BZ振荡反应实验报告

B-Z振荡反应姓名：刘若晴学号：2007011980班级：材72同组实验者：穆浩远、曾燕群带实验的老师：王老师1引言（简明的实验目的/原理）实验目的：1．了解Belousov-Zhabotinski反应（简称B-Z反应）的机理。2．通过测定电位——时间曲线求得振荡反应的表观活化能。实验原理：所谓化学振荡就是反应系统中某些物理量如组分的浓度随时间作周期性的变化。1958年，Belousov首次报道在以金属铈离子作催化剂的条件下，柠檬酸被溴酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的溴酸氧化反应系统能出现振荡现象，而且所用的催化剂也不限于金属铈离子，铁和锰等金属离子可起同样的作用。后来，人们笼统地称这类反应为B-Z反应。目前，B-Z反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图1所示。图1：B-Z体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线关于B－Z反应的机理，目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化的机理，简称为FKN机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下：FKN机理序号机理步骤速率或速率常数（1）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（2）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（3）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（4）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（5）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（6）SKIPIF1<0快速（7）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（8）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（9）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（10）SKIPIF1<0SKIPIF1<0注：ki代表第i个反应步骤的速率，MA和BrMA分别为CH2(COOH)2和BrCH(COOH)2的缩写。按照FKN机理，可对化学振荡现象解释如下：当[Br－]较大时，反应主要按表中的（1）、（2）、（3）进行，总反应为：SKIPIF1<0（11）生成的Br2按步骤（7）消耗掉。步骤（1）、（2）、（3）、（7）组成了一条反应链，称为过程A，其总反应为：SKIPIF1<0（12）当[Br－]较小时，反应按步骤（5）和（6）进行，总反应为：SKIPIF1<0（13）步骤（5）为该反应的速度控制步骤（（5）的逆反应速率可忽略），这样有SKIPIF1<0（14）上式表明HBrO2的生成具有自催化的特点，但HBrO2的增长要受到步骤（4）的限制。（4）、（5）、（6）组成了另一个反应链，称为过程B。其总反应为：SKIPIF1<0（15）最后Br－可通过步骤（9）和（10）而获得再生，这一过程叫做C。总反应为：SKIPIF1<0（16）过程A、B、C合起来组成了反应系统中的一个振荡周期。当[Br－]足够大时，HBrO2按A中的步骤（2）消耗。随着[Br－]的降低，B中的步骤（5）对HBrO2的竞争愈来愈重要。当[Br－]达到某个临界值[SKIPIF1<0]时，自催化步骤（5）引起的HBrO2的生成速率正好等于过程A中由步骤（2）引起的HBrO2的消耗速率，即SKIPIF1<0（17）由（17）式易得：SKIPIF1<0若已知实验的初始浓度SKIPIF1<0，由（18）式可估算[SKIPIF1<0]。当SKIPIF1<0时，[HBrO2]通过自催化反应（13）很快增加，导致[Br－]通过反应步骤（2）而迅速下降。于是系统的主要过程从A转换到B。B中产生的Ce4+通过C使Br－再生，[Br－]慢慢回升；当SKIPIF1<0时，体系中HBrO2的自催化生成受到抑制，系统又从B转换到A，从而完成一个循环。从上述的分析可以看出，系统中[Br－]、[HBrO2]和[Ce4+]/[Ce3+]都随时间作周期性地变化。