home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ HaCKeRz KrOnIcKLeZ 3 / HaCKeRz_KrOnIcKLeZ.iso / drugs / cyclic.reactions < prev    next >
Text File  |  1996-05-06  |  15KB  |  315 lines

  1. Psychedelic Chemistry - LITERALLY. Making repeating lightshows using
  2. CYCLIC REACTIONS: They look pretty.
  3.  
  4. Collected notes.
  5.  
  6. From u114339@beta.lanl.gov
  7. Subject: Re: Cool Reaction(Ithink) 
  8. runyon@oxy.edu (Scott Runyon) writes:
  9. >I recently saw a reaction demonstrated on television as follows:
  10. >   Chemical solutions(3 I believe) are poured into a large beaker
  11. >   with a spin bar at bottom. 
  12. >   Spin bar is turned on and withina minute or so, the clear liquid
  13. >   turns red....another minute or so and the liquid turns blue...
  14. >   another minute or so and the liquid turns clear again...you get 
  15. >   the point...
  16. >   The gentleman demonstrating referred to the reaction by its 
  17. >   name, the Briggs-Roucher cyclic reaction...I may have heard
  18. The Briggs-Raucher reaction is carried out as follows:
  19.      in a 250ml beaker, mix equal volums (about 10ml) of each of the following:
  20.                  A   6% H2O2 
  21.                  B   4.3g KIO3 dissolved in 100 ml H2O + 1.5 ml 6M H2SO4
  22.                  C   1.56g malonic acid + 0.34g MnSO4.H2O dissolved in 100ml H2O
  23.                        + 3 mL of fresh 1% soluble starch solution
  24.      swirl beaker gently to mix.  Several seconds after last ingrediant is added
  25.      the mixture turns yellow, then blue, colorless, yellow, ...
  26. The reaction which you refer to is probably the Belousov_Zhabotinskii reaction, I could give you that recipe also if you wish.  It is a bit more difficult how-
  27. ever because it is somewhat tempermental.  The colors are red and blue and are
  28. both spacial as well as time resolved.  For this reaction, you must have a 
  29. source of deionized water because it is very sensitive to chloride.
  30.  
  31. ***************************************************************************
  32.  
  33. >From lev@cv4.chem.purdue.edu
  34. Subject: Re: !**EXPERIMENT BACKGROUND**! 
  35. >     I need some information about the Briggs-Rauscher reaction.  This
  36. > reaction starts with thre colorless solution, then it turns amber
  37. > and latter turns blue-black.  This process repeats itself for about 5-10
  38. > minutes.  Here is my dilema: I want to know what causes these color
  39. > changes and why? The chemicals involved are:
  40. > potassium iodate, sulfuric acid, malonic acid, manganese(II) sulfate
  41. > monohydrate, starch and sodium thiosulfate.
  42. The first fast answer is "Yellow/amber is due to I2, blue-black is due to
  43. iodine-starch complex".  I did this reaction in slightly different way -
  44. instead of thiosulphate I used H2O2.  I think what's going on is very
  45. similar, so I'll show what I did then and a scheme involved.  This is a
  46. great stuff, very impressive, and a great demonstration.  I remember when
  47. I finally mixed solutions and it started blinking, I was about to jump
  48. around the apartment ;-) (I was a high school junior then).  The reaction
  49. was lately described in Sept. 1984 issue of Russian "Chemistry and Life"
  50. magazine, p.56, and I'm copying from there now.  The make-up was as
  51. follows: 
  52.  
  53. Solution 1.  Dilute 102.5ml of 30% H2O2 by water to the total volume 250ml.
  54.  
  55. Solution 2.  Dissolve 1.1 ml of concentared H2SO4 (HClO4 works as well) 
  56. in 10 ml of water, add water to make the volume about 50-60ml, dissolve 
  57. 4.28g KIO3 (slightly heating it) and add the water till the total 100ml 
  58. of solution.
  59.  
  60. Solution 3.  Make a solution of 0.08 g of starch in a small amount of 
  61. water (heating needed), dissolve there 3.9 g of malonic acid and 0.85 g 
  62. of MnSO4, and add water to form 250ml of solution.  
  63.  
  64. Add 100ml of solution 2 in the big beaker, and 100ml of solutions 1 and 3 
  65. in smaller ones.  Than simultaneously add solutions 1 and 3 to the big beaker
  66. (stiring).  Then sit and start staring on it ;-).  First it'll be 
  67. colourless, but in several seconds starts changing.
