BZ振荡反应实验报告

学院：理学院 专业：应用化学指导教师： 实验时间： 姓名： 学号： BZ振荡反应实验摘要： 本文用铂电极及217型甘汞电极做参比电极测定了B-Z振荡反应的电位变化曲线，通过改变温度、酸度及KBrO3浓度观察对反应诱导期、振荡周期的影响，获得了表观活化能等参数。关键词：B-Z振荡反应、温度、酸度、浓度、变化1、前言1.1 B Z振荡反应历史化学振荡反应是具有非线性动力学微分速率方程，是在开放体系中进行的远离平衡的一类反应。体系与外界环境交换物质和能量的同时，通过采用适当的有序结构状态耗散环境传来的物质和能量。这类反应与通常的化学反应不同，它并非总是趋向于平衡态的。1921年，伯克利加州大学的布雷(Bray，William)在用碘作催化剂使过氧化氢分解为水和氧气时，第一次发现了振荡式的化学反应。但依据经典热力学第二定律，认为任何化学反应只能走向退化的平衡态，因而当时的化学家否定了这个发现。1952年，英国数学家图灵通过数学计算的方法，在理论上预见了化学振荡这类现象的可能性。1958年，俄国化学家别洛索夫(Belousov) 和扎鲍廷斯基(Zhabotinskii)首次报道了以金属铈作催化剂，柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时可呈现化学振荡现象：溶液在无色和淡黄色两种状态间进行着规则的周期振荡。该反应即被称为Belousov- Zhabotinskii反应，简称B-Z反应。1969年，现代动力学奠基人普里戈金提出耗散结构理论，人们才清楚的认识到振荡反应产生的原因：当体系远离平衡态时，即在非平衡非线性区，无序的均匀态并不总是稳定的。在特定的动力学条件下，无序的均匀定态可以失去稳定性，产生时空有序的状态，这种状态称之为耗散结构。例如浓度随时间有序的变化(化学振荡)，浓度随时间和空间有序的变化(化学波)等。耗散结构理论的建立为振荡反应提供了理论基础，从此，振荡反应赢得了重视，它的研究得到了迅速发展。化学振荡是一类机理非常复杂的化学过程，Field、Koros、Noyes三位科学家经过四年的努力，于1972年提出俄勒冈（FKN）模型，用来解释并描述B-Z振荡反应的很多性质。该模型包括20个基元反应步骤，其中三个有关的变量通过三个非线性微分方程组成的方程组联系起来，该模型如此复杂以至20世纪的数学尚不能一般地解出这类问题，只能引入各种近似方法。测定、研究BZ化学振荡反应可采用离子选择性电极法、分光光度法和电化学等方法。1.2反应原理将含有溴酸钾、丙二酸的溶液与溶于硫酸的硝酸铈（铵）溶液混合，由于呈黄色而无色，反应中还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。1.3其他BZ振荡反应（）（）化学振荡反应酸衍生物与丙酮作混合底物的共振荡反应（）（）乳酸-丙酮-BrO_3-Mn(2+)-H_2SO_4NaBrO_3-CH_2(COOH)_2-H_3PO_4-CuL(2+)2、实验部分 2.1设计方案 （1）控制温度为25，KBrO3 浓度为0.25mol/l，再依次改变H2 SO4 浓度，H2 SO4 浓度分别为2.0、 2.5、 3.0 、3.5、 4.0 mol/l。 （2）控制温度为25，H2 SO4 浓度为3.0mol/l，再依次改变KBrO3浓度，KBrO3 浓度分别为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol/l。（3）控制H2 SO4 浓度为3.0mol/l、KBrO3 浓度为0.25mol/l，再依次改变温度，温度分别为25、30、35、40、45。