Ik ben nu bezig voor mijn profielwerkstuk met als onderwerp 'De Briggs-Rauscher reactie'. De Briggs-Rauscher reactie is een oscillerende reactie (veranderd dus steeds van kleur).
Tot nu toe ben ik al erg ver met het uitvogelen hoe het reactiemechanisme in zijn werk gaat.
dit is wat ik tot nu toe heb:
De totaalreactie:
IO3- + 2 H2O2 + CH2(COOH)2 + H+ ICH(COOH)2 + 2 O2 + 3 H2O
Deze reactie kan worden opgedeeld in 2 andere reacties:
1) IO3- + 2 H2O2 + H+ HIO + 2 O2 + 2 H2O
2) HIO + CH2(COOH)2 ICH(COOH)2 + H2O
De 1e (1) van deze 2 reacties kan via 2 mechanismen verlopen. Het "radical" mechanisme en het "non-radical" mechanisme. Het "radical" mechanisme verloopt vele malen sneller dan het "non-radical" mechanisme, en creëert hierbij veel meer HIO dan het "non-radical" mechanisme. Er zit echter wel 1 voorwaarde aan en dat is dat de [I-] laag moet zijn. Zodra de [I-] te hoog wordt neemt het "non-radical" mechanisme de reactie over. Maar het "non-radical" mechanisme maakt HIO veel langzamer aan dan het "radical" mechanisme. Na een tijdje zal de [I-] weer dalen, en zal het "radical" mechanisme het weer overnemen. De stijging in de [I-] ontstaat doordat een overmaat aan HIO door middel van H2O2 wordt omgezet in I-.
HIO + H2O2 I- + O2 + H+ + H2O
Het "radical" mechanisme werkt dus eigenlijk met een soort negatieve feedback, zodra het te veel van zijn eigen stof produceert stop de reactie, zodra zijn eigen stof verdwijnt start zijn eigen reactie ook weer. Hierdoor ontstaat er een reactiecirkel wat er voor zorgt dat je een oscillerende reactie krijgt.
We gaan hier nu wat gedetailleerder op in.
"non-radical"
1.1) IO3- + I- + 2 H+ HIO2 + HIO
1.2) HIO2 + I- + H+ 2 HIO
Het "non-radical" mechanisme bestaat uit 2 reacties. De 1e (1.1) reactie vind altijd plaats, hierbij wordt HIO en HIO2 gemaakt. Er is dus altijd een productie van HIO, maar het belangrijke is hier hoe de HIO2 ook wordt omgezet in HIO. Tijdens het "non-radical" mechanisme wordt dit gedaan door middel van I- (1.2). Omdat de "non-radical" reactie heel traag verloopt onder deze omstandigheden wordt er heel weinig HIO gemaakt. Deze HIO wordt gelijk opgebruikt door reactie 2. Hierdoor blijft er niet genoeg HIO over om te reageren met H2O2 tot I-, hierdoor zal de [I-] dalen.
"radical"
1.3) IO3- + HIO2 + H+ 2 IO2 + H2O
1.4) IO2 + Mn2+ + H2O HIO2 + Mn(OH)2+
1.5) 2 HIO2 IO3- + HIO + H+
1.6) Mn(OH)2++ H2O2 Mn2+ + H2O + HOO
1.7) 2 HOO H2O2 + O2
Het "radical" mechanisme bestaat uit 5 reacties. In dit mechanisme ontstaan er IO2. en HOO. Radicalen, vandaar dat dit mechanisme "radical" heet. Belangrijk om te weten is dat de 1e 2 reacties (1.3 en 1.4) "autocatalytic" zijn. Dit houdt in dat de reactie voor zijn eigen katalysator zorgt. Zoals je ziet wordt in de 1e 2 reacties 1 molecuul HIO2 om gezet in 2 moleculen HIO2. Een van deze 2 moleculen kan weer gebruikt worden om weer 2 moleculen HIO2 te maken. Het effect hiervan is dat de reactie steeds sneller zal gaan verlopen naarmate de tijd verstrijkt. Verder kun je zien dat Mn2+ als een katalysator functioneert. Bij het terugbrengen van Mn(OH)2+naar Mn2+ kun je zien dat er zuurstof ontstaat. Dit komt overeen met de waarnemingen tijdens de proef.