  68.  
  69. What's going on is the oxidation of malonic acid by H2O2 in the presence
  70. of iodate ions and mmanganese ions (which are the catalyst), and starch
  71. works as an indicator.  The summary equation is
  72.  
  73. CH2(COOH)2 + 4H2O2  ---> 3CO2 + 6 H2O,
  74.  
  75. But the reaction stoichiometric concentration ratios are different of ones
  76. that can be found from this equation.  The conditions when the color
  77. changes are well seen by human eye were found experimentally. The magazine
  78. says that they were found to be: 0.067M KIO3, 1.2M H2O2, 0.053M H2SO4,
  79. 0.05M malonic acid, 0.0067M MnSO4.  Starch is added in minor amounts - 
  80. 0.01%, and Iodide-starch complex formes only when I- concenration reaches 
  81. 10E-4 M.  And after full oxidation of malonic acid the reaction stops ;-)
  82.  
  83. If the scheme will be hard to read in ASCII, email me and I can send you 
  84. .PCX or hardcopy.  
  85.  
  86.                                
  87.             Mn2+          Mn2+ -----------\           Mn2+
  88.                \        /              H2O2 \        /
  89.             H2O2 \    /                       \    /
  90.                   Mn3+                         Mn3+
  91. CH2(COOH)2 + HIO3 ----> ICH(COOH)2 + CO2 + H2O ----> HI + CO2
  92. (colorless)   ^         (colorless)                  | (colorless)
  93.               |                                      |
  94.               |        This is the main cycle.       |
  95.               |                                      |
  96.              H2O2                                   H2O2
  97.               |                                      |
  98.               |                      starch, I-      v
  99.        I-*I2*starch complex  <---------------------- I2
  100.               (blue)                              (yellow)
  101.  
  102.  
  103. I reproduced the scheme as it was in the article, but actually I have some
  104. doubts about the validity of the first stage 
  105.   CH2(COOH)2 +HIO3 --> ICH(COOH)2 + CO2 + H2O
  106.                        ^^^^^^^^^^^^^^^^   
  107. Maybe it's a typo and the author meant ICH2-COOH + CO2 ?
  108.  
  109. Anyways, hope this helps.
  110.  
  111. Lev.
  112.  
  113. ****************************************************************************
  114. Subject: Re: Belosov-Zhabotinsky reaction 
  115.  
  116. "Oscillations and Traveling Waves in Chemical Systems" edited by
  117. Richard Field is one of the comprehensive treatments on oscillating
  118. systems. It covers bromate-driven oscillations and a number of models of
  119. BZ reaction. 
  120.  
  121. Alexander Varvak
  122. Brandeis University
  123. Dept. of Chemistry
  124. email: avarvak@jbh.chem.brandeis.edu
  125. ***************************************************************************
  126.  
  127. From: tyronaut@irisdav.chem.vt.edu
  128. You can start by checking Ilya Prigogine's books:
  129. Exploring Complexity,  (don't remember the publisher, sorry :(   )
  130. Self-organization in Non-equilibrium Systems.  This book has a section 
  131. specifically devoted to the Briggs-Rausch rx'n.  Lots of references.
  132. Both books were co-authored with G. Nicolis.
  133.  
  134. ***************************************************************************
  135.  
  136. From: Kinsley William <kinsleyw@ERE.UMontreal.CA>
  137.     Sorry I haven't thanked you sooner for the Briggs-Raucher recipe and 
  138. explanation.  It looks easy and friendly and I hope that it will interest 
  139. the students who have been intimidated by Shakhashiri.
  140.     The Liesegang rings preparation has been based on R. Sassen,
  141. Scientific American 220:131(1969) and B. Z. Shakhashiri, "Liesegang 
  142. Rings," in Chemical Demonstrations, Vol. 2, Univ. Wisconsin: Madison WI 
  143. (1985).
  144.     A reference which has come up from this query but not yet checked 
  145. out is A. H. Sherbaugh III and A. H. Sherbaugh Jr., J. Chem. Educ. 66:589(1989)
  146. References are mushrooming, all very scholarly but none with the spectacular
  147. pictures stuck in my memory.  On the other hand, we're now spurred to try 
  148. dynamic oscillations.  Thanks again for your help.
