Oscilador químico

Una mezcla de reacción BZ agitada que muestra cambios de color a lo largo del tiempo.

Un oscilador químico es una mezcla compleja de compuestos químicos en reacción en la que la concentración de uno o más componentes exhibe cambios periódicos. Son una clase de reacciones que sirven como ejemplo de termodinámica de desequilibrio con comportamiento lejos del equilibrio. Las reacciones son teóricamente importantes porque muestran que las reacciones químicas no tienen que estar dominadas por el comportamiento termodinámico de equilibrio .

En los casos en que uno de los reactivos tenga un color visible, se pueden observar cambios de color periódicos. Ejemplos de reacciones oscilantes son la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ), la reacción de Briggs-Rauscher y la reacción de Bray-Liebhafsky .

Historia

La evidencia científica más temprana de que tales reacciones pueden oscilar fue recibida con un escepticismo extremo. En 1828, GT Fechner publicó un informe de oscilaciones en un sistema químico. Describió una celda electroquímica que producía una corriente oscilante. En 1899, W. Ostwald observó que la velocidad de disolución del cromo en ácido aumentaba y disminuía periódicamente. Ambos sistemas eran heterogéneos y se creía entonces, y durante gran parte del siglo pasado, que los sistemas oscilantes homogéneos eran inexistentes. Si bien las discusiones teóricas se remontan a alrededor de 1910, el estudio sistemático de las reacciones químicas oscilantes y del campo más amplio de la dinámica química no lineal no se estableció bien hasta mediados de la década de 1970. ^[1]

Teoría

Termodinámica
El motor térmico clásico de Carnot
Sucursales Clásico Estadístico Químico Termodinámica cuántica Equilibrio  / No equilibrio
Leyes Zeroth Primero Segundo Tercera
Sistemas Sistema cerrado Sistema aislado Estado Ecuación de estado Gas ideal Gas real Estado de la materia Fase (materia) Equilibrio Control de volumen Instrumentos Procesos Isobárico Isocórico Isotermo Adiabático Isentrópico Isenthalpic Cuasiestático Politrópico Expansión libre Reversibilidad Irreversibilidad Endoreversibilidad Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiencia térmica
Propiedades del sistema Nota: Variables conjugadas en cursiva Diagramas de propiedades Propiedades intensivas y extensas Funciones de proceso Trabajo Calor Funciones del estado Temperatura  / Entropía  ( introducción ) Presión  / Volumen Potencial químico  / Número de partículas Calidad de vapor Propiedades reducidas
Propiedades materiales Bases de datos de propiedades Capacidad calorífica específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compresibilidad  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Expansión térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Ecuaciones Teorema de carnot Teorema de clausius Relación fundamental Ley de los gases ideales Relaciones de Maxwell Onsager relaciones recíprocas Ecuaciones de Bridgman Tabla de ecuaciones termodinámicas
Potenciales Energía gratis Entropía libre Energía interna ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpía ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Energía libre de Helmholtz ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Energía libre de Gibbs ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
Historia Cultura Historia General Entropía Leyes de los gases Máquinas de "movimiento perpetuo" Filosofía Entropía y tiempo Entropía y vida Trinquete browniano Demonio de Maxwell Paradoja de la muerte por calor La paradoja de Loschmidt Sinergética Teorías Teoría calórica Vis viva ("fuerza viva") Equivalente mecánico del calor Poder de motivación Publicaciones clave " Una investigación experimental sobre ... el calor " " Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas " " Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego " Líneas de tiempo Termodinámica Motores térmicos Arte Educación Superficie termodinámica de Maxwell Entropía como dispersión de energía
Científicos Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson Van der Waals Waterston
Otro Nucleación Autoensamblaje Autoorganización Orden y desorden
Categoría
v t mi

Los sistemas químicos no pueden oscilar alrededor de una posición de equilibrio final porque tal oscilación violaría la segunda ley de la termodinámica . Para un sistema termodinámico que no está en equilibrio, esta ley requiere que el sistema se acerque al equilibrio y no se aleje de él. Para un sistema cerrado a temperatura y presión constantes, el requisito termodinámico es que la energía libre de Gibbs debe disminuir continuamente y no oscilar. Sin embargo, es posible que las concentraciones de algunos intermedios de reacción oscilen, y también que la velocidad de formación de productos oscile. ^[2]

