Transport processes driven selforganization in autocatalytic reactions  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
72365
Type K
Principal investigator Tóth, Ágota
Title in Hungarian Transzportfolyamatok által vezérelt önszerveződés autokatalitikus reakciókban
Title in English Transport processes driven selforganization in autocatalytic reactions
Keywords in Hungarian nemlineáris dinamika, kémiai front, tér- és időbeli mintázatok
Keywords in English nonlinear dynamics, chemcial fronts, spatiotemporal patterns
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Physical Chemistry and Materials Science (University of Szeged)
Participants Horváth, Dezső
Starting date 2008-09-01
Closing date 2013-09-30
Funding (in million HUF) 9.978
FTE (full time equivalent) 4.89
state closed project
Summary in Hungarian
Autokatalitikus lépést tartalmazó reakciók térbeli lejátszatása érdekes koncentrációeloszlásokat (mintázatokat) eredményezhet a termodinamikai egyensúlytól távol, a kinetika és a különböző transzportfolyamatok kölcsönhatása révén. A természetes közegekben, mint a tenger- és légáramlatok, a talaj vízoldható szennyeződéseinek mozgása, vagy a biokonvekció, a konvekció az alapvető vezérlő erő. Autokatalitikus reakciók tér- és időbeli önszerveződésénél szintén fontos szerepe van a diffúziónak, ezért az egyes komponensek diffúzióállandójának minél pontosabb ismerete kiemelkedő jelentőségű. Nagyobb molekulák diffúzióállandóját gyakran határoznak meg NMR spektroszkópiával, míg kisebb ionok adott közegben in situ történő mérése nem ismert.

Csoportunk a homogén oldatokban kialakuló konvektív instabilitás kísérleti jellemzésében kiemelkedő szereppel bír; eredményeinkre a folyamatot elméletileg kutatók is biztonsággal alapoznak. Pontosságunkat a továbbiakban is előtérben tartva jelen pályázat célja autokatalitikus reakciókban a hidrodinamika mintázatvezérlő szerepének kísérleti jellemzése egyrészt homogén oldatokban kialakuló két- és háromdimenziós mintázatokban, másrészt előre beállított porózus közegekben. Pályázatunk további célja vizes közegekben jelenlévő NMR-aktív maggal rendelkező molekulák és ionok diffúzióállandójának kísérleti meghatározása impulzus gradiens NMR spektroszkópiával.
Summary
Reactions containing autocatalytic steps may give rise to interesting concentration distribution (spatiotemporal patterns) via the interaction of the kinetics and the transport processes when experiments are carried out far from equilibria. In nature, like the ocean circulation, atmospheric pollution, the movement of water soluble soil contamination, or bioconvection, the major driving force is convection. Diffusion has a significant role in the spatiotemporal selforganization of autocatalytic reactions, therefore the most accurate values of the diffusion coefficients is of great importance.