2.2仪器及药品南京桑力BZ反应数据采集接口系统微型计算机 HK-2A型恒温槽 磁力搅拌器 213型铂电极217型甘汞电极 100ml容量瓶8个1000ml容量瓶4个 10ml移液管12只10ml量杯1个 100ml量筒1个溴酸钾固体 丙二酸固体硝酸铈铵固体 浓硫酸（18.4mol/l）2.3操作步骤 （1）配制试剂 量杯或量筒量取10.9、13.6、163.0、19.0、21.7ml浓硫酸分别边摇边到贴上标签的5个容量瓶中(4个100ml，1个1000ml)，待冷却后定容摇匀，配成2.0、2.5、3.5、4.0mol/l硫酸溶液各100ml，3.0mol/l硫酸溶液1000ml；在分析天平上分别准确称取2.51、3.34、41.75、5.01、5.85g溴酸钾分别在烧杯中溶解后全部转入贴上标签的5个容量瓶中(4个100ml，1个1000ml) 定容摇匀，配成0.15、0.20、0.30、0.35mol/l各100ml及0.25mol/l KBrO3 溶液1000ml；在分析天平上准确称取46.8g丙二酸固体，在烧杯中溶解后全部1000ml容量瓶中，定容、摇匀；在分析天平上准确称取2.19g硝酸铈铵固体，溶于0.2mol/l的硫酸中，然后全部转入1000ml容量瓶中，再用0.2mol/l硫酸定容摇匀，贴上标签。（2）绘制电位时间曲线按图连接仪器： 实验装置示意图 将超级恒温水浴锅温度设定为相应值，用乳胶管链接反应器，注意下进上出，检查各仪器的链接状况，打开BZ1.50进入绘图界面，设置纵坐标为0.31.5，横坐标为30（一般为默认状态），也可以根据实际测得电位值设定，将超级恒温水浴锅的温度设定为对应的温度，用乳胶管链接反应器，注意下进上出，待温度达到设定值时加入丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各10ml并开启搅拌磁子，恒温5min后加入10ml硝酸铈铵溶液，在加入硝酸铈铵溶液的同时按下鼠标点击开始绘图按钮，待图形会出510个振荡周期后点击停止绘图按钮并保存相关图形，文件为BZD和BMP格式，注意区别各个实验图。更换反应物前要用蒸馏水冲洗两支电极和反应器。a、控制温度和溴酸钾浓度时，温度设定为25，溴酸钾浓度为0.25mol/l，依次加入2.0、2.5、3.0、3.5、4.0mol/l的硫酸；b、控制温度和酸度时，温度设为25，硫酸浓度为3.0mol/l,依次加入0.15、0.20、0.25、0.30、0.35mol/l的溴酸钾溶液；c、控制酸度和溴酸钾浓度时，硫酸浓度为3.0mol/l，酸钾浓度为0.25mol/l，依次设定超级恒温水浴温度为25、30、35、40、45 。 待所有实验结束后整理实验台，将水浴锅的水倒出，擦干；将数据线、连接电极与数据处理器的导线及连接反应器的乳胶管拆下装好，电极和磁搅拌子洗净放好；反应器洗净放入箱内凹槽内。将玻璃仪器洗净放入柜子里。3、结果分析（1）改变酸度的影响图（控制温度为25，KBrO3 浓度为0.25mol/l ）H2 SO4浓度 2.0 mol/lt诱=378.0s t周=95.4s H2 SO4浓度 2.5 mol/lt诱 =374.4s t周 =87.2s H2 SO4浓度 3.0 mol/lt诱=399.6s t周=70.6s H2 SO4浓度 3.5 mol/lt诱=392.4s t周=66.2s H2 SO4浓度 4.0 mol/lt诱=388.8s t周=62.6sCH2 SO4 /（mol/l）2.02.53.04.04.5t诱/（s）378.0374.4399.6392.4388.8t周 /（s）95.487.270.666.262.6单个图的振荡周期在所测时间内基本相同，改变硫酸的用量在误差范围内诱导时间随硫酸H2 SO4的曾加而没有多大变化，对诱导期的影响不大，振荡周期逐渐减小，说明它在诱导期里的作用有些特殊。