B-Z振荡反应实验报告

1、B-Z振荡反应姓名：何一白 学号：2012011908 班级：化22实验日期：2014年11月6日提交报告日期：2014年11月22日带实验的老师姓名：王振华1 引言（简明的实验目的/原理）1.1 实验目的了解Belousov-Zhabotinski反应的机理通过测定电位-时间曲线球的振荡反应的表观活化能1.2实验原理化学震荡：反映系统中某些物理量（如组分浓度）随时间做周期性变化B-Z反应机理：在硫酸介质中以金属铈离子做催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化FKN机理（共十步）系统中Br-、HBrO2，Ce4+/Ce3+都随时间做周期性的变化。测量及数据：我们用溴离子选择电极和铂丝电极分别测定Br-

2、和Ce4+/Ce3+随时间变化的曲线，处理数据得到诱导期时间及震荡周期。由1/t诱，1/t振分别衡量诱导期和振荡周期反应速率的快慢，综合不同温度下的t诱和t振，估算表观活化能E诱，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2.1.1 实验仪器计算机及接口一套；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；2.1.2 实验药品0.02 mol/L 硝酸铈铵；0.5 mol/L 丙二酸；0.2 mol/L 溴酸钾； 0.8 mol/L 硫酸。2.2 实验条件（实验温度、湿

3、度、压力等）实验室温度16.3，大气压102.19kPa2.3 实验操作步骤及方法要点1.检查仪器药品。2.按装置图（如图1 所示）接好线路。图1 . BZ振荡反应实验装置图3.接通相应设备电源，准备数据采集。4.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。5.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810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。6.升高温度4，重复步骤4和5，重

4、复次数5次。2.4 注意事项：1. 各个组分的混合顺序对体系的振荡行为有影响。应在丙二酸、溴酸钾、硫酸混合均匀后，且当记录仪的基线走稳后，再加入硝酸铈铵溶液。 2. 反应温度可明显地改变诱导期和振荡周期，故应严格控制温度恒定。 3. 实验中溴酸钾试剂纯度要求高。4. 配制硝酸铈铵溶液时候，一定要在硫酸介质中配制，防止发生水解呈浑浊。5. 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。3 结果与讨论3.1 原始实验数据3.1.1 第一组：T=20根据实验测得的数据在Origin中作图结果如下：图2 20摄氏度时电位-时间曲线3.1.2 第二组：T=25根据实验测得的数据在Orig

5、in中拟合作图得到结果如下：图3 25摄氏度时电位-时间曲线3.1.3 第三组：T=30根据实验测得的数据在Origin中拟合作图得到结果如下：图4 30摄氏度时电位-时间曲线3.1.4 第四组：T=35根据实验测得的数据在Origin中拟合作图得到结果如下：图5 35摄氏度时电位-时间曲线3.1.5 实验现象：刚刚加入硝酸铈铵时，溶液显黄色，随后溶液颜色逐渐变浅，在振荡过程中，当电位在最高点时黄色最深，然后逐渐变浅，在最低点时几乎无色。3.1.6 文献值查阅表观活化能文献值得：E诱 =35.45 kJ/mol，E振 =63.79 kJ/mol3.1.7 其他实验条件实验时实验室温度21.5度

6、。3.2计算的数据、结果3.2.1 求t诱和t振根据自己记录的诱导期起点时间，再根据BZ振荡曲线中取得的诱导期终点，计算得出诱导期t诱，然后将8次振荡周期最高点作为周期点，取平均作为振荡周期t振。得到诱导时间和振荡时间如下：温度（）20253035t诱(s)677.6487365263t振(s)12183.650.933.43.2.2 计算活化能 由：t诱 r诱 =常数 又由：lnk=lnA- 从而：ln1/t诱 =lnA-分别作ln(1/t诱)-1/T，ln(1/t振)-1/T图，由直线斜率再乘-R即可求出表观活化能。首先计算ln(1/t诱)，ln(1/t振)，1/T数据如下表：T（）293

