Kinetics of an Oscillating Reaction using Temperature-Controlled UV-Vis Spectroscopy

Aplikace | 2024 | Agilent TechnologiesInstrumentace
UV–VIS Spektrofotometrie
Zaměření
Průmysl a chemie
Výrobce
Agilent Technologies

Význam tématu


Oscilační reakce Briggs-Rauscher patří mezi klíčové modelové systémy pro studium komplexní kinetiky chemických procesů. Barevné přechody poskytují vizuální i spektroskopické informace o mezičláncích a rychlosti jednotlivých dějů. Kontrola teploty a rychlého sběru dat je zásadní pro zachycení milisekundových změn, které ovlivňují porozumění mechanismům a návrh pokročilých analytických metod.

Cíle a přehled studie


Cílem studie bylo současné měření kinetiky Briggs-Rauscherovy reakce při čtyřech různých teplotách (5, 10, 20 a 30 °C) pomocí UV-Vis spektroskopie s přesnou regulací teploty a vysokou časovou rozlišením. Výsledky měly umožnit charakterizovat oscilační periodu, identifikovat klíčové absorpční pásy a stanovit aktivační energii procesu.

Použitá metodika a instrumentace


Pro experiment byla připravena tři zásobní roztoky reagencií (KIO3 a H2SO4; malonová kyselina a MnSO4 a škrob; H2O2) a jejich smísením byla zahájena reakce. Použita byla spektrofotometrie Agilent Cary 3500 UV-Vis vybavená Multicell Peltier sampling module, umožňující:
  • současné měření v osmi kyvetách rozdělených do čtyř teplotních zón
  • nezávislou regulaci a monitoring teploty každé kyvety (0–110 °C, rampy 0,1–40 °C/min)
  • xenonovou výbojku s rychlou pulzací a optická vlákna pro synchronní osvit všech kuvet
  • rychlost sběru 250 datových bodů za sekundu
  • míchání kyvet vestavěnými magnetickými míchadly

Hlavní výsledky a diskuse


Pomocí scanovací kinetiky byly při 5 °C ve spektru zaznamenány klíčové absorpční pásy: široký pás kolem 300 nm (hranice absorpce H2O2), střední vzestup okolo 460 nm (jodový řetězec, jantarová fáze) a intenzivní pás při 610 nm ve fázi tmavě modrého komplexu škrob–I3. Na základě citlivosti a selektivity byl vybrán monitoring při 610 nm pro rychlá měření.
Kinetické křivky ukázaly po přidání H2O2 prudký nárůst absorbance na 610 nm trvající 0,65 až 1,4 s v závislosti na teplotě, po němž následuje pomalejší útlum v několika sekundách. S rostoucí teplotou se oscilační perioda zkracovala (z prům. 69 s při 5 °C na 8,8 s při 30 °C). Tvorba bublinek O2 způsobovala krátké špičky signálu, jejich potlačení bylo dosaženo delší dobou signal averaging (0,1–1 s).
Arrheniova analýza frekvence oscilací vedla k lineárnímu závislosti ln k na 1/T a k hodnotě aktivační energie 58 kJ/mol, což souhlasí s literaturou.

Přínosy a praktické využití metody


Analýza pomocí multizonové UV-Vis spektroskopie přináší:
  • paralelní a rychlé měření při několika teplotách
  • přesnou kontrolu teplotních podmínek a homogenní míchání
  • možnost zachytit rychlé kinetické jevy ve milisekundové škále
  • zdroj cenných dat pro modelování a optimalizaci procesů

Budoucí trendy a možnosti využití


Vývoj těchto metod umožní:
  • rozšíření na další oscilující a kineticky složité reakce
  • integrované vysokokapacitní systémy pro screening podmínek
  • spojení se statistickými a strojově učenými modely pro pokročilou predikci kinetiky
  • průmyslovou aplikaci v kontroly kvality a optimalizaci výrobních procesů

Závěr


Studie demonstrovala schopnost Agilent Cary 3500 UV-Vis s multizonovým Peltier modulem současně charakterizovat kinetiku Briggs-Rauscherovy reakce při čtyřech teplotách. Identifikovány byly klíčové absorpční pásy a ověřena Arrheniova závislost s Ea 58 kJ/mol. Metoda nabízí efektivní platformu pro výzkum rychlých chemických dějů.

Reference


  1. Briggs TS, Rauscher WC An Oscillating Iodine Clock J Chem Educ 1973 50(7) 496
  2. Kim KR, Lee DJ, Shin KJ A Simplified Model for the Briggs-Rauscher Reaction Mechanism J Chem Phys 2002 117 2710–2717
  3. Richard MN, Stanley DF The Oscillatory Briggs-Rauscher Reaction 3 A Skeleton Mechanism for Oscillations J Am Chem Soc 1982 104(1) 45–48
  4. Shakhashiri BZ Chemical Demonstrations A Handbook for Teachers of Chemistry Vol 2 University of Wisconsin Press 1985 248–256
  5. Dutt AK Chloride Ion Inhibition Stirring and Temperature Effects in an Ethylacetoacetate Briggs-Rauscher Oscillator J Phys Chem B 2019 123(16) 3525–3534
  6. Mahon MJ, Smith AL Kinetic Absorption Spectroscopy of the Briggs-Rauscher Oscillator J Phys Chem 1985 89 1215–1216
  7. Singhal A, Grögli P, Geiser B, Handl A A Briggs-Rauscher Reaction-Based Spectrometric Assay to Determine Antioxidant Content in Complex Matrices Chimia 2021 75(1–2) 74–79
  8. Dott AK, Banerje RS Studies on Kinetic Parameters of Briggs-Rauscher Oscillating Reaction Z Phys Chem 1982 2 298–304

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Exploration of Lithium-Thorin Complex Formation Using UV-Vis Spectroscopy
Phase Diagram of the Ouzo Effect Using Temperature-Controlled UV-Vis Spectroscopy
A Fast Method of Studying the Impact of Temperature on Chemical Reactions
Characterization of Antibody-Drug Conjugate Critical Quality Attributes Using the Agilent Cary 3500 UV-Vis Multizone Temperature Capability