在实验中我们可以用溴离子选择电极和铂丝电极分别测定[Br－]和[Ce4+]/[Ce3+]随时间变化的曲线。另外，如果用1/t诱和1/t振分别衡量诱导期和振荡周期反应速率的快慢，那么通过测定不同温度下的t诱和t振可估算表观活化能E诱和E振。2实验操作2.1实验药品、仪器型号及测试装置示意图计算机及接口一套（或其他电势差数据记录设备）；HS-4型精密恒温浴槽；电磁搅拌器；反应器1个；铂电极1个；饱和甘汞电极1个；滴瓶3个；量筒3个；2ml移液管1支；洗瓶1个；镊子1把；0.02mol·dm-3硝酸铈铵；0.5mol·dm-3丙二酸；0.2mol·dm-3溴酸钾；0.8mol·dm-3硫酸。2.2实验条件：恒温2.3实验操作步骤及方法要点检查仪器药品。按装置图（如图2所示）接好线路。图2：B－Z振荡反应实验装置图1—计算机及其数据接口（或其他电势差数据记录设备），2—恒温浴槽，3—电极搅拌器，4—饱和甘汞电极，5—溴离子选择电极。接通相应设备电源，准备数据采集。调节恒温槽温度为20℃。分别取7ml丙二酸、15ml溴酸钾、18ml硫酸溶液于干净的反应器中，开动搅拌。打开数据记录设备，开始数据采集，待基线走稳后，用移液管加入2ml硝酸铈铵溶液。观察溶液的颜色变化，观察反应曲线，出现振荡后，待振荡周期完整重复8~10次后，停止数据记录，保存数据文件后记录恒温槽温度，从数据文件中读出相应的诱导期t诱和振荡周期t振。升高温度3~5℃，重复步骤4和5，直到35℃左右。向反应器中加入6ml0.4MKBrO3+0.5ml1.0MKBr,混合后产生红褐色溴溶液，再迅速加入1ml1M丙二酸，等待约5分钟后红褐色褪去。再加入4滴硫酸亚铁（0.025M）-邻菲罗啉（0.083M）溶液。摇晃一下后平放，观察现象。3.1原始实验数据温度（SKIPIF1<0）诱导期（s）振荡周期（s）23470.51691.5310126379.01674.5150129310.50056.532257.01649表观活化能：SKIPIF1<0=50362.8669J/mol，线性系数R=0.9990858SKIPIF1<0=53836.7508J/mol，线性系数R=0.9933327原始数据的扫描和老师签字见下图：3.2计算的数据、结果根据记录的电位振荡曲线分析体系中[Br－]和[Ce4+]的变化规律，并由此说明溶液的颜色变化。A过程使SKIPIF1<0浓度降低，C过程使SKIPIF1<0浓度再生，亚溴酸SKIPIF1<0的生成与消失，即自催化过程集中在过程B，宏观上看到的是[Ce4+]与[SKIPIF1<0]的变化，即黄色、无色、黄色、无色……的周期性变化。分别作SKIPIF1<0和SKIPIF1<0图，由直线的斜率求出表观活化能SKIPIF1<0和SKIPIF1<0。根据lnSKIPIF1<0=SKIPIF1<0+C，由SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0的数据可建立lnSKIPIF1<0~SKIPIF1<0的关系式，从而得出表观活化能。3.3讨论分析（1）本实验系统的颜色在黄色和无色之间振荡，如果再加入适量的FeSO4＋邻菲咯啉溶液，那么溶液的颜色会在蓝色和红色之间振荡，这样更便于观察。4结论系统中[Br－]、[HBrO2]和[Ce4+]/[Ce3+]都随时间作周期性的变化。5参考文献清华大学网络学堂上的课件《B-Z振荡反应_990004208.doc》6附录（1）本实验系统的颜色在黄色和无色之间振荡，如果再加入适量的FeSO4＋邻菲咯啉溶液，那么溶液的颜色会在蓝色和红色之间振荡。（2）介绍一个在实验室中容易做的振荡实验。分别在3个容量瓶中配制如下的3种溶液：①0.14mol·dm-3的KIO3溶液。②0.15mol·dm-3丙二酸＋0.024mol·dm-3MnSO4＋约2g·dm-3的淀粉。③3.2mol·dm-3H2O2＋0.17mol·dm-3HClO4。将上述三种溶液等体积混合，过一会儿后，溶液会在深黄、蓝色和无色之间振荡。（3）化学振荡反应自20世纪50年代发现以来，在各方面的应用日益广泛，尤其是在分析化学中的应用较多。当体系中存在浓度振荡时，其振荡频率与催化剂浓度间存在依赖关系，据此可测定作为催化剂的某些金属离子的浓度。此外，应用化学振荡还可测定阻抑剂。当向体系中加入能有效地结合振荡反应中的一种或几种关键物质的化合物时，可以观察到振荡体系的各种异常行为，如振荡停止，在一定时间内抑制振荡的出现，改变振荡特征（频率、振幅、形式）等。而其中某些参数与阻抑剂浓度间存在线性关系，据此可测定各种阻抑剂。另外，生物体系中也存在着各种振荡现象，如糖酵解是一个在多种酶作用