Our group has earned an international reputation in the experimental study of convective instability; our results may significantly contribute to theoretical advances in the field as well. The aim of this proposal is the experimental characterization of the pattern forming force of hydrodynamics in two- and three-dimensional patterns evolving in homogeneous solutions and in appropriately designed artificial porous media. Our further goal is the experimental determination of diffusion coefficients of molecules and ions in aqueous solutions and hydrogels by pulse-field gradient spin echo NMR spectroscopy.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Autokatalitikus reakciók térbeli lejátszatása során kialakuló frontokat befolyásolja az összetétel változása, valamint a reakcióhő miatti hőmérséklet-változás okozta sűrűségcsökkenés által indukált közegmozgás. A pályázat keretében a reakcióedényekben vízszintesen haladó 2-, illetve 3-dimenziós mintázatok viselkedését térképeztük fel és jellemeztük mennyiségileg a jodát-arzénessav, a klorit-tetrationát rendszerben, és csapadékképződéssel járó reakciókban. Kimutattuk, hogy a frontok alakját jellemző keveredési hossz függ az oldatmagasságtól és vékony frontokban létezik egy univerzális hatványkitevő izoterm körülmények között. Ha a reakciókban fejlődő hő disszipációja és a falon történő leadása összemérhetővé válik, akkor egy állandóan változó mintázat jön létre. A vastagságot továbbnövelve a hőfejlődéssel a mintázat stabilizálható. A jodát-arzénessav rendszerben a jód felületaktív anyag, mely révén a felületi feszültség változás miatt kialakuló Marangoni instabilitást feltérképeztük. Pórusos közegben kimutattuk, hogy egyrétegű, szoros illeszkedésnél a homogén folyadékréteghez hasonló skálázási törvény létezik. Csapadékképződéssel járó reakciókban kimutattuk, hogy termodinamikailag nem stabil kristályok kialakítása, azok mikroszerkezete az áramlással szabályozható. PFGSE-NMR mérésekkel meghatároztuk egyes részecskék diffúzióállandóját, melyet vezetőképesség mérésekkel kiegészítve megadtuk adott közegben a hidrogénion diffúziós együtthatóját.
Results in English
Fronts arising in the spatial system of autocatalytic reactions are affected by convection induced by density change resulting from the change in composition or temperature. In this work we have systematically mapped out the behavior and quantitatively described the 2- and 3-dimensional patterns propagating horizontally in the iodate-arsenous acid, the chlorite-tetrathionate reactions, and reactions accompanied by precipitate formation. We have shown that the mixing length characterizing the fronts depends on the liquid height and there exists a universal exponent under isothermal conditions. If the heat dissipation of the reaction becomes comparable to the heat loss through the wall, a constantly changing pattern develops. Upon increasing the the liquid thickness, the evolved heat stabilizes the pattern. In the iodate-arsenous acid system, where iodine is surface active, we have investigated the Marangoni instability arising due to the change in surface tension. In porous media, we have shown that for voids around a closely packed monolayer a scaling law similar to that for homogeneous media exists. In precipitation reactions, we have shown that the formation and the structure of the thermodynamically unstable crystal forms can be controlled. We have determined the diffusion coefficients of indicator species by PFGSE-NMR measurements, which - together with conductance measurements - allow the determination of the diffusion coefficient of hydrogen ion in hydrogels.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=72365
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bíborka Bohner, Gábor Schuszter, Ottó Berkesi, Dezsõ Horváth, Ágota Tóth: Self-organization of calcium oxalate by flow-driven precipitation, Chemical Communications 50, 4289-4291 (+Inside front cover), 2014
Eszter Tóth-Szeles, Ágota Tóth, Dezsõ Horváth: Diffusive fingering in a precipitation reaction driven by autocatalysis, Chemical Communications, 2014
Gábor Schuszter, Tamara Tóth, Dezső Horváth, and Ágota Tóth: Convective instabilities in horizontally propagating vertical chemical fronts, PHYSICAL REVIEW E 79, 016216, 2009
Rongy L, Schuszter G, Sinko Z, Toth T, Horvath D, Toth A, De Wit A: Influence of thermal effects on buoyancy-driven convection around autocatalytic chemical fronts propagating horizontally, CHAOS 19:(2) p. 023110, 2009
Toth T, Horvath D, Toth A: Density fingering in spatially bimodulated hele-shaw cells, CHEMICAL PHYSICS LETTERS 477:(4-6) pp. 315-318, 2009
Tamás Rica, Éva Pópity-Tóth, Dezső Horváth, Ágota Tóth: Double-diffusive cellular fingering in the horizontally propagating fronts of the chlorite-tetrathionate reaction, Physica D, 239, 831-837, 2010
Éva Pópity-Tóth, Dezső Horváth, Ágota Tóth: The dependence of scaling law on stoichiometry for horizontally propagating vertical chemical fronts, J. Chem. Phys. 135, 074506, 2011
O. Miholics, T. Rica, D. Horváth, Á. Tóth: Oscillatory and stationary convective patterns in a reaction driven gravity current, JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, 135, 204501 (címlap képpel), 2011
Gábor Schuszter, Dezső Horváth, Ágota Tóth: Convective instabilities of chemical fronts in close-packed porous media, CHEMICAL PHYSICS LETTERS 546, 63-66, 2012
T. Gerard, T. Tóth, P. Grosfils, D. Horváth, A. De Wit, Á. Tóth: Hot spots in density fingering of exothermic autocatalytic chemical fronts, Physical Review E 86, 016322, 2012
Éva Pópity-Tóth, Dezső Horváth, Ágota Tóth: Horizontally propagating three-dimensional chemo-hydrodynamic patterns in the chlorite-tetrathionate reaction, Chaos, 22, 037105, 2012
T. Rica, G. Schuszter, D. Horváth, Á. Tóth: Tuning density fingering by changing stoichiometry in the chlorite–tetrathionate reaction, Chem. Phys. Lett., 2013
É. Pópity-Tóth, V. Pimienta, D. Horváth, Á. Tóth: Hydrodynamic instability in the open system of the iodate-arsenous acid reaction, J. Chem. Phys. elfogadva, 2013
Ágota Tóth: Oscillatory and Stationary Convective Patterns in Reaction Fronts, http://www.grc.org/programs.aspx?year=2010&program=oscillat, 2010
Czeglédi, E; Pópity-Tóth, É; Tóth, Á; Horváth, D: Diffusion coefficient measurement in polyelectrolytes and hydrogels, Poszter a Women Chemists and Innovation (Keszthely) Konferencián, 2010
Horváth, D; Pópity-Tóth, É; Tóth, Á: Marangoni Instability in the Iodate--Arsenous Acid System, Előadás az ESA Workshop on chemo-hydrodynamic instabilities at interfaces (Szeged), 2011
Tóth, Á: Convective instabilities in autocatalytic systems, Előadás az International workshop on Pattern formation in chemical and biological systems (Budapest) ülésen, 2010
Horváth, D: Diffusion-driven pattern formation in ionic systems, Előadás a Nonlinear dynamics and self-organization in chemical systems (Bordeaux) ülésen, 2010
Dezső Horváth: Flow induced precipitate patterns in metal-oxalate systems, meghívott előadás a Chemical Gardens konferencián, Lorentz Center, Leiden, 2012. május, 2012
Schuszter Gábor: A konvektív instabilitás vizsgálata vízszintesen haladó reakciófrontokban, SZTE, diplomamunka, 2010
Rica Tamás: Polimeroldatok hatása a közegmozgásra autokatalitikus frontokban, SZTE, TTIK, Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék, 2011
Pópity-Tóth Éva: Diffúzív és konvektív instabilitások tanulmányozása autokatalitikus frontokban, SZTE, TTIK, Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék, 2012
Pópity-Tóth Éva: Diffúzív instabilitás vizsgálata a jodát-arzénessav reakcióban, XXXII. Kémiai Előadói Napok, Nívódíjas előadások szekciója, 51. oldal, 2009



Back »