无机化学实验“摇摆反应”的实质是什么？

Question

反应颜色从无色变琥珀色再变蓝黑色，再变琥珀色再变蓝色，如此反复，这个反应的实质是什么？最后颜色是蓝黑色，为什么不能无限变化呢？

Answer 1

摇摆实验一般叫做震荡反应，也叫时钟反应。如果你想知道的话，看看这个
〔实验〕配制三种溶液
A．102.5ml30％的双氧水溶液稀释至250ml
B．10.7gKIO3加10ml 2mol／l的硫酸，稀释至250ml
C．取0.075g淀粉溶于少量热水并加3.9g丙二酸和0.845g硫酸锰稀释至250ml
用三支量筒分别量取A、B、C各50ml，同时加入至洁净的250ml烧杯，用玻璃棒略搅拌后静置。你认为会出现什么样的现象呢？
让我暂停一下，来强调这种现象多么出乎意料。假设我们有两种分子，一种是“琥珀色”，一种是“蓝色”。由于分子的混乱运动，我们可以想象在给定瞬间有较多“琥珀色”位于容器某一区域，过一会儿，有较多“蓝色”聚集等等。这样，我们观察到的溶液呈现“黑或灰色”，有可能偶然而不规则闪现“琥珀色”或“蓝色”。但是，事实并非如此，在这里，系统开始完全无色，然后它突然把颜色改变为琥珀色，然后又改变为无色(相当短暂)，迅速又改变为蓝色，溶液的颜色就在琥珀色与蓝色之间振荡，并且所有这些改变都以有规则的时间间隔发生，维持着一个恒定周期自动变化。
这个反应是1960年初期被发现的“别罗索夫－柴波廷斯基”反应，简称B－Z反应。相似的反应模式还有俄冈器、布鲁塞尔器，但要更复杂些，稍后还要提到。这些反应被称为“化学钟”。
在上面的实验里存在着这样的5个反应：
2KIO3＋5H2O2＋H2SO4＝I2＋K2SO4＋6H2O＋5O2↑ (1)
I2＋5H2O2＋K2SO4＝2KIO3＋4H2O＋H2SO4 (2)
I2＋CH2(COOH)2—→CHI(COOH)2＋I－＋H＋ (3)
I2＋CHI(COOH)2—→CI2(COOH)2＋I－＋H＋ (4)
I－＋I2＝I3－ (5)
丙二酸的加入是为了以I3－的形式“贮存”I2，以增大I2的溶解度。这样能延长变色时间周期和循环次数。我曾做过加热实验，在加热情况下，产生的I2很快以碘气的形式挥发使反应中断。显然蓝色是由碘分子与淀粉溶液作用的结果。溴和氯的衍生物是可以代替碘化物的，但“显色剂”不同，这时用试亚铁灵(硫酸亚铁二氮杂菲)，在适当的催化剂如铈、锰或试亚铁灵的存在下有机酸(丙二酸)被溴酸盐氧化。5个反应累加结果发现是H2O2—→H2O＋O2↑。如果向反应器中不断加入溴酸盐、丙二酸、双氧水反应物，同时产物通过溢流管不断离开反应器，这样可以使化学钟无限期走下去。
归根结底还是利用氧化剂、还原剂进行反应，所以随着氧化剂、还原剂的消耗殆尽反应终究会停下来。