BZ振荡反应设计实验报告.doc

设计性实验报告实验名称 酸对B-Z振荡反应的影响 实验报告人 学号 班级 同组人 实验日期 2013 年 月 日室 温 9.9 大气压 102.78KPa 指导老师 评 分 1、前言1.1背景材料在化学反应中，反应产物本身可作为反应催化剂的化学反应称为催化反应。一般的化学反应最终都能达到平衡状态（组分浓度不随时间而改变），而在自催化反应中，有一类是发生在远离平衡态的体系中，在反应过程中的一些参数（如压力、温度、热效应等）或某些组分的浓度会随时间或空间位置作周期的变化，人们称之为“化学振荡”。由于化学振荡反应的特点，如体系中某组分浓度的规律变化在适当条件下能显示出来时，可形成色彩丰富的时空有序现象（如空间结构、振荡、化学波等）。这种在开放体系中出现的有序耗散结构也证明负熵流的存在，因为在开放体系中，只有足够的负熵流才能使体系维持有序的结构。化学振荡属于时间上的有序耗散结构。别洛索夫（Belousov）在1958年首先报道以金属锌离子作催化剂在柠檬酸介质中被溴酸盐氧化时某中间产物浓度随时间周期性变化的化学振荡现象，扎勃丁斯基（Zhabotinski）进一步深入研究在1964年证明化学振荡体系还能呈现空间有序周期性变化现象。为纪念他们最早期的研究成果，将后来发现大量的可呈现化学振荡的含溴酸盐的反应体系称为B-Z振荡反应1。1.2实验原理随着研究的深入，发现所有的振荡反应都含有自催化反馈步骤，同时也发现了许多能发生振荡反应的体系（振荡器Dscillator）尽管如此，但化学振荡的动力学机理，特别是产生时一些有序现象的机理仍不完全清楚。对于B-Z振荡反应，人们比较认可的FKN机理，是由Field、Koros、Noyes等完成的2对含溴酸盐体系的BZ振荡反应进行设计性的探讨。将溴酸钾、硫酸、丙二酸与硝酸铈溶液混合，由于呈黄色而无色，反应中可以观察到体系在黄色和无色之间作周期性的振荡。丙二酸在硫酸介质中及金属铈离子的催化作用下被溴酸氧化。在过量丙二酸存在时，净反应过程为： 根据FKN机理，B-Z振荡不少于11个元反应，若抓住其中三个关键物质， 、，则可以简化为用6个元反应来描述：过程A：当足够大时（1） （慢）（2） （快） （注：此处一旦生成，立即与丙二酸反应，被消耗）。过程B：当较小时，按下式被氧化。（3） （慢） （4） （快）（5） 过程C：溴离子再生（6）过程A、B、C合起来组成反应系统中一个振荡周期。从过程B看出，当较小时，的生成具有自催的特点。当足够大时，按反应（2）消耗，随着的降低，反应（3）同时对的竞争，当达到某临界值临界时，过程B中自催化引起的生成速率正好等于过程A中的消耗速率。若体系中 ，体系中的自催化生成受到抑制，系统又从B过程切换到A过程，从而完成一个循环。可见当足够大时，反应按A过程进行；随着下降，反应从A切换到B过程，通过C过程使再生，因此，在振荡反应中相当于“选择开关”作用。而铈离子在反应中起催化作用，催化B过程和C过程。通过B-Z振荡曲线，可以了解研究其反应，由于反应中和 随时间作周期性变化，在实验中，用溴离子选择电极、铂电极分别测定 和随时间的变化曲线。2.实验部分2.1仪器和药品仪器： ZD-BZ振荡装置 1套 计算机 1台超级恒温槽 1台磁力搅拌器 1台铂电极，甘汞电极 各1支 药品： 丙二酸 硫酸 溴酸钾 硫酸铈铵 （均为分析纯）2.2实验步骤1）准确配置1.5、2.1、3.0mol/L的硫酸溶液各100mL2）将ZD-BZ振荡实验装置、恒温槽、电脑打开。并调节恒温槽使温度为250.2 3）用蒸馏水清洗B-Z反应器，废液倒入废液杯里，往反应器加入20mL丙二酸（0.45mol/L）、20mL硫酸（1.5 mol/L）、15mL溴酸钾（0.25mol/L），搅拌4）将15ml硫酸铈铵（0.004 mol/L）加入到带有塞子的试管中，用试管夹夹住放于恒温水槽中恒温5分钟5）在ZD-BZ振荡装置上点击“清零”后，接电极。铂电极接“+”，（参比电极）甘汞电极接“”6）打开软件。点“设置”中的“设置坐标系” ，输入纵坐标和X轴坐标数值7）将预热了5分钟的15ml硫酸铈铵溶液加入反应器，同时点击“开始绘图” 此时坐标上出现动态曲线8）绘图停止后，进行数据处理。（不要关掉实验结果） 点“数据处理”中的诱导时间，然后根据电脑要求选两点进行计算就可以算出来实验的诱导时间9）点“数据处理”中的振荡时间，然后根据电脑要求选两点进行计算就可以算出来各个峰的间隔时间即振荡时间，需计算4-5个振荡时间10）完成1.5mol/L硫酸的振荡曲线后，重复步骤3-9，分别测定2.1、3.0mol/L 硫酸溶液的振荡曲线 2.3注意事项各组分混合顺序对体系振荡行为有影响，建议先将丙二酸、溴酸钾、硫酸溶液置于反应烧杯中，开始搅拌,稳定后，才加硝酸铈铵溶液。所使用的反应容器一定要清洗干净，搅拌子位置及搅拌速度都应加以控制。小心使用硫酸溶液，避免对实验者和仪器设备造成腐蚀参考文献1 清华大学化学系物理化学实验编写组物理化学实验 清华大学出版社 1991.52 董小梅等BZ振荡反应 J化学教育3.结果与讨论 3.1结果（说明：经多次选点，图中所显示振荡周期都为平均值）具体数据如下表所示：硫酸浓度（mol/L）诱导时间tu （s）振荡周期tz（s）体系温度（）1.5385.33100.74252.1380.378.073.0382.8169.263.2讨论 1）由上图和表可知，硫酸的浓度（用量）改变时，对B-Z振荡反应有影响 2）当硫酸浓度增大时，振荡周期明显变小，而诱导时间没有大变化 3）误差分析：虽然多次取点，求得诱导时间和振荡周期的平均值如上图、表所示，但少许误差仍是不可避免的4.结论硫酸的用量对反应的诱导时间没有多大影响，说明它对反应没有明显的诱导作用；而振荡周期明显随着它的增加而减小，说明它在诱导期里的作用有些特殊5.个人体会本次实验中，仍存在某些不足点：探索硫酸在B-Z振荡反应中的影响，应该多做几组不同浓度硫酸的实验，以便更好地对比、分析，减小