Proef 29   Belousov-Zhabotinsky-reactie.
september 2012

Benodigde chemicaliën en spullen:

 Proef29a.jpg
Oplossing C wordt toegevoegd.
Ged. water (H2O):143 mL
Natriumbromaat (NaBrO3): 1,8 gram
Malonzuur (CH2(COOH)2): 1,6 gram
Zwavelzuur 96% (H2SO4): 13,5 g / 7,5 mL
Ammoniumcerium(IV)nitraat
((NH4)2Ce(NO3)6):
0,52 gram
Kaliumbromide (KBr):0,35 gram
Ferroïneoplossing 0,5%:3 mL
Erlenmeyer 100 mL:3
Bekerglas 250 mL:1
Roerder + roervlo:
ORP-meter: 		optioneel

Voorbereiding:

Dit is de klassieke versie van de spectaculaire reactie van Belousov en Zhabotinsky. Zie ook proef 17.
Er moet gedurende de proef steeds goed worden geroerd, dus een magnetische roerder is aanbevolen.
Zwavelzuur en bromaten zijn chemicaliën waarmee voorzichtig moet worden omgegaan.
Maak drie oplossingen klaar in de drie erlenmeyers. Oplossing A: 1,8 gram natriumbromaat (of 1,9 g kaliumbromaat) in 50 mL water. Oplossing B: 1,6 gram malonzuur plus 0,35 gram kaliumbromide in 50 mL water. Oplossing C: Giet 7,5 mL zijnde 13,5 gram 96% zwavelzuur voorzichtig in 42 mL water. Los daarin 0,52 gram ammoniumcerium(IV)nitraat op. Laat afkoelen.
Houd 3 mL ferroïneoplossing gereed. (Je maakt een vooraadje ferroïne 0,5% door 249 mg 1,10-fenantrolinemonohydraat op te lossen in 50 mL water waarin eerst 115 mg FeSO4·7H2O is opgelost.)
 
Uitvoering van de proef:

Doe de oplossingen A en B in het bekerglas en zet de roerder zo hard aan dat er een kolk ontstaat. Wacht even. Vervolgens wordt oplossing C toegevoegd. De oplossing wordt lichtbruin. Je ruikt een lichte broomlucht (die hoofdpijn kan verwekken). Voeg na circa ¾ minuut 3 mL ferroïne­oplossing toe. De hele oplossing wordt groen. Na ongeveer een minuut wordt deze geleidelijk blauw, dan paars en tenslotte rood. Maar dan opeens wordt de oplossing weer groenblauw. Deze kleurwisselingen herhalen zich zo vele malen.
De frequentie is één cyclus per circa 2 minuten, gedurende een vol uur. Als je daarna, als de oplossing rood blijft, nog 0,8 gram malonzuur en 0,9 gram natriumbromaat toevoegt, begint het oscilleren opnieuw. Nadat je gestopt bent met roeren wordt de oplossing uiteindelijk na enige uren nagenoeg kleurloos en zie je koolzuurbelletjes.
proef26c.gif

Verklaring:

Er vinden vele reacties plaats in het mengsel. Kleurbepalend zijn de omzettingen van kleurloze bromide-ionen in oranjebruin broom, van kleurloos cerium(III) in geel cerium(IV), en van rood ferroïne (ijzer(II)complex) in blauw ferriine (ijzer(III)complex), en die kunnen allemaal ook vice versa. De reacties beïnvloeden elkaar waardoor dan weer de ene en dan weer de andere situatie overheersend is. Uiteindelijk worden het malonzuur en het bromaat verbruikt:
3 CH2(COOH)2 + 4 BrO3¯ → 4 Br¯ + 9 CO2 + 6 H2O
Na afloop van de proef:

Het afval kan worden weggespoeld door de gootsteen.

Nadere beschouwingen van de M.S.

Deze klassieke proef is lang nagenoeg onbekend, of liever qua belang niet-erkend gebleven in de westerse wereld. Dat kwam mede door de rivaliteit gedurende de koude oorlog. Wat vanachter het ijzeren gordijn kwam, was ongeloofwaardig...
Per saldo betreft dit de oxidatie van malonzuur door bromaationen, gekatalyseerd door cerium­ionen. Ferroïne is een redox­indicator, blijkens de kleurveranderingen bij overmaat oxidator dan wel reductor. Wie beschikt over een pH-meter met een platinaelektrode kan zien dat de ORP — de oxidatie­reductiepotentiaal, elektrodepotentiaal — wel 200 mV verandert in de kleurencyclus van ongeveer twee minuten. Als de ORP toeneemt, vindt er ook een toename plaats van het gele Ce(IV). Tevens verandert dan het rode Fe(II)-ferroïne in het blauwe Fe(III)-ferriïne. Er ontstaat ook koolzuurgas.
Let wel dat bij gebruik van een elektrode de bewaarvloeistof er goed moet worden afgespoeld. De kleinste verontreiniging met chloride-ionen in het mengsel doet de proef mislukken. Een en ander wordt uitgebreid beschreven door B. Shakhashiri in "Chemical Demonstrations", Vol.2, blz.240-257.
De belangrijkste reactievergelijkingen zijn:
  [1] 2 BrO3- + 12 H+ + 10 Ce3+
 → Br2 + 6 H2O + 10 Ce4+  [redox]
  [2] Br2 + CH2(COOH)2 → Br[CH(COOH)2] + H+ + Br-    [substitutie en ionisatie]
  [3]    Br[CH(COOH)2] + 4 Ce4+ + 2 H2O → HCOOH + 2 CO2 + Br- + 5 H+ + 4 Ce3+  [redox]
  [4] Br2 + HCOOH → CO2 + 2 H+ + 2 Br-  [redox]
Bij reactie [1] is er een overmaat van de oxidator (bromaat). Dit betekent dat het rode ferroïne overgaat in het blauwe ferriïne. Bij reactie [3] is de reductor Br[CH(COOH)2] in overmaat zodat het rode ferroïne wordt teruggevormd.
Er zijn diverse kleuren en kleurcombinaties tegelijk in het spel zodat je vooral mengkleuren ziet.

Zie ook de algemene uitleg van oscillerende reacties bij proef 02 en de bijlage uit 'Showdechemie': http://www.nvon.nl/sites/nvon.dev.com/files/lesmateriaal/showdechemie1/W6_aanvulling.pdf.

Proef29d.jpg Proef29e.jpg
Proef29f.jpg Proef29g.jpg

Klik hier voor een ingekort filmpje .MPG of hier .M4V    (4'00")
of hier voor de lange versie van 200 MB .MPG   (23'07")

En hier voor filmpjes op YouTube.