  149. Therese
  150.  
  151. ***************************************************************************
  152. >From bruce@news.srv.ualberta.caTue May 16 14:51:37 1995
  153. Reply to: Bruce.Clarke@ualberta.ca
  154. > Are there any reactions that oscillate? Are there any that do not need other
  155. > chemicals than those I have in my kitchen? I'd like to know about a _really_
  156. > simple reaction, one that I could not possible fail to make, that
  157. > illustrates a very simple diff.eqation. Could anyone _please_ help me to
  158. > find one?
  159.  
  160. There aren't any known oscillating reactions which are simple or use only
  161. chemicals in your kitchen.
  162.  
  163. The known oscillating reactions are one of three types:
  164.  
  165. (1) An enzyme is involved.
  166. --------------------------
  167.  
  168. It has to be purified from a bioligical system. Horseradish peroxidase is one.
  169. The enzyme PFK of glycolysis is another. These reactions can usually be
  170. modelled with simple differential equations, but the oscillations come from
  171. the very complex kinetics of the enzyme.
  172.  
  173. (2) Oxyhalogens, an organic acid, and a transition metal.
  174. ---------------------------------------------------------
  175.  
  176. This group makes up practically all the experimental oscillating systems
  177. people work on.
  178.  
  179. In these reactions there is a very oxidized halogen like HBrO3, and an organic
  180. acid like malonic acid which reduces the HBrO3. The halogen forms a series of
  181. ions having a single halogen atom and various numbers of oxygen atoms, and the
  182. oxidation states are all odd or even. For example, Br in HBrO3, HBrO2, HBrO
  183. and HBr has oxidation states 5, 3, 1, -1.
  184.  
  185. The organic acid cannot reduce the oxyhalogen directly. Instead, it passes a
  186. single electron to a transition metal such as Fe or Mn which acts as an
  187. intermediary. The metal must have adjacent oxidation states, such as Fe+2 and
  188. Fe+3. This metal ion must pass two electrons to the oxyhalogen in order to
  189. change the oxidation state by two, from +5 to +3 (say). However, this can only
  190. be done by forming a small quantity of the relatively unstable in-between
  191. oxidation state, which is +4 (in BrO2). Being unstable, two of these
  192. in-between molecules spontaneously change into the stable +3 and +5 states in
  193. the reaction
  194.  
  195.  2 BrO2 + H2O --> HBrO3 + HBrO2
  196.  
  197. When you combine this reaction with twice (times 2) the reaction where the
  198. metal ion gives an electron to the higher oxidation state to form the
  199. in-between state:
  200.  
  201.   Fe+2 + HBrO3 + H+ --> Fe+3 + BrO2 + H2O
  202.  
  203. you get the combined reaction:
  204.  
  205.  BrO2 + 2 Fe+2 + HBrO3 + 2 H+ --> 2 Fe+3 + 2 BrO2 + H2O
  206.  
  207. This reaction has a important feature: the in-between substance BrO2
  208. reproduces itself AUTOCATALYTICALLY.
  209.  
  210.  BrO2 ... ---> 2 BrO2 ...
  211.  
  212. When the in-between species can reproduce itself, an explosive growth in the
  213. concentration of that species is possible. This is the source of instability
  214. that causes the oscillations. BrO2 will only grow autocatalytically if the
  215. rate of the above reaction is faster than the rate of all reactions where
  216. something reacts with BrO2 and removes it. To have oscillations, other
  217. parts of the mechanism must provide negative feedback which limits the
  218. autocatalytic explosion. The negative feedback occurs when the mechanism
  219. generates something that reacts with BrO2 and removes it faster than it can
  220. reproduce itself. This inhibiting substance must disappear if BrO2 stops
  221. reproducing itself, so that the reproduction of BrO2 will resume.
  222.  
  223. Because chlorine, bromine and iodine form a large number of ions and molecules
  224. with oxyen, and many of the oxidation states differ by two, there are many
  225. possible ways for a transition metal to pass a single electron twice to one of
  226. the higher oxidation states. This often produces an autocatalytic reaction and
  227. can result in oscillations under the right experimental conditions.
  228.  
  229. I once wrote some software that counted the number of different ways a series
  230. of 2-electron species could be unstable when reacting with 1-electron species
  231. and got over 500 different ways.
  232.  
