Mechanism and Phenomenology of an Oscillating Chemical Reaction

Abstract

Chemical reactions, which are far from equilibrium, are capable of displaying oscillations in species concentrations and hence in colour, electrode potential, pH and/or temperature. The oscillations arise from the interplay between positive and negative kinetic feedback. Mechanisms for such reactions are presented, along with the rich phenomenology that these systems exhibit, from complex oscillations and chemical waves, to stationary concentration patterns. This review will focus on the Belousov-Zhabotinksy reaction but reference to other reactions will be made where appropriate.

Spatio-Temporal Perturbation of the Dynamics of the Ferroin Catalyzed Belousov−Zhabotinsky Reaction in a Batch Reactor Caused by Sodium Dodecyl Sulfate Micelles

“…It is known that ferroin and ferriin decompose in the presence of strong acid: 3,26,27 Fe(phen) 3 n+ + 3H + 98…”

“…It represents the catalytic oxidation of an organic substrate with active methylenic hydrogens, generally malonic acid (CH 2 (COOH) 2 , MA), by bromate ions in a strongly acidic aqueous solution. 1,2 The general stoichiometry has the form: 2BrO 3 -+ 3MA + 2H + 98 catalyst 2BrMA + 4H 2 O + 3CO 2 (1.1) where BrMA is bromomalonic acid (BrCH(COOH) 2 ). The most used catalysts are metal redox couples such as Ce(IV)/Ce(III) or ferriin/ferroin (Fe(phen) 3 3+ /Fe(phen) 3 2+ ).…”

“…Complexes that show markedly different color in different oxidation states, like ferroin, are often used to visualize patterns and structures generated by the BZ reaction when coupled with transport phenomena. 3 The BZ reaction mechanism is very complex, and the latest proposed full models for the cerium catalyzed reaction involves more than 80 elemental steps. 4,5 In the Appendix section, we show a simplified model used for ferroin catalyzed BZ systems; we employed this model to perform the simulations reported in the discussion section.…”

Dinâmica complexa no sistema bromato/hipofosfito/acetona/manganês e ferroína

“…Uma grande motivação para tais estudos reside na utilização de análogos químicos como modelos funcionais 5 no estudo de padrões de atividade em sistemas biológi-cos, obviamente, bem mais complexos e menos tratáveis 6 . Exemplos de sistemas físico-químicos, cujas propriedades emergentes vêm sendo estudadas recentemente incluem processos heterogêne-os nas interfaces sólido/gás [7][8][9] e sólido/líquido [10][11][12] , assim como reações homogêneas como no caso dos osciladores da família do bromato [13][14][15][16] .…”

“…Uma grande motivação para tais estudos reside na utilização de análogos químicos como modelos funcionais 5 no estudo de padrões de atividade em sistemas biológi-cos, obviamente, bem mais complexos e menos tratáveis 6 . Exemplos de sistemas físico-químicos, cujas propriedades emergentes vêm sendo estudadas recentemente incluem processos heterogêne-os nas interfaces sólido/gás 7-9 e sólido/líquido 10-12 , assim como reações homogêneas como no caso dos osciladores da família do bromato [13][14][15][16] .Em sistemas homogêneos, fenômenos temporais complexos na forma de oscilações ou multi-estabilidade são observados em reatores volumétricos com a solução mantida sob agitação, enquanto auto-organização espaço-temporal como ondas químicas e frentes reacionais se manifestam em sistemas estagnados, em condições nas quais termos reacionais cooperam com termos de transporte. Em geral, as seguintes características são desejáveis para um sistema químico homogêneo ser utilizado na investigação da dinâmica de padrões espaço-temporais bidimensionais em uma camada fina de solução 17 : oscilar em batelada a temperatura ambiente por um período considerável; não produzir produtos gasosos ou sólidos (precipitados); apresentar formação de ondas químicas e padrões espaço-temporais facilmente visíveis e com comprimento de onda e velocidade adequados; ser susceptível à perturbação ou ao controle, por exemplo, fotoquimicamente e, apresentar um mecanismo homogêneo relativamente simples que permita modelagem e simulação numérica.…”