らくらく化学実験」/Fun Chemistry Experiment


     振動反応に感動!

「実験概要」色の変化が繰り返し起こる

ガラスのシリンダーの中で水溶液が青色になったり赤褐色になったりが数秒間隔で繰り返されます。化学反応というと一方的な変化をイメージしがちですが、生体レベルで考えると割と自然な反応パターンだそうです。しんどくない自然の振動反応なわけです。確かに色変化がまるで生き物が呼吸しているかのように見えてきます。

「キーワード」
酸化還元反応 イオン 濃度 反応速度 振動反応


「画 像」
数秒間隔で青→赤褐色→青→赤褐色・・・を繰り返す。



「画 像」
容器を変えて薄い層を作らせると絶妙な色の縞模様ができ続ける




「動 画」





「準 備」「実験操作」「補足」「注意事項」

WEB非公開


「よく観察してみると」

ABCの3種類の溶液を次々加えていくと透明水溶液が褐色を呈し、3分程度異臭のする気体が発生します。3分程度経過後、透明になったところでD液を加えると、一瞬青い色になったかと思うと赤褐色の透明溶液となります。すると数秒後にはきれいな青色になり、すぐさままた赤褐色にと、色の振動がずっと続きます。なんとも不思議な光景で、まるでライトの点滅のように色がスイッチします。青い色を呈する時間がやや短いですが、振動の間隔は環境によりますが、2秒くらまで短くすることができます。

たくさんの種類の物質を加えたので、さまざまな反応が競い合うように起こり、化学反応速度に影響を与えているのでしょう。まるで生物の呼吸や心臓の鼓動のような動きに見えてきます。水溶液を3本のメスシリンダーに分割すると、それぞれがタイミングをずらして振動するので興味深いです。溶液を移す際の初期条件の影響があるのかもしれません。さらに、長いシリンダーに溶液を集めてみますと、今度はなんと色の変わる部分が帯になって移動していく様子がわかります。まるで理髪店の前に置いてあるあの色帯のシンボルのように、青と赤のラインがうねるように動いていくではありませんか。シャーレ内にも、色が変化しながら縞模様がどんどん作りられていきます。

 

「解 説」

1. 自発的なリズムを作り出す複雑な化学反応が同時に進行

反応の材料として用いた物質は6種類ですが、それぞれが新しい生成物とさらにまたお互いが反応することで、関係する反応式は10以上にもなります。うんと単純にいうと、全体としては臭素酸がマロン酸を酸化して次のような酸化還元反応が起こります。

2BrO3-+3CH2(COOH)2+2H+2BrCH(COOH)2+4H2O+3CO2

ところがこの反応過程で2種類の鉄イオン(Fe2+Fe3+)の酸化還元反応が目まぐるしく起こり、それぞれの鉄イオンがo-フェナントロリン3分子と錯体をつくり、別の色(赤と青)を呈するのです。

[Fe(C12H8N2)3]2+ →  [Fe(C12H8N2)3]3+ + e-

還元型:フェロイン(赤色)      酸化型:フェリイン(青色)

ややこしいことに、この2種類の錯体は反応の前後で完全に変化しきってしまうのではなく、電子の受け渡しの媒体に過ぎない触媒としての役割をするのみです。ですから反応式には加えないのです。さらに、これら鉄イオンの電子の受け渡しに関与しながら全体の反応式上には現れない物質として Br- HBrO2- などがあり、それぞれが複数の反応で消費されたり自己増殖したりと絶妙なバランスの上に反応が進行しているのです。

 

2. BZ反応

この振動反応は、ソ連のBelousov(ベロウソフ)1951年に発見し、その後同じくソ連のZhabotinsky(ジャボチンスキー)が実験の追試を行い、化学反応のリズムが明瞭な形で現れる実験系を確立しました。彼らの名前をとってBZ(ベロウソフ−ジャボチンスキー)反応と名付けられたものです。もともと、生物のエネルギー代謝に関わる重要な反応であるクエン酸回路の研究がスタートで、体内で有機酸がどのような触媒で酸化されていくかを研究している過程で発見されたものです。リズムやパターンが自発的に作り出される化学反応は、呼吸や心臓の鼓動、神経パルスにも似通っていて大変興味深いものです。特にシャーレの縞模様に見る空間的伝播は、通常の波のように液面を上下して干渉し合うことがなく、化学振動のひとつの特徴ともなっています。


【管理者】山田暢司
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