Zoals je kunt zien wisselen de "radical" en de "non-radical" reactie elkaar steeds af. De kleuren die je daarbij kunt zien worden gecreëerd door de 2e reactie (2). Ook dit mechanisme kan worden opgedeeld in 2 reacties die verklaren hoe de kleurverschillen ontstaan.
2.1) I- + HIO + H+ I2 + H2O
2.2) I2 + CH2(COOH)2 ICH(COOH)2 + H+ + I-
De oranje kleur ontstaat door de I2 die in het water ontstaat, dit gebeurt wanneer de [I-] en de [HIO] hoog zijn, dit zorgt ervoor dat de 1e reactie (2.1) sneller verloopt dan de 2e reactie (2.2). Zoals je kunt zien in Binas heeft jood een oranje kleur, opgelost in water. De zwarte kleur (donkerblauw) ontstaat doordat I- en I2 een complex vormen met jood. Hoe dit gebeurt is nog steeds niet helemaal duidelijk. Zodra de [HIO] lager wordt als de [I-] dan ontstaat het complex met zetmeel. Dit is dus op het moment dat het mechanisme overschakelt van het "radical" mechanisme naar het "non-radical" mechanisme. Omdat het "non-radical" mechanisme langzaam de I- opmaakt verdwijnt de zwarte kleur langzaam. Als het "radical" mechanisme dan langzaam weer opstart wordt er veel HIO en I- gemaakt. Hierdoor verloopt de bovenste reactie (2.1) sneller dan de onderste en wordt er meer I2 gemaakt, en daardoor ontstaar er langzaam een oranje kleur.
Dus nu even op een rijtje wat er gebeurt in het mechanisme. In het begin zijn de [I-], [HIO] en [I2] laag. IO3- reageert met H2O2 en produceert daarbij HIO2 (1). Omdat de [I-] nog laag is begint het "autocatalytic" "radical" mechanisme met werken en wordt er veel HIO en I- gemaakt (1.3 t/m 1.7). deze 2 reageren snel weg tot I2 (2.1) waardoor er een oranje kleur in het mengsel ontstaat. Zolang het "radical" mechanisme nog werkt stijgen de concentraties [I-], [HIO] en [I2]. Dit gaat door totdat de [I-] een bepaalt punt bereikt waarbij het "radical" mechanisme wordt overgenomen door het "non-radical" mechanisme(1.1 t/m 1.2), hier wordt namelijk I- gebruikt om HIO2 om te zetten in HIO (1.2). als dit gebeurt ontstaat plotseling de zwarte kleur in het mengsel. Langzaam zakt de [I-], dit zorgt ervoor dat het "radical" mechanisme weer sneller wordt als het "non-radical" mechanisme waardoor het "radical" mechanisme het weer overneemt. En de cirkel begint weer opnieuw.
De reactie zal doorgaan totdat IO3-, CH2(COOH)2 of H2O2 op is, de rest van de stoffen die je toevoegt gaan niet op.
De vraag is nu:
Waarom verloopt het 'radical' mechanisme sneller dan het 'non-radical' mechanisme?
Waar hangt de reactiesnelheid vanaf? (v= [?] x K)
Waarom verloopt reactie 2.1 sneller bij hoge concentraties dan reactie 2.2?
Waar hangt de reactiesnelheid vanaf? (v=[?] x K)
Als iemand het antwoord weet, zou hij me dan gelijk kunnen vertellen hoe je daar Aan komt? Dus de tussenstappen bij de reacties, waarmee je kunt bepalen wat de beperkende factor is.
Succes!
Mvgr,
Bram
