BZ振荡反应实验

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1、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

2、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

3、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，

4、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

5、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

6、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)3080.003247273.5-5.6113130.003195214-5.3663180.003145140.5-4.9453230.003096118-4.7713280.00304988-4.477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

7、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，转子位置和速度都必须加以控制。4.电压测量仪一定要置于0.1mV分辨率的手动状态下。5.跟电脑连接时，要用专用通讯线将电压测量仪的串行口与电脑串行口相接，在相应软件下工作。七、思考题1.试述影响诱导期的主要因素。答：中间体的生成速率。2.初步说明BZ振荡反应的特征及本质。答：BZ振荡反应的特征如下：（1）反应必须是敞开系统，且远离平衡态；（2）反应历程中应包含自催化的步骤；（3）系统具有双稳定性。BZ振荡反应的本质是必然是耗散结构，化学振荡的动力学具有非线形的微分速率公式。