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文档简介

1、bz振荡反应 - 实验报告b-z 振荡反应实验日期: 2016/11/24完成报告日期: 2016/11/251 引言1.1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。1.2实验原理对于以 b-z 反应为代表的化学振荡现象, 目前被普遍认同的是 field ,kooros 和 noyes 在1972 年提出的 fkn 机理,他们提出了该反应由萨那个主过程组成:过程abro 3br2hhbro 2hobrhbro 2brh2hobr式中hbro 2为中间体, 过程特点是大量消耗br。反应中产生的h

2、obr 能进一步反应, 使有机物ma 如丙二酸按下式被溴化为brma,(a1) hobrbrhbr2h 2 o(a2) br2 mabrmabrh过程 b bro 3hbro 2 h 僩 2bro 2 h 2 o 2bro 2 g 2ce32h2hbro 22ce4这是一个自催化过程, 在 br 消耗到一定程度后,hbro 2 才转化到按以上、两式进行反应,并使反应不断加速,与此同时,催化剂ce3 氧化为 ce4 。在过程 b 的和中,的正反应是速率控制步骤。此外, hbro 2 的累积还受到下面歧化反应的制约。 2hbro 2bro 3hobrh过程 c ma 和 brma 使 ce4 离子

3、还原为 ce3 ,并产生 br (由 brma )和其他产物。这一过程目前了解得还不够,反应可大致表达为:2ce4 + ma + brma f br +2ce3 +其他产物式中 f为系数,它是每两个 ce4 离子反应所产生的 br 数,随着 brma 与 ma 参加反应的不同比例而异。过程 c 对化学振荡非常重要。 如果只有 a 和 b,那就是一般的自催化反应或时钟反应, 进行一次就完成。正是由于过程c,以有机物 ma的消耗为代价,重新得到br 和 ce3 ,反应得以重新启动,形成周期性的振荡。丙二酸的b-z 反应,ma 为 ch 2 (cooh )2 ,brma 即为 brch (cooh

4、) 2 ,总反应为:3h 3bro 3 5ch 2 (cooh ) 2ce33brch (cooh ) 2 2hcooh 4co2 5h 2o它是由+ +4 +4 +2 +5(a1)+5( a2 ),再加上的特征,8ce42brch (cooh )24h 2 o8ce32br2hcooh4co210h组合而成。但这个反应式只是一种计量方程,并不反应实际的历程。按在 fkn机理的基础上建立的俄勒冈模型,可以导得,振荡周期t 振与过程c 即反应步骤的速率系数kc 以及有机物的浓度cb 呈反比关系,比例常数还与其他反应步骤的速率系数有关。当测定不同温度下的振荡周期t 振,如近视地忽略比例常数随温度的

5、变化,可以估算过程c即反应步骤的表观活化能。另一方面,随着反应的进行,cb 逐渐减小,振荡周期将逐渐增大。2 实验操作2.1实验用品计算机及接口一套(或其他电势差数据记录设备);thgd-0506 高精度低温恒温浴槽; 78-2 型双向磁力加热搅拌器; 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。0.02 mol/l硝酸铈铵; 0.5mol/l丙二酸;0.2 mol/l 溴酸钾; 0.8 mol/l 硫酸。实验装置图2.2实验条件实验室温为 17.5 ,气压为 101.29 kpa 。实验分别在 20、

6、 25、 30、 35。2.3实验操作步骤及方法要点检查好仪器样品, 按照装置图接好电路。 其中,铂电极接在正极上, 饱和甘汞电极接在负极上,在进行实验之前需检查甘汞电极中的液面是否合适以及是否有气泡等。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及反应曲线,待重复 810 次完整周期后,停止数据记录,保存数据文件,记录恒温槽温度, 从数据文件中读出相应的诱导期和振荡周期。后依次升温至 25、

7、30、35,进行实验操作。3 结果与讨论3.1原始实验数据丙二酸溶液的浓度为 0.5mol/l ;溴酸钾溶液的浓度为 0.2mol/l ;硝酸铈铵溶液的浓度为 0.02mol/l ;硫酸溶液的浓度为 0.8mol/l 。1. t = 2020时电压 时间关系曲线(振荡曲线)2. t = 2525时电压 时间关系曲线(振荡曲线)3. t = 3030时电压 时间关系曲线(振荡曲线)4. t = 3535 时电压 时间关系曲线(振荡曲线)5. 现象观察:加入硝酸铈铵溶液后, 溶液显浅黄色。 出现振荡后,随着电压的降低, 溶液颜色逐渐变浅直至消失;而后,溶液颜色突然出现,随之电压开始快速升高,达到最

