De Oscillerende Chemische Reactie Een mathematisch en scheikundig onderzoek naar non-lineaire chemische kinetiek



Dovnload 4.44 Mb.
Pagina3/5
Datum07.11.2017
Grootte4.44 Mb.
1   2   3   4   5

De Oscillerende Chemische Reactie in het Laboratorium



3.1 Correcties op de Uitvoerbaarheid van de Reactie


Om een chemische oscillerende reactie in het chemisch laboratorium te kunnen onderzoeken, moesten er enkele afwegingen worden gemaakt en zijn enkele aanpassingen toegebracht. De grootste aanpassingen hebben betrekking gehad op de toepassing en veiligheid van de reactie. De CIMA-reactie maakt gebruik van het toxische en sterk oxiderende chloordioxide. Dit is een verbinding die vanwege de veiligheid niet kan worden geleverd door bedrijven zoals Sigma-Aldrich (gespecialiseerd in de productie van chemicaliën en laboratoriummateriaal). Het zou ter plekke in het laboratorium moeten worden gesynthetiseerd, hetgeen op zich een risicovolle procedure is. Daarnaast zou het chloordioxide tot op bepaalde hoogte moeten worden gezuiverd om toegepast te kunnen worden. Mede om deze reden is er gezocht naar een alternatief voor de stof.

Een andere oscillerende reactie die ook gebruik maakt van o.a. jodide-ionen als activator is de zogenaamde Briggs-Rauscher reactie (afgekort BR-reactie). Kenmerkend voor deze reactie is dat zowel de inhiberende component (in dit geval niet langer het [ClO2-], maar in de BR-reactie blijkt dit het [HIO]-ion te zijn) als de activerende component (het [I-]-ion), enigszins konden worden geïdentificeerd8. Werken met de chemicaliën en het bereiden van de oplossingen is aanzienlijk veiliger met deze reactie. De complete handleiding die we hebben opgesteld voor het kunnen uitvoeren van de BR- reactie is opgenomen in de appendix (onderdeel X-A). Aangezien de theorie uit hoofdstuk 1 ook van toepassing is op deze reactie en het reactiemechanisme te complex is om kortstondig te behandelen is besloten om de achtergrond van de BR-reactie niet te behandelen in deze tekst. Wel zullen we de parallel trekken met de CIMA-reactie, om de toepassing van de BR-reactie op het wiskundig model te rechtvaardigen.



Wat nu moet worden benadrukt is dat het model opgesteld in hoofdstuk 2 niet linea recta kan worden getoetst door de uitgevoerde reactie. Wel kan worden gezegd dat het specifieke karakter van de specifieke stoffen ook van toepassing zou kunnen zijn op de BR-reactie; het oscillerende patroon is hier ook van toepassing en de parameters a en b zijn reactie-specifiek en dusdanig te bepalen voor een willekeurige oscillerende reactie. Kwantitatieve analyse zal uitsluitsel hierover bieden. Daarnaast zijn de twee gekozen stoffen van het model (de activator resp. de inhibitor) precies die twee stoffen die het meeste sturing geven aan het verloop van de reactie. Als er eigenschappen naar voren komen van deze twee stoffen uit de reactie, dan zullen deze herleid moeten kunnen worden in een goed model.


3.2 Experimentele Uitvoering en Data-acquisitie


Om het gedrag van de verschillende stoffen tijdens de reactie te kunnen waarnemen, zijn verschillende chemische analysemethoden overwogen voor het verzamelen van meetgegevens, waaronder een ion-specifieke electrode. Uit deze overwegingen kwam naar voren dat een spectrofotometer (een apparaat in staat om de lichtintensiteit op verschillende golflengtes te meten) het meest geschikt zou zijn voor het verzamelen van gegevens over de concentraties van verschillende moleculen op diverse tijdstippen tijdens de reactie. Hierbij moest bijzondere apparatuur worden geleend van het Opto-Electronic Materials Laboratorium van het scheikundegebouw van de TU Delft.9 Bij de onderstaande metingen is gebruik gemaakt van een Ocean Optics Maya 2000 Pro Diver spectrofotometer, een kwarts-cuvet voor het kunnen verrichten van metingen bij golflengtes waarbij glas licht absorbeert, en een Deuteriumlamp. Voor het verzamelen van data is het programma Ocean View (v. 1.5.2) gebruikt.


