1 / 21

Chemische Oszillatoren & Muster

Chemische Oszillatoren & Muster. Was sind chemische Oszillatoren Raumzeitliche Musterbildung Chaos-Control durch Licht Theoretische Beschreibung. Inhalt:. André Bergner, 13.Juli 2004. Belousov-Zhabotinskii-Reaktion.

arvid
Download Presentation

Chemische Oszillatoren & Muster

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Chemische Oszillatoren & Muster • Was sind chemische Oszillatoren • Raumzeitliche Musterbildung • Chaos-Control durch Licht • Theoretische Beschreibung Inhalt: André Bergner, 13.Juli 2004

  2. Belousov-Zhabotinskii-Reaktion • 1951: Belousov schreibt ein Paper, in dem er eine neu entdeckte oszillierende Reaktion beschreibt - wird aber nie veröffentlicht • 1961: Zhabotinskii entdeckt die Reaktion erneut, er versucht Belousov vergebens zu treffen • 1970 stirbt Belousov • 1980 erhalten beide den Lenin-Preis

  3. Belousov-Zhabotinskii-Reaktion • homogene Reaktion erfährt ungedämpfte Oszillation der Konzentrationen fernab vom chemischen Gleichgewicht • ca. 30 verschiedene chemische Spezies beteiligt in ca. genauso viel Einzelreaktionen • es kann zur Lichtemission kommen • Licht beeinflußt die Reaktion

  4. Belousovs Rezept • Zitronensäure und Bromat reagieren in schwefelsaurer Lösung in Gegenwart von Cerium-Ionen • Ce4+-Ionen führen zu Gelbfärbung der Lösung • Färbung oszilliert über längeren Zeitraum zwischen gelb und farblos

  5. Zhabotinskiis Rezept • Cerium-Ionen durch Redoxpaare, z.B. [Ru(bipy)3]2+ / [Ru(bipy)3]3+ • Zitronensäure durch Malonsäure (C3H4O4) Zhabotinskii ersetzt → Farboszillationen sind intensiver

  6. einfaches Experiment • 8ml NaBrO3 (0,5 mol/l) • 10 ml Malonsäure (1,5 mol/l) • 10 ml H2SO4 (5 mol/l) • 7 ml H20 • 4 ml NaBr (0,5 mol/l) • 1 ml Ferroin (0,01 mol/l) (Redoxindiktor, rot) Hinzugabe von Ferroin startet den Vorgang Wichtig: Lösung ständig verrühren (Homogenität)

  7. einfaches Experiment • Lösung wird mit Licht der Wellenlänge 550 nm durchstrahlt • Es ergibt sich folgender (nur) zeitlicher Verlauf mit T=10 s:

  8. Ablauf der Reaktion BrO3-: Bromat-Ionen Br-: Bromid-Ionen Br2: reines Brom Ferroin (2+)/Ferriin: Ruthenium-Ionen + + unterbindet Oxidation

  9. Sturm Galaxie Musterbildung Prigogine prägte den Begriff dissipative Strukturen für nichtlineare Musterbildung im Nichtgleich-gewichtszustand Simulation des Herzes

  10. 2. Hauptsatz der Thermodynamik - Widerspruch zur Selbststrukturierung? Jedes abgeschlossene thermodynamische System entwickelt sich unumkehrbar zum thermo-dynamischen Gleichgewicht hin. (Tendenz zur Energiedissipation)

  11. Prigoginesches Prinzip diS ist die Entropieänderung im Inneren und deS die vom System abgeführte Entropie, wobei gilt diS >0 und deS= beliebig. Bromat und Malonsäure liegen in sehr viel höherer Konzentration vor → sie importieren Entropie von den oszillierenden Stoffen.

  12. Lichtsensibilität der Lösung • Licht der Wellenlänge 452 nm hebt Ruthenium-Katalysator in angeregten Zustand • Ru(bpy)32+ reduziert im angeregten Zustand Bromad zu Bromit Lichtintensität

  13. Experimenteller Aufbau (1) Video Projektor (2) Linse (3) Diffusions-Glas (4) Petrischale (5) Objektiv-Linse (6) Interferenz-Filter (7) CCD-Kamera (8) TV-Monitor (9) Videorecorder (10) PC (11) Signalteiler (12) PC-Monitor

  14. Raumzeitliche Musterbildung • Experiment wird in einer flachen Petrischale durchgeführt (quasi 2D) und darf nicht verrührt werden, Gel-Schicht schützt vor Störungen

  15. Raumzeitliche Musterbildung • Lösung stellt ein erregbares System dar • Lokale Störungen breiten sich aus Störung entlang einer Linie Punktuelle Störung breitet sich ringförmig aus

  16. Raumzeitliche Musterbildung V-Form entsteht durch Kollision zweier linear ausbreitenden Wellenfronten Spiralen entstehen durch einen Bruch in der Wellenfront durch nicht erregbare Bereiche

  17. Raumzeitliche Musterbildung Zwei gegenläufige Spiralen als Anfangszustand vereinigen sich zu einer Einzigen

  18. Raumzeitliche Musterbildung Bei periodischer Anregung breiten sich Wellen aus Auch auftreten von anomaler Dispersion ist möglich (hier numerische Simulation)

  19. Oregonator Model - eine theoretische Beschreibung Dabei sind u,v,w die dimensionslosen Konzentrationen von HBrO2, Ru(bpy)32+ und Br-, e, e´ und q sind Skalierungs-parameter und f ist ein stöchiometrischer Faktor. f ist der lichtintensitätsabhängie Bromidfluss und d der Diffusions-koeffizient.

  20. Quellenangabe • Irene Sendina Nadal: „Patterns on Active Media under the effect of Periodical and Fluctuating Fields“ • Casey R. Gray: „An Analysis of the Belousov-Zhabotinskii Reaction“ • H.Brandtstädter, M.Braune, I. Schebesch, H.Engel: „Experimental Study of the Dynamics of spiral pairs in light-sensitive Belousov-Zhabotinskii media using an open gel-generator“

More Related