7、298303308t诱(s)677.6487365263t振(s)12183.650.933.41/T0.0034130.0033560.00330.003247ln(1/ t诱)-6.51856-6.18826-5.8999-5.57215ln(1/ t振)-4.79579-4.42604-3.92986-3.50856然后使用Origin软件作图并且线性拟合如下（图6与图7）：图6 1/T与ln(1/ t诱)关系图线图7 1/T与ln(1/ t振)关系图线根据Origin软件拟合得到两条直线斜率，进而求出活化能的值如下：斜率表观活化能（kJ/mol）拟合直线R2诱导-5644.1446.9

8、240.999振荡-7860.9965.3560.9943.3讨论分析3.3.1 数据与计算结果的分析比较计算得到的结果46.924kJ/mol和65.356kJ/mol与文献值E诱 =35.45 kJ/mol，E振 =63.79 kJ/mol有一定偏差，尤其E诱偏差比较大，分析如下：1）本实验由曲线选取诱导期终点时主要靠人工从光滑曲线上选取，这会带来不准确。我选取的方法是计算所有数据点处的曲线斜率，找到极值点作为诱导期的终点，这虽然减小了一定人工误差，但仍然可能与实际诱导期结束时间不一致。2）本实验求振荡周期时为减小误差，取的均为每个振荡周期最高点，因此可有效减少人工判断带来的误差。3）实验

9、室软件所得数据拟合R2为0.999和0.994，说明数值线性程度较高，故实验过程中温度、试剂量均较稳定准确，操作基本无误。3.3.2 现象分析如前所述，刚刚加入硝酸铈铵时，溶液显黄色，随后溶液颜色逐渐变浅，在振荡过程中，当电位在最高点时黄色最深，然后逐渐变浅，在最低点时几乎无色，如此反复。这主要是由于在电压的上升沿，Br量比较少，HBrO2通过自催化反应增加，Br被更加快速地消耗，同时也产生了Ce4+，使溶液颜色变黄；在电压的下降沿，Ce4+通过过程C消耗，生成Br，体系中HBrO2的自催化生成受到抑制，系统又从B转换到A，可观察到溶液颜色变浅。4 结论B-Z 振荡反应的表观活化能测定值分别为

10、：E诱=46.924Jk/mol，E振 =65.356kJ/mol。5 参考文献1 贺德华，麻英，张连庆编. 基础物理化学实验. 北京：高等教育出版社，2008.5.2 朱文涛编著. 基础物理化学. 北京：清华大学出版社，2011.9.6 附录（计算的例子、思考题等）6.1 思考题1 已知卤素离子（Cl- ，Br ，I ）都很易和 HBrO2反应，如果在振荡反应的开始或是中间加入这些离子，将会出现什么现象？试用 FKN 机理加以分析。答：若在振荡反应的开始加入，则因卤素离子与 HBrO2 反应，会减缓 HBrO2的积累速率，如果卤素粒子过多，会导致 HBrO2 无法达到触发振荡反应的临界浓度，

11、无法发生振荡。若在振荡中间加入，因临界溴离子浓度较小，会使得Br- ，体系转化至步骤 A，如果量大的话,可能会使得振荡反应终止。 2 为什么 B-Z 反应有诱导期？反应何时进入振荡期？答：因为振荡涉及的关键物质 HBrO2 在一开始并不存在，需要由一系列的反应来进行积累，而且还存在着自身的分解反应，故需要一个较长的积累期，当它的生成速率与分解速率相等时，反应便进入振荡期。 3 影响诱导期的主要因素有哪些？答：反应温度、反应物浓度、卤素离子等杂质浓度、搅拌均匀程度。 4 体系中什么样的反应步骤对振荡行为最为关键？答：步骤 A、B 形成竞争关系，通过 HBrO2 这个关键物质的生成、分解反应的相互竞争，来调配振荡过程的进行，通过催化剂铈离子来体现周期性的电位变化、颜色转化，而这个振荡所需的能量则由反应物丙二酸和溴酸根离子来提供，二者发生氧化还原反应来维持振荡，当这