Научно-исследовательская работа

1. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
(«САМООРГАНИЗАЦИЯ И
САМОРЕГУЛЯЦИЯ В ДЕЙСТВИИ»)
Научно-исследовательская работа
Исполнитель
учащаяся 8«А» класса
ГУО «Клецкая средняя школа № 1»
Тихомай Екатерина Алексеевна
1

2. Актуальность темы исследования
Актуальность темы исследования
обусловлена желанием постигать
комбинацию принципов
классической, ковалентной и
новой, нековалентной химии,
которая открывает необозримые
возможности сотворения
химической архитектуры любого
масштаба.
2

3. Объект исследования:
колебательные реакции
 В соответствии с темой работы мы
ставим следующую цель и,
соответственно, задачи.
 ЦЕЛЬ исследования: изучить
возможность проведения колебательных
реакций в лабораторных условиях и
выявить основные закономерности
последовательного приготовления
необходимых растворов для
последующего проведения
колебательных реакций.
3

4. ЗАДАЧИ:
 1. Исследовать возможность
замены некоторых реактивов для
приготовления соответствующих
растворов;
 2. Приготовить необходимые
растворы и провести
колебательные реакции ;
 3. Исследовать время и число
колебаний с момента начала
колебательных реакций.
4

5. Методы исследования:
изучение научной литературы,
наблюдение, нагревание,
взвешивание, фильтрование,
растворение.
5

6. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ
РЕАКЦИИ
 Колебательные реакции – это целый класс
реакций окисления органических веществ с
участием катализатора, обладающего
окислительно-восстановительными свойствами.
Этот процесс протекает циклично т. е. состоит из
многократных повторений.
 Одна из первых публикаций по химическим
колебаниям относится к 1828 г.
 Колебательные химические реакции были
открыты и научно обоснованы в 1951 г. советским
учёным Борисом Петровичем Белоусовым.
6

7.  «Вы смотрите на стакан с
красно-лиловой жидкостью, а
он вдруг становится ярко-
синим. А потом снова красно-
лиловым. И снова синим. И вы
невольно начинаете дышать в
такт колебаниям. А когда
жидкость налита тонким слоем,
в ней распространяются волны
изменения окраски. Образуются
сложные узоры, круги, спирали,
вихри, или все приобретает
совершенно хаотический вид» –
так описывает эту гомогенную
колебательную химическую
реакцию профессор С.Э.Шноль,
сыгравший далеко не
последнюю роль в спасении ее
от незаслуженного забвения.
7

8.  Белоусов придумал такую реакцию,
проявив истинную гениальность
химика, которая, заметим, сродни
гениальности кулинара! Только
огромный опыт и необъяснимое чутье
могут подсказать, какие вещества и в
каких пропорциях надо смешать,
чтобы получить чудо. А чудо, в самом
деле, получилось! Жидкость в стакане
периодически меняла цвет: с синего на
желтый и опять на синий. Если же
проводить реакцию в тонком слое
жидкости, например, в чашке Петри, то
становилось видно, как по
поверхности жидкости бегут волны
изменения концентрации, образуя
причудливые, всё время
изменяющиеся узоры. Завораживающе
красивое зрелище!
8

9.  Остановить такую реакцию легко,
а запустить – только при
соблюдении множества условий.
Поэтому так долго
исследователям не удавалось их
обнаружить. В колебательный
режим может войти только та
система, которая далека от
состояния равновесия. 9

10. 10
Была выдвинута следующая гипотеза: проведение в
школьной лаборатории колебательных реакций
может подтвердить простейшую модель,
предложенную Пригожиным, которая имеет
колебательную динамику.
I A → X
II B + X → Y + D
III 2X + Y→ 3X (автокатализ)
IV X → E
V A + B → E + D
В основе экспериментальной части – проведение
4-х колебательных реакций, где четвёртая реакция
проводится в режиме замены одного из ингридиентов.

11. Основные этапы
экспериментальной части
11
ЭТАПЫ
Подготовка к
эксперимен-
там
№ 1 № 2
Подготовка
растворов для
следующих
этапов
№ 3 № 4

12. Эксперимент № 1
Колебательная реакция № 1
 Возьмём измельчённую таблетку гидроперита и
растворим в 4мл воды; добавим несколько
капелек настойки иода и еще - крахмального
клейстера до сильного "посинения" (готовится
кипячением ХОЛОДНОЙ суспензии крахмала).
 Второй раствор - это аскорбиновая кислота,
растворённая в воде
12

13. Меняется
цвет
13

14. 14
В СИНЕНЬКИЙ раствор капаем капельку другого - он становится прозрачным.
И вдруг... опять становится СИНИМ, почти черным.
Происходит окисление йода до иодноватой кислоты пероксидом водорода
5H2О2 + I2 = 2HIO3 + 4H2O
Восстановление иодноватой кислоты до иода пероксидом водорода
5H2O2 + 2HIO3 = I2 + 5O2 + 6H2О
Нам удалось обнаружить в данной системе колебания, имеющие в условиях
эксперимента затухающий характер. Реакция окисления иода до иодноватой
кислоты пероксидом водорода - автокаталитическая и протекает с высокой
скоростью; скорость реакции восстановления иодноватой кислоты до иода
пероксидом водорода относительно невелика.
Меняя число капелек аскорбиновой кислоты, добиваемся разной
длительности периодов прозрачности раствора.

