物理化学BZ振荡反应

1、物理化学实验报告 院系 化学与环境工程学院 班级 0409403学号 040940302姓名实验名称 BZ 振荡反应日 期 2011-12-6同组者姓名 王 保 森室 温 10.2气 压 978.0mmHg成 绩一、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

2、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 Ce 4+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:-+3222222BrO +3CH(COOH+2H2BrCH(COOH+3CO+4HO = (1真实反应过程

3、是比较复杂的, 该反应系统中 HBrO 2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 HBrO 2中间物能自催化下列过程:-+3222BrO +HBrO+H2BrO +HO = (23+4+22BrO +Ce+HHBrO +Ce= (3 在反应(3中快速积累的 Ce 4+又加速了下列氧化反应:4+-3+2224C e +B r C H (C O O H +H O+H O B r 2B r +4C e +3C O +6H = (4 通过反应(4 ,当达到临界浓度值 -Br ,c C

4、后,反应系统中下列反应成为主导反应: -+32BrO +Br+2HHBrO +HOBr= (5 -+2HBrO +Br+H2HOBr = (6反应(6与反应(2对 HBrO 2竞争,使得反应(2 、 (3几乎不发生。 Br -不 断消耗,当 Br -消耗到临界值以下,则反应(2 、 (3为主导作用,而反应(5 、 (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 -Br Br ,c C C 时,反应(2 、 (3起主导作用,通过反应(4不断使 Br-积累;当 -Br Br ,c C C 时,反应(5 、 (6起主导作用, Br -又被消耗。由于反应(2 、

5、(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(5 、 (6中消耗,又在反应(4中产生; Ce 3+、 Ce 4+分别在(3 、 (4中消耗和产生,所以 Br -、 Ce 3+、 Ce 4+在反应过程中浓度会出现周期性变化,而 -3BrO 和 22CH (COOH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。-Br ,c C 值又反应(2、 (6可求得 -+-+2236HBrO 2HBrO Br ,c H BrO H C C C C C C k k =所以 -33626Br ,c BrO BrO C C /510C k k

6、-=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: Pt 进水口电压测量仪五、实验步骤:1. 用 1.003mol dm -硫酸作 217型甘汞电极液接;2. 按图连接好仪器,打开超级恒温水浴,将温度调节至 25.0±0.1; 3. 配 制 0.453mol dm -丙 二 酸 250ml 、 0.253mol dm-溴 化 钾 250ml 、3.003mol

7、 dm-硫 酸 250ml ; 在 0.203mol dm-硫 酸 介 质 中 配 制33410mol dm -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 t 诱 ;9. 用上述方法将温度设置为 30、 35、 40、

8、45、重复实验,并记下 t 诱 ; 10. 根据 t 诱 与温度数据 ln(1/ 1/t T 诱 作图。数据记录与分析 数据记录 : 数据分析 :作图 ln(1/ t 诱 1. 2. 配制硫酸铈铵溶液时,一定要在 0.23mol dm -硫酸介质中配制,防止发生水 解呈浑浊。物理化学实验·BZ 振荡反应 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，要用专用通讯线将电压测量仪的串行口与电脑串行口相接，在 相应软件下工作。 七、思考题 1.试述影响诱导期的主要因素。 解：中间体的生成速率。 2.初步说明 BZ 振荡反应的特征及