Hiebei handelt es sich nicht um die
Belousov/Zhabotinski-Reaktion, sondern um die
Briggs-Rauscher-Reaktion.
Belousov/Zhabotinski besteht aus BrO3–/H2C(COOH)2/Ce4+/H2SO4.
unter,
http://www.chemie.uni-marburg.de/~butenuth/592/node6…
findest du alle Reaktionsmechanismen. Ein äußerst komplexes
und kompliziertes System.
Leider wird dort auch nicht erklärt, wo die Oszillation herkommt. Diese Erklärung ist bei der Komplexität des Systems auch kaum möglich. Eine Oszillierende Reaktion kann man nur anhand einfacher Bispiele erklären und selbst dabei muß man Kentnisse in chemischer Kinetik voraussetzen, die über das Chemie-Grundstudium hinausgehen. Die Oszillationen treten nämlich nur auf, wenn das Reaktionssystem mehrere atokatalytische Schritte enthält, also Teilreaktionen die sich selbst beschleunigen. Basteln wir uns zunächst ein simples Modell einer Oszillierenden Reaktion:
Wir legen zunächst einen Ausgangstoff A vor, welcher in einer langsamen Raktion erster Ordnung zu B reagiert. B möge dann autokatalytisch zu C reagieren und C ebenfalls autokatalytisch zu D, wobei neben der Autokatalyse jeweils eine langsame Startreaktion ablaufen soll. D reagiert letztendlich in einer schnellen Reaktion erster Ordnung zu E. Damit haben wir folgendes Raktionssystem:
Reaktion 1 : A → B
Reaktion 2a (Startreaktion für 2) : B → C
Reaktion 2b (autokatalytischer Schritt für 2) : B + C → 2C
Reaktion 3a (Startreaktion für 3) : C → D
Reaktion 3b (autokatalytischer Schritt für 3) : C + D → 2D
Reaktion 4 : D → E
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Gesamtreaktion : A → E
Die kinetischen Zeitgesetze für die einzelnen Reaktionen lauten
dx1/dt = k1[A]
dx2a/dt = k2a[B]
dx2b/dt = k2b[B][C]
dx3a/dt = k3a[C]
dx3b/dt = k3b[C][D]
dx4/dt = k4[D]
Damit gilt für den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen das Differentialgleichungssystem
d[A]/dt =-k1[A]
d[B]/dt = k1[A]-k2a[B]-k2b[B][C]
d[C]/dt = k2a[B]+k2b[B][C]-k3a[C]-k3b[C][D]
d[D]/dt = k3a[C]+k3b[C][D]-k4[D]
d[E]/dt = k4[D]
Wenn man ein wenig an den Geschwindigkeitskonstanten herumschraubt, dann kann man durch numerische Intergration dieses DGL-Systems sehr schöne Schwingungen erzeugen, die erst dann zum Stillstand kommen, wenn der Ausgangsstoff A verbraucht ist. Weil nicht jeder ein Programm für die Integration derartiger Systeme zur Verfügung hat, erkläre ich einmal, was während einer solchen Schwingung passiert:
Zunächst haben wir in unserer Lösung nur A vorliegen, welches langsam zu B reagiert. Dadurch steigt natürlich die Konzentration von B an.
Zwar reagiert auch B in der Startreaktion 2a zu C, aber diese Reaktion ist so langsam, daß sie zu keiner spürbaren Änderung der Konzentration [B] führt. Sie sorgt durch die Produktion von C allerdings dafür, daß die zunächst sehr langsame Reaktion 2b startet (deshalb „Startreaktion“). Diese führt ebenfalls zur Produktion von C und beschleunigt sich somit selbst (deshalb „Autokatalyse“). Dabei wächst die Geschwindigkeit der Reaktion 2b exponentiell an, bis sie nach (nach Ablauf der der sogenannten Induktionsphase) schließlich zur schlagartigen Umsetzung der gesamten Stoffmenge von B zu C führt. Durch die hohe Konzentration [C] wird jetzt jedes in Reaktion 1 gebildete Molekül B sofort zu C umgesetzt.
Mit C passiert nun dasselbe wie mit B. Zunächst reagiert es in der Startreaktion 3a langsam zu D, wodurch die Autokatalyse 3b gestartet wird, welche exponentiell beschleunigt und nach Ablauf der Induktionsphase zur schlagartigen Umsetzung des gesamten C zu D führt.
Wenn aber das gesamte C verbraucht ist, dann kommt die Autokatalyse 2b zum Stillstand. Die Konzentration von B steigt also wieder, während die Konzentration von D durch die Reaktion 4 verringert wird. Wenn es dann wieder zur Schlagartigen Umsetzung von B nach C kommt, ist die Konzentration [D] soweit abgesunken, daß auch die Autokatalyse 2b ausgebremst wurde und erst wieder nach Ablauf ihrer Induktionsphase durchstarten kann.
Wenn wir den Komponenten B, C und D die farben rot, grün und blau geben und A und E farblos sind, dann würden wir folgendes beobachten:
(1) Zunächst ist die Lösung farblos.
(2) Dann wird sie durch Reaktion 1 rot gefärbt.
(3) Irgendwann schlägt die rote Farbe durch Reaktion 2b schlagartig in Grün um.
(4) Etwas später schlägt dann grün wegen Reaktion 3b schlagartig in blau um.
(5) Danach geht blau durch die Reaktionen 1 und 4 über violett langsam in rot über und der Zyklus beginnt bei (3) von vorn.
Weil die Reaktion 1 infolge der fallenden Konzentration [A] immer langsamer wird, werden die Zyklen immer länger und die Autokatalysen starten dann bei immer geringeren Konzentrationen von [B] und [C], bis sich irgenwann ein sationärer Zustand einstellt, in dem A relativ gleichmäßig zu D durchreagiert.