Double-diffusive cellular fingering in the horizontally propagating fronts of the chlorite–tetrathionate reaction

Abstract

a b s t r a c tHorizontally propagating chemical fronts have been studied in the acid-catalyzed chlorite-tetrathionate reaction. Unusual cellular fingers develop in a relatively thin solution layer. Double-diffusive convection is among the driving forces in the pattern formation arising from the addition of a polyelectrolyte which immobilizes and reversibly removes the autocatalyst hydrogen ion in a controlled manner and drastically slows down the front. Convection therefore becomes significant in the thin horizontal solution layer. To corroborate our results we have measured the solution densities and viscosities, and determined the diffusion coefficients by PFGSE 1 H-NMR.

Marangoni-driven convection around exothermic autocatalytic chemical fronts in free-surface solution layers

“…When the reaction is exothermic, the combination of solutal and thermal density changes comes into play and has been noted to affect for instance the propagation of polymerization fronts in horizontal layers 42,43 and to result in new dynamical behaviors for the case of chemical fronts of the chlorite-tetrathionate (CT) reaction [44][45][46] and of the IAA reaction. 47 On the other hand, the opposite limit case of pure Marangoni flows affecting the propagation of chemical fronts in the absence of density changes has been relatively less investigated except for the case of surface reactions.…”

Diffúzív és konvektív instabilitás tanulmányozása autokatalitikus reakciófrontokban

“…Ma már többféle lehetőség is a rendelkezésünkre áll arra, hogy az előzőkben ismertetett feltétel teljesüljön. Olyan esetben, amikor eredetileg az autokatalizátor diffúziója nem lassabb a reaktánsokénál, vagy le kell lassítani, azaz részlegesen meg kell kötni az autokatalizátort [9][10][11][12], vagy a reaktánst kell felgyorsítani inhomogén elektromos erőtérben [13]. Az előbbi eset első kísérleti megvalósítása a jodát-arzénessav rendszerben történt a jodidion megkötésével pufferált közegben.…”

“…A jelcsillapodás így a módosított Stejskal-Tanner egyenlettel [72] adható meg: 11) ahol I(g) a jel intenzitása, I(0) a gradienstér nélküli jelintenzitás, γ a hidrogénatom giromág-neses hányadosa, ∆ a gradiensimpulzusok kezdete között eltelt idő, δ a gradiensimpulzus időtartama, g a gradiens-térerősség, τ/2 a két ellentétes polaritású és 180 • -os RF impulzussal elválasztott gradiensimpulzus közötti időeltolódás, D pedig a diffúziós koefficiens. Ezen egyenlet segítségével számolhatók ki a diffúziós együtthatók exponenciális lefutású görbék illesztésével.…”

“…A mérés során használt összetételeket a 4.2. táblázatban összegeztem. Az egyes alkotóelemek diffúziójának megmérése után azt tapasztaltam, hogy jelentéktelen mértékben térnek el egymástól a savas, illetve a lúgos közegben mért diffúziós együtthatók [11]. Éppen ezért, ezek 4.2. táblázat.…”

“…Ezt bizonyítják a kapott mérési eredmények is, amiket a 6.2. táblázatban foglaltam össze. Az adatok alapján elmondható, hogy a savas és a bázikus oldatok esetén kicsi a különbség az egyes komponensek esetében mért diffúziós koefficiensek között [11], ezért ezt követően már csak a reaktánselegyekben végeztem el az in situ PFGSE-NMR méréseket.…”