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BZ振荡反应实验
BZ振荡反应实验
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.掌握在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂时,丙二酸被溴酸氧化体系的基本原理。
3.了解化学振荡反应的表观活化能计算方法。
二、实验原理
BZ振荡反应系统是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Ce4+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:
(1)
真实反应过程是比较复杂的,该反应系统中HBrO2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HBrO2中间物能自催化下列过程:
(2)
(3)
在反应(3)中快速积累的Ce4+又加速了下列氧化反应:
(4)
通过反应(4),当达到临界浓度值后,反应系统中下列反应成为主导反应:
(5)
(6)
反应(6)与反应(2)对HBrO2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,当时,反应(2)、(3)起主导作用,通过反应(4)不断使Br-积累;当时,反应(5)、(6)起主导作用,Br-又被消耗。由于反应(2)、(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;Ce3+、Ce4+分别在(3)、(4)中消耗和产生,所以Br-、Ce3+、Ce4+在反应过程中浓度会出现周期性变化,而和反应物,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。
值又反应(2)、(6)可求得
所以
本实采用离子选择性电极上的电势(U)随时间(t)变化的U—t曲线来观察B—Z反应的振荡现象,同时测定不同温度对振荡反应的影响。根据U—t曲线,得到诱导期(T诱)。
设反应的速率方程是:-dc/dt=kcn
在温度T1时速率常数为k1,诱导期为t1,那么
在温度T1时速率常数为k2,诱导期为t2,那么
由于起始浓度相同,反应程度相同,所以两式左边的积分值应相同,则有
k1t1= k2t2
即
根据阿仑尼乌斯公式:
可由诱导期推算表观活化能E诱。
三、仪器试剂
仪器: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;
试剂:溴酸钾(GR);硝酸铈铵(AR);丙二酸(AR);浓硫酸(AR)。
四、实验步骤
1.用1.00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0.45丙二酸250ml、0.25溴化钾250ml、3.00硫酸250ml;在0.20硫酸介质中配制的硫酸铈铵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;
9.用上述方法将温度设置为30℃、35℃、40℃、45℃重复实验,并记下;
10.根据与温度数据作图。
五、数据记录及处理
温度(K)
1/T
(s)
308
0.003247
273.5
-5.611
313
0.003195
214
-5.366
318
0.003145
140.5
-4.945
323
0.003096
118
-4.771
328
0.003049
88
-4.477
根据实验数据作出图如下:
根据上图可得出直线斜率为k=-5785.64,则表观活化能
E诱=-kR=5785.64*8.314=48850J=48.85kJ
六、注意事项
1.实验中溴酸钾试剂要求纯度高,为GR级;其余为AR级。
2.配制硫酸铈铵溶液时,一定要在0.2硫酸介质中配制,防止发生水解呈浑浊。
3.反应器应清洁干净,转子位置和速度
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