15. 15
Таблица № 1
№
эксперимента
Окислитель Восстановитель Катализатор Период
прозрачности
( в с)
№ 1 (2 капли) H2О2 I2 - 90
№ 2 (4 капли) H2О2 I2 - 80
№ 3(6 капель) H2О2 I2 - 60
Средн. 77
Выводы:
1. Реакция удобна для лабораторных исследований.
2. Колебания можно легко наблюдать визуально, а их период находится в
пределах 60–90 с.
3. Увеличивая число капелек аскорбиновой кислоты, добиваемся
уменьшения длительности периодов прозрачности раствора.

16. Эксперимент № 2
Колебательная реакция № 2

16
В химическом стакане объемом 100
мл сливаем 50 мл 37 % конц.
соляной кислоты и 10 г дигидрата
хлорида меди (II), растворенного в
10 мл воды.
В бокале смешиваем
содержимое стакана и 10 мл 30 %
пероксида водорода.
2H2 O2 =2H2 O+O2 (CuCl2)

17. Пульсирующий бокал
17

18. 18.08.2017 18
Таблица № 2
№
эксперимента
Окислитель Восстановитель Катализатор Скорость
Колебаний
(колеб./мин)
№ 1 H2О2 H2О2 CuCl2 16
№ 2 H2О2 H2О2 CuCl2 24
№ 3 H2О2 H2О2 CuCl2 20
Средн. 20
Выводы:
1. В этом эксперименте полученный кислород вначале остается
растворенным. Если раствор перенасыщен кислородом, то он
вспенивается внезапно, и кислород высвобождается.
2. Средняя скорость колебаний – 20 колебаний в минуту.

19. Эксперимент № 3
Колебательная реакция № 3
 Реактивы:
 1. KMnO4 (перманганат калия).
 2. KВrO3 (калий
бромноватокислый или бромат
калия).
 3. H2SO4 (концентрированная).
 4. Лимонная кислота.
 5. Дистиллированная вода. 19

20. Наблюдаем изменение цвета
20

21. 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.
21

22. Выводы:
1. В эксперименте взаимодействия
перманганата калия, бромата калия и
лимонной кислоты в присутствии серной
кислоты наблюдается изменение следующее
изменение окраски: фиолетовый –
коричневый – жёлтый – коричневый.
2. Длительность эксперимента (около 30
мин) не позволяет его сделать
демонстрационным.
3. Средний период изменения окраски – 5
мин.
22

23. Эксперимент № 4
Колебательная реакция № 4
 1. Приготовим раствор № 1:
 возьмём 360 мл 30% раствора перекиси водорода;
доведём дистиллированной водой до объема 1
литр.
 2. Приготовим раствор № 2:
 растворим 43 грамма иодата калия (KIO3) в 600-700
мл подогретой дистиллированной воде;
 охладим полученный раствор и добавим по
каплям 4,4 мл концентрированной серной
кислоты;
 доведём раствор дистиллированной водой до
объема 1 литр.
23

24.  3. Приготовим раствор № 3:
 взболтаем в 10 мл воды навеску крахмала массой
0,3 грамма при помешивании и вольём
полученную взвесь в 100 мл кипящей воды;
 растворим отдельно в 700 мл воды 3 грамма
сульфата марганца или 4,8 г пентагидрата
сульфата марганца Мn SО4* 5Н 2О и 15,6 грамм
малоновой кислоты;
 добавим крахмальный раствор и доведём
дистиллированной водой до объема 1 литр.
 4. Смешаем растворы № 2 и № 3 , а затем быстро
при перемешивании прильём раствор № 1.
24

25. Приготовление
растворов
25

26.  Происходит резкое
периодическое изменение
окраски раствора от тёмно-
синего цвета к светло-
жёлтому и, наоборот, от
светло-жёлтого к тёмно-
синему и т.д. в течение 4
минут. За это время система
совершает до 20 колебаний.
 Брутто - реакция
описывается уравнением :
 IO3- + 2H2O2 + RH + H+ = RI +
2O2 + 3H2O
26

