Experiment des Monats Mai 1998 Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Diese nach ihren Entdeckern B. P. Belousov und A. M. Zhabotinsky benannte oszillierende Reaktion dient u.a. als Modell für chaotische Systeme. Die Reaktion kann als zeitliche oder räumliche Oszillation gezeigt werden. Die räumliche Oszillation, in einer flachen Schale, eignet sich gut für eine Projektion mit einem Tageslicht-(Overhead-)Projektor.

Geräte und Chemikalien:
Erlenmeyerkolben mit Stopfen, Kristallisier- oder Petrischale, Magnetrührer, ggf. Projektor
0,5 M Natriumbromat-Lösung, 1,5 M Malonsäure-Lösung, 5 M Schwefelsäure (halbkonzentriert!), 0,3 M Natriumbromid-Lösung, 0,01 M Ferroin-Lösung

Durchführung (räumliche Oszillation):
In einem Kolben zu 15 ml Bromat- und 3 ml Malonsäure-Lösung 2 ml Schwefelsäure und 5 ml Bromid-Lösung geben. Bei Zugabe des Bromids entsteht zunächst Brom. Den Kolben daher verschließen und so lange rühren/schütteln bis die braune Brom-Farbe wieder verschwunden ist. Erst jetzt 5 ml Ferroin-Lösung zugeben, da der Indikator sonst vom Brom zersetzt würde. Die Schale 2 - 3 mm hoch füllen und möglichst ruhig lagern. (ggf. mit Kork-Scheibchen oder Schaumstoff "abfedern") Es bilden sich meist konzentrische rote und blaue Kreise aus.

Durchführung (zeitliche Oszillation):
8 ml Bromat-Lösung, 10 ml Malonsäure-Lösung, 10 ml Schwefelsäure, 7 ml Wasser und 4 ml Bromid-Lösung zusammengeben und Gefäß verschließen. Wenn sich das Gemisch entfärbt hat (Brom abgebaut ist), 1 ml Ferroin-Lösung zugeben und den Ansatz ständig rühren. Nach kurzer Zeit beginnt die rot-blau-Oszillation, die meist mehrere Stunden läuft.

Erklärung:
Eine Oszillation kann auftreten, so lange die Haupt-Reaktion, die freiwillig abläuft und das ganze System "antreibt", sich weit außerhalb des Gleichgewichtes befindet. Weiterhin sind mehrere gekoppelte Reaktionen nötig, wobei diese unterschiedliche Kopplungs-Konstanten besitzen. Man kann dies vergleichen mit einer Standuhr: Die Gewichte (= Gesamtreaktion) treiben die Uhr (das System) an, der Pendel schwingt zwischen zwei Zuständen. Den gekoppelten Reaktionen entspricht in diesem Modell das Wechselspiel aus kinetischer und potentieller Energie.
Die Gesamtreaktion ist bei der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion eine Bromierung der Malonsäure:

2 Br^- + BrO₃^- + 3 H⁺ + 3 HOOC-CH₂-COOH 3 HOOC-CHBr-COOH + 3 H₂O

Es treten jedoch zahlreiche Zwischenprodukte auf, u.a. Brom (vor allem zu Beginn) und CO₂, es kommt daher gegen Ende zur Bildung kleiner Gasbläschen. Das System pendelt ständig zwischen einem oxidierenden und reduzierenden Milieu. In der "Original-Reaktion", wie sie von B. P. Belousov (1959, zeitlich) und A. M. Zhabotinsky (1967, räumlich) beschrieben wurde, dienen Cer-Ionen als Katalysator und Redox-System (Ce⁴⁺/Ce³⁺). Statt Cer können jedoch auch andere Redox-Paare eingesetzt werden, besonders geeignet ist Ferroin/Ferriin (tris-Phenanthrolin-Eisensulfat). Bei diesem ist der Wechsel zwischen Ferroin (reduziert, orange-rot) und Ferriin (oxidiert, blau) besonders gut sichtbar.
Bei der zeitlichen Oszillation wird die Lösung gerührt, durch die Durchmischung liegt das gesamte System im oxidierten oder reduzierten Zustand vor. Bleibt dagegen (bei der räumlichen Oszillation) eine dünne Schicht in Ruhe, bilden sich kleine Mikrozustände aus, die jeweils für sich die Farbe ändern.

Gefahren:
Natriumbromat wirkt brandfördernd, Malonsäure reizend, Ferroin gesundheitsschädlich. Schwefelsäure ist ätzend, das zu Beginn der Reaktion freiwerdende Brom ätzend und giftig! (Abzug!)

Entsorgung:
Die Lösungen als anorganische Abfälle entsorgen.

Literatur:
R. J. Field: "Eine oszillierende Reaktion"; Chemie in unserer Zeit, 7 (1973), 171-176
Nachdruck in: "Experimente aus der Chemie" - S. 129-138
R. Deuber: "Selbstorganisation", ETH Zürich / Kantonsschule Baden
H. Wenisch, O. Herrmann: "Oszillierende Reaktionen am Beispiel der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion"
Naturwissenschaften im Unterricht: Chemie, 1 (1990), Nr. 2, 35-39

Seite erstellt am: Donnerstag, 30. April 1998, A. Schunk.