实验13B-Z振荡反应.docVIP

实验13 B－Z振荡反应 一、实验目的及要求 1.了解Belousov－Zhabotinski反应(简称BZ反应)的基本原理及研究化学振荡反应的方法。 2.初步理解自然界中普遍存在的非平衡非线性的问题。 二、实验原理 有些自催化反应有可能使反应体系中某些物质的浓度随时间（或空间）发生周期性的变化，这类反应称为化学振荡反应。 最著名的化学振荡反应是1959年首先由别诺索夫（Belousov）观察发现，随后柴波廷斯基（Zhabotinski）继续了该反应的研究。他们报道了以金属铈离子作催化剂时，柠檬酸被HBrO3氧化可发生化学振荡现象，后来又发现了一批溴酸盐的类似反应，人们把这类反应称为B-Z振荡反应。例如丙二酸在溶有硫酸铈的酸性溶液中被溴酸钾氧化的反应就是一个典型的B-Z振荡反应。 1972年，R.J.Fiela，E.Koros，R.Noyes等人通过实验对上述振荡反应进行了深入研究，提出了FKN机理，反应有三个主过程组成： 过程A (1) Br-＋BrO3-＋2H+ → HBrO2＋HBrO (2) Br-＋HBrO2＋H+ → 2HBrO 过程B (3) HBrO2＋BrO3-＋H+ → BrO2. ＋H2O (4) BrO2.＋Ce3+＋H+ → HBrO2＋Ce4+ (5) 2HBrO2 → BrO3-＋H+＋HBrO 过程C (6) 4Ce4+＋BrCH(COOH)2＋H2O＋HBrO 2Br-＋4Ce3+＋3CO2＋6H+ 过程A是消耗Br-，产生能进一步反应的HBrO2，HBrO为中间产物。 过程B是一个自催化过程，在Br-消耗到一定程度后，HBrO2才按式（3）、（4）进行反应，并使反应不断加速，与此同时，Ce3+被氧化为Ce4+。HBrO2的累积还受到式(5)的制约。 过程C为丙二酸被溴化为BrCH(COOH)2，与Ce4+反应生成Br-使Ce4+还原为Ce3+。 过程C对化学振荡非常重要，如果只有A 和B，就是一般的自催化反应，进行一次就完成了，正是C的存在，以丙二酸的消耗为代价，重新得到Br-和Ce3+，反应得以再启动，形成周期性的振荡。 该体系的总反应为： 3H++3BrO- 3+5CH2(COOH)23BrCH(COOH)2+4CO2+5H2O+2HCOOH 振荡的控制离子是Br-。 由上述可见，产生化学振荡需满足三个条件： 1. 反应必须远离平衡态。化学振荡只有在远离平衡态，具有很大的不可逆程度时才能发生。在封闭体系中振荡是衰减的，在敞开体系中，可以长期持续振荡。 2. 反应历程中应包含有自催化的步骤。产物之所以能加速反应，因为是自催化反应，如过程A中的产物HBrO2同时又是反应物。 3. 体系必须有两个稳态存在，即具有双稳定性。 化学振荡体系的振荡现象可以通过多种方法观察到，如观察溶液颜色的变化，测定电势随时间的变化。 三、试剂 丙二酸（A.R）；溴酸钾（G.R）；硫酸铈铵(A.R)；浓硫酸（A.R）。 1.浓度振荡现象的观察 在100mL烧杯中，先倒入600mL去离子水，再依次溶入16g丙二酸（s）、6g KBrO3(s)、3mL邻菲啰啉亚铁指示剂（邻菲啰0.135g，FeSO4·7H2O(s) 0.07g溶于10mL去离子水而成），0.5g（NH4）2Ce(NO3)6(s)，再在搅拌条件下加26mL H2SO4（浓），静置片刻后即可发现溶液颜色先由红变蓝，又由蓝变红，开始出现周期振荡现象（如不加邻菲啰啉亚铁指示剂，则颜色在无色和黄色之间振荡）。 试亚铁灵指示剂:称取1.458g邻菲啰啉,0.695g硫酸亚铁(FeSO4.7H2O)溶于水中,稀释至100ml,贮于棕色瓶中.我们以前也遇到这种情况,后来发现是试剂太差了.换了试剂然后加热溶解就可以了. 2. 先配制种溶液： 将3mL H2SO4（浓）和11g KBrO3(S)溶解在134mL去离子水中制得溶液I；将1.1g KBrO3(s)溶解在10cm3去离子水中制得溶液Ⅱ； 将2g丙二酸(s)溶在20cm3去离子水中制得溶液Ⅲ。 接着在一小烧杯中先加入18cm3溶液I，再加入1.5cm3溶液Ⅱ和3cm3溶液Ⅲ，待溶液澄清后，再加入3cm3邻菲啰啉亚铁指示剂（配制方法同上），充分混合后，倒入一直径为9cm的培养皿中，将培养皿水平放在桌面上盖上盖子，下面放一张白纸以利观察。培养皿中的溶液先呈均匀的红色，片刻后溶液中出现蓝点，并成环状向外扩展，形成各种同心圆式图案。如果倾斜培养皿使一些同心圆破坏，则可观察到螺旋式图案的形成，这些图案同样能向四周扩展。 （1）配制三种溶液a、b、c。 a.取3mL浓硫酸稀释在134mL水中，加入10g溴酸钠溶解。 b.取1g溴化钠溶在