振動反応について

質問

提出日が近いのであせっています。どうかよろしくお願いします。（汗×５６）

目的：振動反応の実験を行い、そのメカニズムを考える。
薬品：ヨウ素酸カリウム、過酸化水素水、マロン酸、硫酸マンガン、希硫酸、澱粉溶液
方法：(1)３つの５０ｍｌビーカーに(a)ヨウ素酸カリウム・希硫酸混合溶液、(b)過酸化水素水、(c)マロン酸・硫酸マンガン混合溶液をそれぞれ２０ｍｌずつ入れる。また、(a)のビーカーに澱粉溶液１ｍｌを加える。
(2)回転子を入れた１００ｍｌフラスコに、(1)で用意した溶液をすばやく注ぎ、すぐにスタラーに乗せる。スタラーの電源をいれ、回転子が穏やかに回転するようつまみを調整する。
(3)溶液を混ぜてからの経過時間と溶液の色変化を調べる。
(4)これ以上変化がおきないと判断したら、スタラーの電源を切る。フラスコの溶液を、漏斗を用いていったん２００ｍｌビーカーに移し、回転子を回収する。
結果：（要点だけ）
溶液が黄色と青色の二色に短時間で何回も変わり続けた。そしてそれの色は時間がたつにつれ、黄色は金色に、青色は藍色そして黒と、どんどん濃くなっていった。また、青系の色から黄系の色になるまでの間隔は長くなり、反対に黄系から青系になるまでは短くなった。最後には、黒になり終わった。

さて、ここからが質問です。正直、4番まではかなりお手上げです。（汗）
１、今回の実験で観察した化学反応を、反応式を書き、また詳しく説明しろ。
２、この反応における硫酸マンガン、および澱粉の役割について述べよ。
３、なぜ必ず、この振動反応の実験では最後に混合溶液は黒くなるのか。
４、振動反応とはなにか。またこんかいとりあげた物質のほかに振動反応をおこす物質の組み合わせはあるか。
５、酸化と還元について述べよ。
以上５つです。長くなりました。すみません。

回答No.1

akuz · ベストアンサー

<< 回答、及びアドバイス致します。>>

　◇振動反応とは・・・
　　通常の化学反応は、反応物が一方的に生成物に変化してしまうか，
　あるいは，ある平衡状態になる。　ところが，ある条件下では、
　反応物が生成物となり，さらに，生成物が反応物に戻るというように，
　反応系と生成系を周期的に繰り返す反応を "振動反応”という。

　特に、マロン酸と臭素酸カリウムを用いたセリウム(Ce) ３価、４価の
酸化還元反応であるベルーゾフ・ジャボチンスキー反応（B-Z反応）は
　有名です。

　1.実験の反応式
　　この反応は最低でも下記A～Eまでの5つの反応式（素反応）で表記できます。

　 A ; 2IO3- ＋ 5H2O2 ＋ 2H+　→　I2 ＋ 5O2↑ ＋ 6H2O
　B ; CH2(COOH)2 ＋ I2 ＋ O2 → 2HCOOH ＋ CO2↑ ＋ 2I-
　 C ; I2 ＋ HCOOH → 2I- ＋ CO2↑ ＋ 2H+
　 D ; 5I- ＋ IO3- ＋ 6H+　→　3I2 ＋ 3H2O
　 E ; 2I- ＋ H2O2 ＋ 2H+　→　 I2 ＋ 2H2O

　A)では　過酸化水素H2O2が IO3-を酸化してI2が生成する。
　　しかし，この反応が進行するとIO3-の濃度は減少し，I2の濃度が増加する。
　　すると，Aの反応の速度は減少し，Bの反応の速度が増加することになる。

　B)ではマロン酸がヨウ素を還元させI-が生成する。
　　これに伴って、溶液の色は黒色から無色透明に変化する。
　　この段階は触媒サイクルを形成しており，一旦反応が始まると
　　反応速度は急激に上昇する。

　C)ではマロン酸が分解されながらI2からI-に還元されて、溶液の色は
黒色から無色透明へと変化し、同時にI-が再生される。

　D)ではI-が減少して I2が増加する。かつ、I2が再生されることにより
　　溶液の色は無色透明から黒色に変化する。

　E)ではI-が過酸化水素で酸化されてI2が再生されることによりE)の反応速度は
　　減少し、再び B）の反応が支配的になる。

　 以上のように、この溶液では　B）C)、D) E)の反応が交互にマロン酸；
　　CH2(COOH)2 が消費されるまで繰り返され、 溶液の色は黒色と無色透明の
間を入れ替わる振動する。
　 　最終的にはヨウ素がマロン酸によって還元されない為、本来の色（黒色）が
現れる。

　2.硫酸マンガンやデンプンの役割は　”触媒”である。　

　3.これは上記1.の通り、マロン酸が消費されて分解するため、
　　ヨウ素が還元されず、本来のI2の色（黒色）が現れる。

　4.表題の通り。　120％の回答を目指すならば　鉄系もあります。

　5.これはお分かりのようなので、お任せいたします。

　今から・・年前、卒研のテーマとしてB-Z反応のコンピュ－タ
　シュミレーションを　大型コンピュータ及び、PC9801にて
　ルンゲーグッターギル法で解きました。しかし、詳細は
　すっかり忘れました。

参考URL：

http://www3.justnet.ne.jp/~konan/waku/a-0707.htm

お礼

有難うございます！素晴らしく、明快な説明を・・。（泣
そうなんですか。卒論でそのような難しいテーマを取り上げるとは、かなりの大者ですね！