13 BZ振荡反应.doc

物理化学实验BZ振荡反应实验十三 BZ振荡反应一、实验目的1.了解BZ振荡反应的基本原理；体会自催化过程是产生振荡反应的必要条件。2.初步理解耗散结构系统远离平衡的非线性动力学机制。3.掌握测定反应系统中电势变化的方法；了解溶液配制要求及反应物投放顺序。二、实验原理自然界存在大量远离平衡的敞开系统，它们的变化规律不同于通常研究的平衡或近平衡的封闭系统，与之相反，它们是趋于更加有秩序、更加有组织。由于这类系统在其变化过程中与外部环境进行了物质和能量的交换，并且采用了适当的有序结构来耗散环境传来的物质和能量，这样的过程称为耗散过程。受非线性动力学控制，系统变化显示了时间、空间的周期性规律。目前研究的较多、较清楚的典型耗散结构系统为BZ振荡反应系统，即有机物在酸性介质中被催化溴氧化的一类反应，如丙二酸在Ce4+的催化作用下，自酸性介质中溴氧化的反应。BZ振荡反应是用首先发现这类反应的前苏联科学家Belousov及Zhabotinsky的名字而命名的，其化学反应方程式为： （13-1）真实反应过程是比较复杂的，该反应系统中HBrO2中间物是至关重要的，它导致反应系统自催化过程发生，从而引起反应振荡。为简洁的解释反应中有关现象，对反应过程适当简化如下：当Br浓度不高时，产生的HBrO2中间物能自催化下列过程： （13-2） （13-3）在反应（13-3）中快速积累的Ce4+又加速了下列氧化反应： （13-4）通过反应（13-4），当达到临界浓度值后，反应系统中下列反应成为主导反应： （13-5） （13-6）反应（13-6）与反应（13-2）对HBrO2竞争，使得反应（13-2）、（13-3）几乎不发生。Br不断消耗，当Br消耗到临界值以下，则反应（13-2）、（13-3）为主导作用，而反应（13-5）、（13-6）几乎不发生。由此可见，反应系统中Br浓度的变化相当于一个“启动”开关，当时，反应（13-2）、（13-3）起主导作用，通过反应（13-4）不断使Br积累；当时，反应（13-5）、（13-6）起主导作用，Br又被消耗。由于反应（13-2）、（13-3）中存在自催化过程，使动力学方程式中出现非线性关系，导致反应系统出现振荡现象。Br在（13-5）、（13-6）中消耗，又在反应（13-4）中产生；Ce3+、Ce4+分别在（13-3）、（13-4）中消耗和产生，所以Br、Ce3+、Ce4+在反应过程中浓度会出现周期性变化，而和反应物，在反应过程中不断消耗，不会再生，因此，它们不会出现振荡现象。值由反应（13-2）、（13-6）可求得所以 三、仪器与试剂NDM-1电压测量仪； SYC-15B超级恒温水浴；磁力搅拌器； 反应器100ml；217型甘汞电极； 213型铂电极；数据采集接口装置； 计算机；溴酸钾（GR）； 硝酸铈铵（AR）；丙二酸（AR）； 浓硫酸（AR）。四、仪器装置连接图五、实验步骤1.用1.00硫酸作217型甘汞电极液体；2.按图连接好仪器，打开超级恒温水浴，将温度调节至25.00.1；3.配制0.45丙二酸250ml、0.25溴化钾250ml、3.00硫酸250ml；在0.20硫酸介质中配制的硫酸铈铵250ml；4.在反应器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各15ml；5.打开磁力搅拌器，调节合适速度；6.将精密数字电压测量仪置于分辨率为0.1mV档（即电压测量仪的2V档），且为“手动”状态，甘汞电极接负极，铂电极接正极；7.恒温5min后，加入硫酸铈铵溶液15ml，观察溶液颜色的变化，同时开始计时并记录相应的变化电势；8.电势变化首次到最低时，记下时间；9.用上述方法将温度设置为30、35、40、45、50重复实验，并记下；10.根据与温度数据作图。六、注意事项1.实验中溴酸钾试剂要求纯度高，为GR级；其余为AR级。2.配制硫酸铈铵溶液时，一定要在0.2硫酸介质中配制，防止发生水解呈浑浊。3.反应器应清洁干净，转子位置和速度都必须加以控制。4.电压测量仪一定要置于0.1mV分辨率的手动状态下。5.跟电脑连接时，要用