物化实验报告：曹腾飞_b-z振荡反应

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1、B-Z振荡反应曹腾飞2006011880化62同组实验者：杨林月实验日期：2008-11-27提交报告日期：2008-12-11助教：曾光洪1引言实验目的：所谓化学振荡就是反应系统中某些物理量如组分的浓度随吋间作周期性的变化。1958年，Belousov首次报道在以金属钟离子作催化剂的条件下，柠檬酸被漠酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含浪酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，述有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的漠

2、酸氧化反应系统能出现振荡现彖，而且所用的催化剂也不限于金属钟离子，铁和镒等金属离子可起同样的作用。后来，人们笼统地称这类反应为B・Z反应。目前，B・Z反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z体系典型鋪离子和澳离子浓度的振荡曲线如Fig.l所示。03060090120015Q0Fig.lB・Z体系典型饰离子和漠离子浓度的振荡曲线关于B-Z反应的机理，目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属肺离子作催化剂的条件下，丙二酸被澳酸氧化的机理，简称为FK

3、N机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下：FKN机理序号机理步骤速率或速率常数(1)HOBr+Br~4-//+0Br2+H2Ok{=8xl09m^/~2-dm6•s~lJ=110$"(2)HBrO.+Br'+H+—厂k2=2xl09m<>/~2•dm"-s~l(3)BrO；+"+2E—HBrO2+HOBrk,=2」mol~3-dm9-s~l-(4)2HBrO2—BrO；+HOBr+H+kA=4x107/7w/_1-dmy-s~](5)k5BrO；+HBrO.+H七三2B©+H2Ok-5ks=.Qx]04mo

4、l~2-dm6-5_lk_、=2x107/7?6>/_1-dm3-5_,(6)BO+Ce3++H+ItHBO+Ce4+快速(7)Br2+MA—BrMA+"+/Tk7=1.3x10_2[W+][AM](8)6。"+MA+2&0—f8.8xl0_2[Ce4+][MA]址—6Ce3++HCOOH+2CO2+6H+“-0.53+[MA](9)4Ce4++BrMA+2H.O—4Ce3++Br~+HCOOH+2CO2+5H+1.7xlO2[C/+][fi/^A]9-0.20+[BMW](10)Br,+HCOOH編〉2B广+CO.+2H十

5、77.5x10」[叭[HCOOH][H+]注：k.代表第i个反应步骤的速率,MA和BrMA分别为CH2(C00H)2和BrCH(COOII)2的缩写。按照FKN机理，可对化学振荡现象解释如下：当［Bk］较大时，反应主要按表屮的(1)、(2)、(3)进行，总反应为：BrO^+5Br+6/7+-3BF,+3H=0(11)生成的Bf2按步骤(7)消耗掉。步骤(1)、(2)、(3)、(7)组成了一条反应链，称为过程A,其总反应为：BrO；+2Br~+3CH2(COOH)2+3H+t3BrCH(COOH)2+3HQ(12)当［BQ］较

6、小时，反应按步骤(5)和(6)进行，总反应为：2Ce3++BrO；+HBrO2+3H十T2€＞轩+2HBrO2+比0(13)步骤(5)为该反应的速度控制步骤((5)的逆反应速率可忽略)，这样有〃［HBO】=k^Br0~］［HBrO2］［H+(14)dt・上式表明HBiO的生成具有自催化的特点，但HBrO,的增长要受到步骤(4)的限制。(4)、(5)、(6)组成了另一个反应链，称为过程B。其总反应为：BrO；+4Ce*+5H±TH0Br+4C产+2H?0(15)最后Br•一可通过步骤(9)和(10)而获得再生，这一过程叫做C

7、。总反应为：HOBr+4Ce4++BrCH(COOH)2+H?0t2Br~+4Ce3++3CO2+6/T(16)过程A、B、C合起来组成了反应系统中的一个振荡周期。当［BQ］足够大时，HBrt)2按八中的步骤(2)消耗。随着血一］的降低，B中的步骤(5)对HBr()2的竟争愈来愈重要。当［Br一］达到某个临界值［直「一］吋，自催化步骤(5)引起的HBrO?的生成速率正好等于过程A中由步骤(2)引起的HBrO2的消耗速率，即d[HBrO2]=BtQ_][/7+]-][HBrO.][H+]=0(17)dt由(17)式易［Br~

8、=^BrO：］(18)。若已知实验的初始浓度［BrO；］,由(18)式可估算［Br_］0当［Br"］＜［Br"］时，［HBrOj通过自催化反应(13)很快增加，导致［Br一］通过反应步骤(2)而迅速下降。于是系统的主要过程从A转换到BoB中产生的CJ+通过C使旳厂再生，［Bk］慢慢回升；