27. 27
Сначала (группа реакций А) иодат-ион взаимодействует с иодид-ионом в
присутствии Н+ с образованием иодистой и гипоиодистой кислот:
IO-3 + I- + 2H+ = HIO2 + HOI(А1)
Далее иодистая кислота реагирует с иодид-ионом, образуя гипоиодистую
кислоту:
HIO2 + I- + H+ = 2HOI (А2)
Гипоиодная кислота, в свою очередь, реагирует с иодид-ионом, образуя
свободный иод:
HOI + I- + H+ = I2 + H2O(А3)
Карбоновая (малоновая, лимонная, аскорбиновая) кислота иодируется
свободным иодом:
I2 + CH2(COOH)2 = ICH(COOH)2 + I- + H+ (А4)
IO-3 + 2I- + 3CH2(COOH)2 + 3H+ = 3ICH(COOH)2 + 3H2O(А)
Химический смысл этой группы реакций двойной: уничтожение иодид-иона и
синтез иодзамещённой кислоты.

28. 28
Реакции группы Б возможны лишь при отсутствии (малой концентрации)
иодид-иона. При взаимодействии иодат-иона с иодистой кислотой образуется
радикал IO.2.
IO-3 + HIO2 + H+ > 2IO.2 + H2O(Б1)
IO.2 реагирует с марганцом (II), окисляя его.
Иодистая кислота распадается на иодат-ион и гипоиодистую кислоту:
2HIO2 = > IO-3 +HOI + H+(Б3)
Гипоиодистая кислота иодирует малоновую кислоту:
HOI + CH2(COOH)2 > ICH(COOH)2 + H2O(Б4)
В итоге реакций группы Б образуется
иодзамещённая кислота и четырехвалентный
марганец.

29. 29
Таблица № 3
№
эксперимента
Окислитель Восстановитель Катализатор Скорость
Колебаний
(колеб./мин)
№ 1 H2О2 KIO3 МnSО4 4
№ 2 H2О2 KIO3 МnSО4 6
№ 3 H2О2 KIO3 МnSО4 5
Средн. 5
Выводы:
1. Происходит резкое периодическое изменение окраски раствора от тёмно-
синего цвета к светло-жёлтому и, наоборот, от светло-жёлтого к тёмно-
синему и т.д. в течение 4 минут. За это время система совершает до 20
колебаний.
2. Если заменить броммалоновую кислоту лимонной
[НОС(О)СН2]2С(ОН)С(О)ОН, то в присутствии каталитических количеств
солей марганца возникает система, в которой цвет пульсирует каждые две
минуты. Щавелево-уксусная кислота НОС(О)СН2С(О)С(О)ОН с солями
церия отсчитывает шестисекундные интервалы.
3. Колебательная химическая реакция - это каталитический окислительно-
восстановительный процесс, в котором роль катализатора выступают ионы
марганца Mn2+. Это многостадийный сложный каталитический процесс, в
результате которого образуются специфические пространственно-временные
структуры.
Появляется основание утверждать, что эволюция в значительной степени
связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

30. 30
Огромный интерес к колебательным реакциям связан с
функционированием биологических ансамблей – клеток, синапсов, нейронов. И
первое место здесь принадлежит исследованию систем связанных осцилляторов
(сердце – самая близкая нам биосистема химических осцилляторов). В
связанных осцилляторах реализуются яркие предельные режимы: смерть
осцилляторов, когда один из них «гасит» другой (инфаркт), «прыжки» от
порядка к хаосу (фибрилляции), синтез новой частоты или модуляция частот
(тахикардия).

31. 31
Яркий пример самоорганизованной и самоорганизующейся биохимической
системы – головной мозг, в котором химическая активность, и как следствие,
электрическая активность синапсов и нейронов великолепно
синхронизированны. В этом макрореакторе нормальным состоянием является
порядок, когерентность (хаос – это страшные патологии типа болезни
Альцгеймера). Идеальный порядок – это генерация мыслей, идей и это свойство
талантливого, гениального ума.

32. 32
В свете последних открытий в науке болезнь определяется как
информационный хаос в клетке и потерянная энергия биополя. Поэтому, чтобы
оздоровить организм, нужно восстановить исходную информацию о здоровье в
каждой клетке организма и восполнить потерянную энергию биополя.
Каждый орган в здоровом состоянии обладает своим собственным
спектром электромагнитных колебаний (частот). Когда орган болеет, эта частота
изменяется и несет информацию о болезни в каждую клетку организма, и
посылает искаженную энергию в пространство. В результате таких изменений в
биополе человека возникают участки болезненных, слабых частот, что
выражается в потере энергии.
Если орган получает частоту, с которой работал в здоровом состоянии, он
начинает работать по программе здоровой частоты и автоматически включается
механизм самовосстановления.

33. 33