюдать желтое (за счет образования соединений церия (IV)) или зеленое окрашивание (вследствие нало наложения желтого и голубого цвета):

• 6Ce3+ + BrO3- + 15H2O = 6[Ce (OH)2]2+ + Br- + 6H3O+
• 4[Ce (OH)2]2+ + BrCH (COOH)2 + 3H3O+ =

= 2CO2^ + Br- + HCOOH + 4Ce3++ 9H2O.

При нагревании скорость реакций возрастает, а смена окрасок убыстряется.

Примечание. Фенантролин представляет собой гетероциклическое соединение с двумя атомами азота, обладающими неподелёнными парами электронов и способными к координации. В комплексных соединениях с железом о-фенантролин играет роль бидентатного лиганда и образует прочные комплексы хелатного типа.