Büro für Altlastenerkundung und Umweltforschung
Dr. Rainer Haas
Stadtwaldstr. 45a, D-35037 Marburg, Tel.: 06421/93084, Fax: 06421/93073
email: haasr@gmx.net
Моделирование химической реакции
по аналогии с
Raleigh-Benard конвекцией.Райнер Хаас
1, Инго Шрайбер2Оригинальная статья опубликована
"Experimental Technique of Physics", Vol. 42 (1996), #1, p. 127-134
Перевод на русский язык:
Ольга Циунчик, 2002.Абстракт:
В настоящей статье описываются некоторые аспекты модели протекания химической реакции, что представляет собой образование йод-йодит-старч- комплекса при UV-облучении калий-йодид/старч-раствора; обсуждаются возможные аналоги с Releigh-Benard конвекцией.
Некоторые примеры модели образования химических реакций были описаны в научных публикациях. Основываясь на некоторых из них (1-5) мы изучали простую химическую реакцию, в результате которой образуются четкие структуры. Путем модификации некоторых параметров мы попытались установить число моделей, которые могут быть получены такой реакцией. В течение указанных экспериментов мы наблюдали некоторые неожиданные эффекты.
В чашку Петри ( диаметр: 10 см, высота наполнения: 0.5 см) были помещены 1.5% раствор йодида калия и 1% к 2.5% крахмальный раствор, которые затем были облучены
UV-светом. При UV-облучении образовался свободный йод, который вступая в реакцию с крахмалом образует йод-йодид-старч- комплекс.Уже после нескольких секунд облучения ультрафиолетом, на поверхности раствора появлялись тонкие полосы старч-комплекса, разветвляясь по всем направлениям. Спустя 1 минуту после облучения можно было наблюдать выпуклую, утолщающуюся сеть. В местах соприкосновения со стеклянной посудой угол между клетками и чашкой Петри был строго 90*.
Спустя 3 минуты после начала облучения йод-старч комплекс медленно погружался под водный слой. Полосы, образовывавшие сеть, утолщались, сообщаясь между собой и формируя нечто подобное вертикальным стенам. Как только "стены" достигли определенной глубины, начинала формироваться проекционная картина поверхности сети, но уже в толще раствора. Наибольшее количество образовавшегося продукта было аккумулировано по окружности соприкосновения продукта со стеклом и в плоскости "вертикальных стен".
Спустя 15 минут после облучения синий слой начинал появляться на поверхности, отображая первичную полигональную структуру.
Этот продукт реакции представляет собою йод-йодид-старч-комплекс, имеющий адсорбц. максимум 560 нм. Комплекс образовывается в результате прямой реакции йода, йодида калия и крахмала в водном растворе и имеет адсорб. максимум 600 нм. Контрольные опыты доказали, что при
UV- облучении раствора йодида калия выделялся свободный йод. В том случае, когда вся поверхность раствора в чашке Петри не была подвержена облучению, главная реакция оставалась прежней, в зоне облучения создавались вышеописанные структуры, в то время как в "необлученной" зоне не наблюдалось немедленной реакции. Однако, как только полигональные структуры начинали разрастаться по направлению к основанию чашки, они на более глубоком уровне, также распространялись в виде синих тяжей через "необлученную" зону в различных направлениях. Каждый из этих тяжей при соприкосновении со стеклянной стороной чашки Петри образовывал угол 90*. Тяжи продолжали распространяться до того момента, пока не охватили всю поверхность. На поверхности раствора они образовали структуру, подобную структуре, образованной на дне чашке Петри.Таким образом, эксперимент показывает, что вышеописанные структуры являются конвекционными клетками. Вытянутые клетки (тяжи), распространявшиеся в различных направлениях в чашке Петри были обнаружены во всех экспериментах.
При заполнении емкости на 1 см в высоту образовывалась двухфазная система, с хорошо различимой протекающей конвекцией в верхнем уровне и в то же время не наблюдаемая глубже 0.5 см
.Двухфазная система оставалась стабильной в течение 6 часов после прекращения облучения. Затем клетки верхнего слоя разрушались, образуя множество нитевидные структуры, которые затем растворились в течение 30 минут. Кроме того, в ходе эксперимента изменялся показатель вязкости раствора. Диаметр конвекционных клеток зависел от вязкости раствора. Только с определенный уровнем вязкости, при концентрации крахмала от 1 до 2.5% возможно образование данной специфической структуры.
Для определения зависимости между вязкостью раствора и структурой клеток использовались растворы йодида калия 1.5%и высота заполнения чашки Петри на 1 см. При наибольшей вязкости раствора, что соответствовало концентрации крахмала 2.5%, появлялись небольшие клетки с диаметром 1 мм на глубине 2 мм. При меньшей вязкости раствора, с концентрацией крахмала 1% диаметр клеток достигал 5 мм, погружаясь в толщу раствора на 5 мм.
При заполнении посуды раствором высотой в 5 см ( цилиндрический стакан, диаметр 5 см), тяжи синего цвета появлялись на поверхности раствора после начала УВ облучения. Все "нити" брали начало в одной единственной точке на поверхности и последовательно погружались в толщу раствора на манер диффузии. Образование конвекционных клеток не наблюдалось.
2. Обсуждение результатов
Эффект конвекции клеток на различных слоях жидкости, наблюдаемый нами в ходе эксперимента, может служить аналогом
Raleigh-Benard конвекции по следующим причинам:Поверхность раствора покрывали слоем порошкообразного алюминия по которому судили об отсутствии движения (конвекции) в низших слоях. Такой факт подтверждает отсутствие движения (перемещений) тонких слоев ( тоньше 1 мм) на поверхности.
Но в то же время, даже описанные феномены, схожие с Raleigh-Benard конвекцией зависят от абсолютно различных физических условий. В случае Raleigh-Benard конвекции температурный градиент противоположен силе тяжести.
Энергия, необходимая для образования конвекции клеток возникает от постоянного нагревания в реакционном сосуде. В случае же с нашей системой сила процесса конвекции не может быть температурным градиентом. Поверхность раствора получает энергию при облучении. Однако, как только поверхность становиться достаточно нагретой, энергия начинает работать против процесса конвекции.
_____________________________________________________________________
Analogies of pattern forming chemical reaction with
Raleigh-Benard convection
Rainer Haas1, Ingo Schreiber2
Abstract
In this paper some aspects of a pattern forming chemical reaction - that is of the formation of an iodine-iodite-starch-complex by UV-irradiation of a potassium-iodite/starch solution are described. Analogies with the raleigh-Benard convection are discussed.