  233. As a result, there are a large number of oscillators that are variations on
  234. this idea. They use various transition metals, various organic acids, and a
  235. number of different oxidized halogens. Taking into account all the
  236. combinations we there are about 200 oscillators.
  237.  
  238. The problem for you is, you don't have oxyhalogens or transition metal ions
  239. in your kitchen.
  240.  
  241.  
  242. (3) Like the above (case 2) but using Group VI instead of Group VII.
  243. --------------------------------------------------------------------
  244.  
  245. There are a few very rare examples where a Group VI element plays the role
  246. that the Group VII element usually plays. For example, there is an oscillator
  247. where peroxydisulfate, S2O8-2 acts as the oxidized state analogous to bromate.
  248. It is reduced from the +7 state to the +5 state in SO4- by silver acting as an
  249. intermediary. The intermediary has to have two important oxidation states. In
  250. this case, the mechanism that fits the experimental data uses Ag+ and Ag+2.
  251. The organic acid is oxalic acid.
  252.  
  253. You can read about this oscillator in my paper in the Journal of Chemical
  254. Physics, vol 97, pages 2459-2472 (1992).
  255.  
  256. This example has an unusually complex mechanism. When Ag+ donates electrons
  257. to S2O8-2 (+7 state) to reduce it to SO4- (+5 state), the in-between state
  258. is sulfate SO4-2 and is stable. The instability does not follow the above
  259. pattern where the unstable inbetween state reproduces itself autocatalytically.
  260.  
  261. Instead, the instability comes from the way Ag+2 and SO4- work together to
  262. gain electrons from oxalate and the CO2- radical. This system is problbly the
  263. most complex oscillator that is well understood.
  264.  
  265. As a general rule, when everything reacts with everything, chemistry is stable
  266. and oscillations are not possible. Oscillations tend to occur when the
  267. possible reactions are restricted due to only certain pathways being catalyzed
  268. by enzymes, or only certain pathways being possible because one-electron
  269. reducing agents and two-electron oxidizing agents are only able to react via a
  270. metal intermediate. When the pathways are restricted, the greater the
  271. complexity, the greater the chance of oscillations.
  272.  
  273. Since you wanted simple differential equations, the oscillator invented by
  274. Lotka in 1909 is one of the simplest. Keep A and P fixed and integrate X and Y
  275. using mass action kinetics for the following mechanism:
  276.  
  277. A + X --> 2 X
  278. X + Y --> 2 Y
  279.     Y --> P
  280.  
  281. This has two autocatalytic steps, and as I've explained, it takes a complex
  282. mechanism in real chemistry to get an autocatalytic step. Hence, it is
  283. extremely unlikely that any real chemical system has this mechanism; however,
  284. with a lot of approximations a complex chemical system might yield this
  285. mechanism. It also has a mathematical flaw. The oscillation disappears if you
  286. put in the reverse of any of these reactions, no matter how small the rate
  287. constant. Since all real reactions are reversible, even a real system with
  288. this mechanism wouldn't ocillate.
  289.  
  290.  
  291. --
  292. ---------------------------------------------------------------------
  293. Bruce Clarke                 | internet:   Bruce.Clarke@ualberta.ca
  294. Department of Chemistry      | compuserve: 70740,3135
  295. University of Alberta        | phone voice (403) 492-5739
  296. Edmonton AB, T6G 2G2         | phone fax   (403) 492-8231
  297. Canada                       | WWW server: www.chem.ualberta.ca
  298.  
  299. ***************************************************************************
  300.  
  301. >From cm471@cleveland.Freenet.EduFri Jun  2 19:49:25 1995
  302. Date: 2 JUN 1995 23:57:10 GMT 
  303. From: "Vincent J. Perricelli" <cm471@cleveland.Freenet.Edu>
  304. Newsgroups: sci.chem
  305. Subject: Re: Chaos in chemistry? 
  306.  
  307. Here are a few articles that are probably generally available:
  308.  
  309. "Clocks and Chaos in Chemistry" by Stephan Scott, _New Scientist_, v 124, 
  310. 2 Dec 1989, pp. 53ff.
  311.  
  312. "Controlling Chaos in the Belousov-Zhabotinsky Reaction" by V. Petrov,
  313. V. Gaspar, J. Masere, and K. Showalter, _Nature_, v 361, no 6409, 
  314. 21 Jan 1993, pp. 240-243.
  315.