（2）改变KBrO3浓度的影响图（控制温度25H2 SO4浓度为3.0mol/l） KBrO3 浓度为0.15mol/lt诱=396.0s t周=112.6sKBrO3 浓度为0.20mol/lt诱=460.8s t周=98.2sKBrO3 浓度为0.25mol/lt诱=399.6s t周=70.6sKBrO3 浓度为0.30mol/lt诱=392.4s t周=68.8sKBrO3 浓度为0.35mol/lt诱=403.2s t周=65.2s C KBrO3 /（mol/l）0.150.200.250.300.35t诱 /（s）396.0460.8399.6392.4403.2t周 /（s）112.698.270.668.865.2溴酸钾增加后，在误差范围内诱导时间随KBrO3浓度的曾加而有一些延长，振荡周期逐渐减小，这可能是因为HBrO2临界值(k3/2k5)BrO3-H+与BrO3-成正比，这样HBrO2积累时间被延长，诱导期增加。（3）改变温度（控制KBrO3浓度为0.25mol/l，H2 SO4浓度为3.0mol/l）温度为25t诱=399.6s t周=70.6s 温度为30t诱=273.6s t周=55.1s 温度为35t诱=212.4s t周=40.3s 温度为40t诱=147.6s t周=31.0s温度为45t诱=122.4s t周=22.7s 温度/（）2530354045t诱/（s）399.6273.6212.4147.6122.4t周 /（s）70.655.140.331.022.7从表中易见，随着温度的升高，反应速度相对提高，因而使振荡周期和振荡反应诱导期都减小，说明温度对此反应有很强诱导作用。根据 及 做ln(1/ t诱)1/T及ln(1/ t周)1/T图 斜率K= -8002.44活化能 E诱 = K(-R)=66.53KJ/mol斜率K=-5161.69活化能E周 = K(-R)=42.91KJ/mol4、实验结论 根据实验结果分析，三种因素的影响有共同特征，就是振荡周期都是逐渐缩短，只是周期的长短不一致，说明BZ振荡反应的振荡周期逐渐缩短的现象不受其他因素的影响，是自发过程。由于硫酸在反应中的特殊作用，反应的诱导期没有太大变化，说明酸度对反应没有明显的诱导作用，对反应没有太大影响；由于KBrO3浓度的曾加使HBrO2积累时间被延长，导致诱导期延长，说明的增加使反应速率变慢了，KBrO3 对诱导反应有抑制作用；根据温度越高反应越快的规律，随着温度的升高，诱导期逐渐减短，符合上述规律，随着温度的升高，电位时间图变得越来越密集。 综上所述：温度对诱导反应影响最大、酸度次之、KBrO3 最小。 根据实验原理反应应在黄色和无色之间振荡，但实验中只看到由黄色变为无色，没有由无色变为黄色，现象不明显。参考文献1. Belousov B. P., A periodic reaction and its mechanism, in Collection of short papers on radiation medicine for 1958, Med. Publ., Moscow, 1959. 2. Belousov B. P., A periodic reaction and its mechanism, inField, waves in chemical systems. Wiley, New York, 1985. 3. A. M. Zhabotinsky. ( ). Periodic processes of malonic acid oxidation in a liquid phase. Biofizika, 9:306311, 1964. 4.Field, R. J. and Burger, M., Eds, Oscillations and traveling waves in chemical systems. Wiley, New York, 1985.5.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 1991.56. 董小梅等BZ振荡反应 化学教育7.贺占博化学振荡的研究方法 化学通报 1992.28.许海涵化学振荡 化学通报 1984.1附： 注意事项1、所使用的反应容器一定要冲洗干净，转子位置及速度都必须加以控制。2、配制0.004molL的硫酸铈铵溶液时，一定要在0.20mol/L硫酸介质中配制。防止发生水解呈混