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丙二酸—溴酸钾体系的化学振荡反应—0814 郭璁.pdfVIP

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丙二酸—溴酸钾体系的化学振荡反应—0814 郭璁

丙二酸—溴酸钾体系的化学振荡反应 郭璁 Je-mail:guocong@mail.ustc.edu.cn (中国科学技术大学材料科学与工程系合肥230026) 摘要 本实验对丙二酸—溴酸钾反应体系的化学振荡现象进行了探究。通过对试剂加入顺 序、反应物浓度、反应温度和反应物质选取对反应影响的研究,对振荡反应机理有个初步的 认识。 关键词 丙二酸 溴酸钾 化学振荡 振荡周期 诱导时间 1 前言 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。 在1959年,B.P.Belousov首先观察到并随后为A.M.Zhabotinsky深入研究,丙二酸在 溶液有硫酸铈的酸性溶液中被溴酸钾氧化的反应,随后人么发现了一大批可呈现化学振荡反 应现象的含溴酸盐的反应系统。人们称之为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。 自20世纪50年代以来,化学振荡在各个方面的应用日益广泛,化学振荡现象步入了分 析检测实用阶段。而后发展起来的电化学振荡更广泛地运用于理论研究和实践,如仿生学、 临床医学等。此外,在食品检测与控制、环境保护等领域具有广阔的应用前景。 第 1 页 共 13 页 本实验对丙二酸—溴酸钾体系的BZ振荡反应进行了探讨,采用测量反应体系的电压随 时间的变化来观察BZ振荡现象。主要研究了试剂加入顺序、反应物浓度、反应温度和反应 物质选取对反应的影响,并采用动力学的方法对反应机理进行分析。 2 实验部分 2.1 仪器与试剂 试剂:0.45M丙二酸,0.20M溴酸钾,3M浓硫酸,4×10-3M硫酸铈铵,蒸馏水,草酸、柠檬 酸、丙酸、酒石酸、苹果酸 仪器:磁力搅拌器 上海雷磁新泾仪器有限公司; N2000双通道色谱工作站 浙江大学智能信息工程研究所; 超级恒温仪 上海市实验仪器厂 2.2 实验过程 (1)不同的反应物加入顺序对反应的影响 调节恒温槽使温度恒定在28°C,通恒温水于玻璃恒温夹套反应皿中,先加入蒸馏水(10mL), 然后将丙二酸(10mL)、溴酸钾(10mL)、浓硫酸(10mL)、硫酸铈铵(10mL)中的三种物质先移入, 开动搅拌器,恒温10分钟。再将剩下的一种物质迅速加入反应皿中,从刚加入时开始采集 数据。观察是否产生振荡,测出振荡周期和诱导时间。 (2) 反应物浓度对振荡反应的影响 在27°C恒温条件下,按照丙二酸、溴酸钾、浓硫酸、蒸馏水、硫酸铈铵的顺序加

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