Bielousovova-Žabotinského reakcia

Bielousovova-Žabotinského reakcia (známa ako BZ reakcia) je jedným z najfascinujúcejších príkladov chemickej oscilácie a nelineárnej chemickej dynamiky. Na rozdiel od bežných reakcií, ktoré smerujú priamo k rovnováhe, táto zmes „tiká“ ako chemické hodiny alebo vytvára šíriace sa vlny.

BZ reakcia je zložitý systém následných a paralelných redoxných reakcií. Podstatou je oxidácia organického substrátu (najčastejšie kyseliny malónovej) bromičnanovými iónmi v kyslom prostredí, katalyzovaná kovovým iónom (napríklad železom vo ferroíne). Výsledkom je periodická zmena oxidačného čísla katalyzátora, čo sa prejavuje pravidelnou zmenou farby roztoku (napríklad červená $\leftrightarrow$ modrá).

Oscilácie nie sú v rozpore s tým, že reakcie smerujú k rovnováhe. Celkovo sa kyselina malónová postupne oxiduje a bromičnan spotrebúva – kolíšu len koncentrácie medziproduktov a forma katalyzátora. Keď sa reaktanty minú, oscilácie ustanú. Porovnajte to so sústavou, ktorá sa ustáli v rovnováhe, v pokuse Rovnovážna reakcia.

Pre klasickú verziu s ferroínom sa zvyčajne pripravujú tieto roztoky:

Látka	Vzorec	Úloha v reakcii
kyselina sírová	H2SO4	vytvára potrebné kyslé prostredie
kyselina malónová	CH2(COOH)2	organický substrát, ktorý sa oxiduje
bromičnan draselný	KBrO3	oxidačné činidlo
bromid draselný	KBr	zdroj bromidových iónov, ktoré riadia prepínanie reakcie
ferroín	komplex železa s fenantrolínom	katalyzátor a indikátor (v redukovanej forme červený, v oxidovanej modrý)

Farebnú zmenu spôsobuje železo vo ferroíne, ktoré sa striedavo oxiduje a redukuje:

$$\underbrace{[\text{Fe(phen)}_3]^{2+}}_{\text{červený}} \rightleftharpoons \underbrace{[\text{Fe(phen)}_3]^{3+}}_{\text{modrý}} + e^-$$

(phen = 1,10-fenantrolín). Ako sa určujú oxidačné čísla, vysvetľuje lekcia Ako určovať oxidačné čísla?

Reakcia je pomerne komplikovaná a prebieha v troch hlavných fázach, ktoré sa stále opakujú:

• Fáza A: Spotrebúvajú sa bromidové ióny ($\text{Br}^-$) – reagujú s bromičnanom. Kým je bromidov dosť, bránia rýchlej oxidácii katalyzátora. Keď ich koncentrácia klesne pod kritickú hodnotu, spustí sa autokatalytická reakcia.
• Fáza B: Autokatalytický proces – medziprodukt reakcie urýchľuje svoj vlastný vznik. Katalyzátor sa prudko oxiduje a roztok zmení farbu na modrú.
• Fáza C: Oxidovaný katalyzátor reaguje s kyselinou malónovou (a jej brómovanými derivátmi). Pritom sa regenerujú bromidové ióny a katalyzátor sa vráti do redukovanej formy – farba sa zmení späť na červenú. Bromidy opäť „zabrzdia“ fázu B a cyklus sa začína odznova.

Bromidové ióny teda fungujú ako prepínač: keď ich je veľa, prebieha pomalá fáza A, keď ich je málo, rozbehne sa rýchla fáza B. Katalyzátor pritom nie je len „urýchľovač“ ako v pokuse Amoniakové svetlušky – jeho meniaca sa forma priamo riadi celý cyklus.

Iné „chemické hodiny“, ktoré sa však prepnú len raz, ukazuje pokus Jódové hodiny.