Los químicos, físicos y matemáticos han estudiado modelos teóricos de reacciones oscilantes. En un sistema oscilante, la reacción de liberación de energía puede seguir al menos dos vías diferentes, y la reacción cambia periódicamente de una vía a otra. Una de estas vías produce un intermedio específico, mientras que otra vía lo consume. La concentración de este intermedio desencadena el cambio de vías. Cuando la concentración del intermedio es baja, la reacción sigue la ruta de producción, lo que lleva a una concentración relativamente alta de intermedio. Cuando la concentración del intermedio es alta, la reacción cambia a la vía de consumo.

Se han creado diferentes modelos teóricos para este tipo de reacción, entre ellos el modelo Lotka-Volterra , el Brusselator y el Oregonator . Este último fue diseñado para simular la reacción de Belousov-Zhabotinsky. ^[3]

Tipos

Reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ)

Una reacción de Belousov-Zhabotinsky es uno de varios sistemas químicos oscilantes, cuyo elemento común es la inclusión de bromo y un ácido. Un aspecto esencial de la reacción BZ es su llamada "excitabilidad": bajo la influencia de estímulos, se desarrollan patrones en lo que de otra manera sería un medio perfectamente inactivo. Algunas reacciones de reloj , como las reacciones de Briggs-Rauscher y el BZ, que utilizan el bipiridilo de rutenio químico como catalizador, pueden excitarse en una actividad autoorganizada a través de la influencia de la luz.

Boris Belousov notó por primera vez, en algún momento de la década de 1950, que en una mezcla de bromato de potasio , sulfato de cerio (IV) , ácido propanodioico (otro nombre para el ácido malónico) y ácido cítrico en ácido sulfúrico diluido , la proporción de concentración de cerio (IV ) y los iones de cerio (III) oscilaron, haciendo que el color de la solución oscile entre una solución amarilla y una solución incolora. Esto se debe a que el ácido propanodioico reduce los iones de cerio (IV) a iones de cerio (III), que luego se oxidan de nuevo a iones de cerio (IV) por los iones de bromato (V).

Reacción de Briggs-Rauscher

La reacción oscilante de Briggs-Rauscher es una de las pocas reacciones químicas oscilantes conocidas. Es especialmente adecuado para fines de demostración debido a sus cambios de color visualmente llamativos: la solución incolora recién preparada se vuelve lentamente de color ámbar, cambiando repentinamente a un azul muy oscuro. Esto se desvanece lentamente a incoloro y el proceso se repite, unas diez veces en la formulación más popular.

Reacción de Bray-Liebhafsky

La reacción de Bray-Liebhafsky es un reloj químico descrito por primera vez por WC Bray en 1921 con la oxidación del yodo a yodato :

5 H ₂ O ₂ + I ₂ → 2 IO^-
₃+ 2 H ⁺ + 4 H ₂ O

y la reducción del yodato de nuevo a yodo:

5 H ₂ O ₂ + 2 IO^-
₃+ 2 H ⁺ → I ₂ + 5 O ₂ + 6 H ₂ O ^[4]

Ver también

• Oscilador catalítico
• Mercurio latiendo corazón
• Experimento de botella azul
• Reacciones del reloj

Referencias

1. Epstein, Irving R. y John A. Pojman. Una introducción a la dinámica química no lineal: oscilaciones, ondas, patrones y caos. Oxford University Press, Estados Unidos, 1998, pág. 3.
2. Espenson, JH Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms (2a ed., McGraw-Hill 2002) p.190 ISBN  0-07-288362-6
3. "IDEA - Actividades de ecuaciones diferenciales de Internet" . Universidad Estatal de Washington . Consultado el 16 de mayo de 2010 .
4. Bray, William C. (1921). "Una reacción periódica en solución homogénea y su relación con la catálisis" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 43 (6): 1262–1267. doi : 10.1021 / ja01439a007 .

enlaces externos

• Video de la reacción de BZ
• Historia de reacciones oscilantes