化学振荡B-Z振荡报告.docVIP

B－Z振荡反应 一． 目的要求1.了解Belousov-Zhabotinskii反应的基本原理，掌握研究化学振荡反应的一般方法,初步认识体系远离平衡态下的复杂行为；2. 设计丙二酸－硫酸－溴酸钾－硫酸铈铵化学振荡体系的实验方案，并对其诱导期及振荡特征进行研究。 二．实验原理 非平衡非线性问题是自然科学领域中普遍存在的问题，该研究领域研究的主要问题是，体系在远离平衡态下，由于本身的非线性动力学机制而产生宏观时空有序结构。 Prigogine等人称其为Dissipative Structure。最经典的耗散结构是B－Z体系的时空有序结构。所谓B－Z体系，是指由溴酸盐、有机物在酸性介质中，在有（或无）金属离子催化剂下构成的体系，它是由前苏联科学家Belousov发现，后经Zhabotinskii发展而得名。　　1972年，R.J.Filed,E.Koros,R.M.Noyes等人通过实验对B－Z振荡反应作出了解释。其主要思想是：体系中存在着两个受溴离子浓度控制的过程A和B，当Br－离子浓度高于临界浓度[ Br－]crit时发生A过程，当溴离子浓度低于[ Br－]crit时发生B过程。也就是说：Br－离子浓度起开关作用，它控制着A到B的过程，和由B过程到A过程的转变。在A过程中，由于化学反应，Br－浓度降低，当浓度低到[ Br－]crit时，B过程发生；在B过程中，Br－离子再生，Br－离子浓度增加，当B浓度达到[ Br－]crit时，A过程发生。这样体系就在A过程、B过程间往复振荡。下面以BrO3-－Ce4+－MA－H2SO4体系为例说明。　　当Br－浓度足够高时，发生下列A过程　　　　　(1)　　　　　(2)其中反应（1）是速率控制步，当达到准定态时，有 当Br－浓度低时，发生下列B过程，Ce3+被氧化　　　　　　(3)　　　　　　(4)　　　　　　(5)　　反应(3)是速率控制步，反应经(3)、(4)将自催化产生HBrO2，当达到定准态时，　　　　　　由反应(2)和(3)可以看出，Br－和BrO3-是竞争HBrO2的，当k2[Br－]和k3[BrO3-]时，自催化过程步(3)不可能发生。自催化是B-Z振荡反应中必不可少的步骤，否则该振荡不能发生。Br－的临界浓度为：　　　　Br－的再生可通过下列过程实现CHCOOBr　　4Ce4+ + BrCH(COOH)2+ H2O + HOBr→ 2Br- +4Ce3++3CO2+6H+体系的总反应为　　2H+ + 2BrO3- +2CH2(COOH)2 →2BrCH(COOH)2+ 3CO2+ 4H2O振荡的控制物种是Br-B－Z振荡反应的影响及反应活化能 升高温度可缩短tin、tp及tl，即可加速体系的振荡反应。可以通过测定不同温度下的tin和tp来估算表观活化能。 在实验中，如果用1/tin和1/tp来衡量在诱导期和振荡期间内反应速率的快慢，高诱导期速率常数，振荡速率常数，根据阿仑乌斯公式：，得：，可以通过不同温度下，对tin和tp的测定来求在反应诱导期的表观活化能和反应振荡的表观活化能 三、仪器药品仪器: 2D-BZ振荡实验装置，100ml电解池，光亮铂丝电极，217型双盐桥甘汞电极（用 H2SO4作液接盐桥）,SYC-15B超级恒温槽，移液管，洗耳球。 试剂：0.05mol·L-1硫酸铈铵溶液（在0.2mol·L-1硫酸介质中配制）。 0.2mol·L-1溴酸钾溶液，0.4mol·L-1丙二酸溶液，3mol·L-1硫酸溶液 四、实验步骤 按图17－1连接好仪器装置，开启电脑，打开超级恒温槽，将温度恒定在25.0±0.1℃。在100mL的反应器中加入浓度为0.4mol·L-1的丙二酸、浓度为 0.2mol·L-1的KBrO3、浓度为 3mol·L-1的硫酸各10 mL混合，开启电磁搅拌使溶液在设定温度下恒温至少10min（调节调速旋钮约3圈半）。打开BZ振荡2.0软件，设置纵坐标0-1.5V，横坐标0-30min。待电压稳定后，开始绘图，绘图约5min后加入10mL浓度为 硫酸铈铵溶液，观察溶液颜色变化， 　　　　　　　　　　　　　　　图18－1 B-Z反应实验装置示意图　　　　　　　　　　　　　　　　图18-2 B-Z反应的电势振荡曲线 经过一段时间后，此后的曲线呈现有规律性周期变化。图像出现10个周期以后，停止绘图。 获取振荡曲线数据和图像。 取出电极洗净电解池和所用电极，在20-50℃之间选择5-8个合适的温度（如20.0℃，25.0℃，30.0℃，···），在每个温度下重复上述步骤，绘制在不同温度下的曲线。 五、数据处理 将实验结果列于实验报告中；找出诱导时间好振荡周期。 T/K 1/T×10^3