9. reakcja Biełousowa-Żabotyńskiego zajebista. Nawet nie wiedziałem, jakie to banalne
Sumarycznie reakcja ta sprowadza się do odwracalnego utlenienia kwasu malonowego do dwutlenku węgla przez jony bromianowe, zaś jony ceru pełnią w procesie rolę katalizatora:
3 CH2(COOH)2 + 4 BrO3- → 4 Br- + 9 CO2 + 6 H2O
W istocie jednak reakcja ta składa się z dwóch procesów zachodzących cyklicznie jeden po drugim[3]
Pierwszy proces (A) przebiega sumarycznie według równania:
BrO3- + 5 Br- + 6 H+ → 3 Br2 + 3 H2O
i składa się z następujących reakcji elementarnych:
BrO3- + Br- + 2 H+ → HBrO2 + HOBr
HBrO2 + Br- + H+ → 2 HOBr
HOBr + Br- + H+ → Br2 + H2O
Powstający brom reaguje z kwasem malonowym według równania:
Br2 + CH2(COOH)2 → BrCH(COOH)2 + Br- + H+
Druga reakcja (B) przebiega sumarycznie następująco:
2 BrO3- + 12 H+ + 10 Ce3+ → Br2 + 6 H2O + 10 Ce4+
i składa się z następujących aktów elementarnych:
BrO3- + HBrO2 + H+ → 2 BrO2• + H2O
BrO2• + Ce3+ + H+ → HBrO2 + Ce4+
2 HBrO2 → HOBr + BrO3-+ H+
2 HOBr → HBrO2 + Br- + H+
HOBr + Br- + H+ → Br2 + H2O
Kluczowy wpływ na zmianę barwy ma cykliczna zmiana stężenia jonów Ce3+ i Ce4+, które sumarycznie można przedstawić w formie następującego równania:
2 Ce3+ + BrO3- + HBrO2 + 3 H+ → 2 Ce4+ + H2O + 2 HBrO2.
Powstające jony ceru Ce4+ utleniają atomy żelaza(II) do żelaza(III). Jony Ce3+ są bezbarwne, jony Ce4+ posiadają intensywnie żółtą barwę. Kompleks ferroiny z atomami żelaza(II) ma barwę czerwoną, zaś z atomami żelaza(III) niebieską. Kombinacja żółtej barwy jonów Ce4+ i niebieskiej kompleksu ferroiny z atomami żelaza(III) daje w efekcie barwę zieloną.
Cykliczne zmiany stężenia jonów Ce3+ i Ce4+ wynikają z następującej kombinacji zjawisk:
reakcja (B) ma charakter autokatalityczny - początkowo zatem przebiega bardzo powoli, aby w pewnym momencie nagle gwałtownie przyspieszyć
reakcja (A) zachodzi przy odpowiednio wysokim, granicznym stężeniu jonów bromianowych (BrO3-), które są generowanie w reakcji (B)
Stężenie początkowych roztworów jest tak dobrane, aby najpierw zaszła szybko reakcja (A), zanim reakcja (B) zdąży nabrać tempa i jednocześnie tak, aby reakcja (B) zdążyła się "rozpędzić", zanim w układzie całkowicie nie zanikną jony bromkowe (Br-) i H+. W związku z tym, w układzie dominuje najpierw reakcja (A), która nie ma bezpośredniego wpływu na zmianę barwy, a następnie większą rolę zaczyna odgrywać reakcja (B), która jednak jednocześnie dostarcza substratu dla reakcji (A), co po pewnym czasie powoduje ponowne przyspieszenie (A) i spowolnienie (B).