8、高处时颜色最深。3.2计算的数据、结果1. 诱导期及表观活化能 e 诱根据所得的电压 -时间曲线,利用 origin 读出诱导起始和终止点并可计算出对应的诱导期, 列表如下:各温度下诱导起始和终止点及诱导期温度 /20253035诱导起68.4375156.0625133.910269.4492始点 /s诱导终580.418508.9531400.75252.2188止点 /s诱导期511.9805 352.8906 266.8398 182.7696/s因此即可得 ln(1/ t 诱 )和 1/t 数值如下表:各温度下 ln(1/ t 诱 )和 1/t数值温度 /202530351/(t/)

9、0.003413 0.003356 0.003300 0.003247ln(1/ t诱 )-6.2383-5.8662-5.5866-5.2082根据所得数值,作出ln(1/ t 诱 ) 1/t 图像如下:ln(1/ t 诱 ) 1/ t 关系及拟合直线拟合直线方程为 y=-6080.6x+14.517,拟合系数为 0.998。由阿累尼乌斯公式知, 直线斜率为 -ea / r,因此有:e 诱 = -m r= 6080.6 8.314 = 50.55 kj/mol2. 振荡周期及表观活化能 e 振根据所得的电压 -时间曲线,利用 origin 读出各个振荡周期的峰值并计算出对应的振荡周期,列表如

10、下:各温度下振荡周期温度 /20253035振荡周26.2071期 1/s 86.0718 67.9375 40.3242振荡周26.6601期 2/s 90.6211 69.4687 39.2500振荡周27.7071期 3/s 86.5976 71.5078 40.2656振荡周28.1875期 4/s 93.1329 69.4532 41.2305振荡周28.1914期 5/s 88.6367平均值89.012055.673432.214127.3906/s因此即可得 ln(1/ t 振 )和 1/t 数值如下表:各温度下 ln(1/ t 振)和 1/t 数值温度 /202530351/

11、(t/) 0.003413 0.003356 0.003300 0.003247ln(1/ t振 )-4.4888 -4.0195 -3.4724 -3.3102根据所得数值,作出ln(1/ t 振 ) 1/t 图像如下:ln(1/ t 振 ) 1/ t 关系及拟合直线拟合直线方程为 y=-7386.1x+20.765,拟合系数为 0.98。由阿累尼乌斯公式知, 直线斜率为 -ea / r,因此有:e 振 = -m r= 7386.1 8.314 = 61.41 kj/mol3.3讨论分析1. 现象观察实验中溶液颜色出现周期性的变化,在振荡电压升高即曲线下降时,溶液颜色由黄色变无色,主要是由于

12、发生了以下反应:溶液中显黄色的 ce4 离子变成了无色的 ce3 离子。在电压降低时即曲线上升时, 反映体系颜色由无色变为黄色,主要是由于发生了如下反应:溶液中无色的ce3离子又变成了显黄色的ce4离子。2. 误差来源1 确定诱导期和振动周期时, 由于是肉眼观察图像取点,具有很大的不确定性, 容易引起误差。从数据可以看出振动周期之间差别较大, 也说明了这一点。2 虽然我们通过恒温槽将温度设定为固定值,但在实验过程中发现温度仍然存在着一定程度的波动,使记录值与平均值存在偏差。3 做直线拟合时只有 4 组数据,样本太小。3. 实验过程异常现象分析本次实验在我们最初测第一组数据时发现曲线产生了非常剧烈的波动, 经检查是因为甘汞电极内部存在气泡, 导致电路不畅。 换了甘汞电极排除气泡后我们再次进行实验, 发现仍有类似波动。仔细排查后发现是由于甘汞电极插入反应液的深度不够,以致在搅拌过程中频繁暴露在空气中,造成电位异常。4. 改进意见建议改进装置使电极固定得更稳, 并且不要将电路触点暴露在外面,避免机械干扰。4. 结论实验结果归纳如下:各温度下诱导期振荡周期及表观活化能温度20253035表观活化能/(kj/mol)诱导512.0

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