Figuur 8: De drie kleurveranderingen die zichtbaar worden in de BR-reactie. De amberkleur kan worden gekoppeld aan de absorbantie van I2 (λ = 444nm), de donkerblauwe kleur aan het zetmeelcomplex (Zm-I5) (λ = 685nm) en de kleurloze oplossing suggereert een toename concentratie van [I­-] (λ = 230nm).
Zoals in het practicumvoorschrift is te zien (appendix X-C, §5.2), is van tevoren een goede poging gedaan om verschijnselen bij verschillende golflengtes te kunnen herleiden naar specifieke moleculen. Aanvankelijk was het de bedoeling om de concentratie jodide-ionen (de activator) nauwkeurig proberen te registreren. Deze ionen vertonen de sterkste absorptie bij 230 nanometer in het UV-gebied van het spectrum. Er deden zich enkele onvoorziene omstandigheden voor bij het verrichten van de metingen, waardoor de data-acquisitie niet naar verwachting is verlopen. Een factor die niet gedurende de dag kon worden geëlimineerd was de sterke piek bij 650 nm, kenmerkend voor een deuteriumlamp, waarvoor geen monochromator aanwezig was en waaraan de sensitiviteit van de detector op elke andere golflengte ten koste ging.

Voorafgaand aan het uitvoeren van de metingen aan de concentraties in de reacties, is een ijklijn opgesteld met verschillende concentraties [I-]. Aangezien er tussen de marges van de vergelijking een 1-op-1-relatie bestaat tussen de absorbantie van een stof bij een bepaalde golflengte en de concentratie hiervan (volgens de wet van Lambert-Beer, , waarbij de extinctie-coëfficiënt voor een bepaalde stof een constante is en de weglengte d= 1 cm constant is voor een specifieke cuvet), zou met behulp van een ijklijn een relatief precieze bepaling van de concentratie [I-] in de reactie kunnen worden gemaakt. Helaas bleken de samples, waardoor er uiteindelijk geen betrouwbare ijklijn voor de reactie kon worden opgesteld.

Ondanks de nabijheid van de verzadigde piek bij 650nm, werden bij de uitvoering van de reactie uiteindelijk de beste gegevens gegenereerd bij een golflengte van ongeveer 580 nanometer, hetgeen correspondeert met de absorbantie van het zetmeelcomplex. Al tijdens het experiment, waarbij de absorbanties van een spectrum van 200 t/m 1500nm konden worden gezien op het scherm, bleek dat er geen twee pieken worden gevormd die zichtbaar tegengesteld oscilleerden, hoewel zowel het model als de reactievergelijkingen voorspellen dat er een klein faseverschil bestaat tussen enkele concentraties in de reactie, waarbij het verschil zichtbaar zou kunnen worden op basis van het verschil met de rate determining step (de [HIO]-regeneratie) in de reactie.

Voor het model hebben we uiteindelijk het hypojodigzuur ([HIO]) genomen als de inhibitor in het model. Dit is besloten aan de hand van het model van reactievergelijkingen voor de BR-reactie10, aangezien deze stof de limiterende factor vormt tot de reproductie van de activator en tegelijkertijd aanzet tot een proces dat de consumptie van de activator versnelt. Dit laatstgenoemde proces is proportioneel met de vorming van het zetmeelcomplex.

Hierbij is de aanname gedaan dat bij lage concentraties [HIO] de productie van di-jood gelimiteerd is en daarmee ook de vorming van het zetmeelcomplex. Op het moment dat er sprake is van een hoge concentratie di-jood en zetmeelcomplex, zal er dus sprake moeten zijn van een lage concentratie [HIO]. Door gebruik name van deze aanname proberen we de oscillaties binnen het reactieproces te vereenvoudigen door de oscillatie in het zetmeelcomplex gelijk te stellen aan de oscillatie in de concentratie [HIO]. Op basis van het ontbreken van dit faseverschil in het model kan worden geconcludeerd dat ofwel de metingen verricht bij een golflengte van 230 nm nietszeggend zijn over de uiteindelijke [I­-]-concentratie (hetgeen tegengesproken wordt door de relatieve toename in Absorbantie bij het opstellen van de ijklijn), ofwel het faseverschil in de werkelijke reactie niet hard kan worden gemaakt.






Deel met je vrienden:
1   2   3   4   5


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©tand.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina