《物化实验c教学资料》b-z振荡反应

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1、B-Z荡反应姓名：口露学号：2008011959班级:材81班实验口期：2009.11.17提交报告日期：2009.12.1同组实验者：吴迪实验助教：郑庆伟1引言1.1实验目的1.了解Belousov-Zhabotinski反应（简称B・Z振荡反应）的机理。2.通过电位时间曲线测定振荡反应的表观活化能。1.2实验原理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时间作周期性的变化。1958年，Belousov首次报道在以金属铀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，Zhaboti

2、nsky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澳酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的澳酸氧化反应系统能出现振荡现象，而且所用的催化剂也不限于金属肺离子，诜和镭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体系典型肺离子和漠离子浓度的振荡曲线如图1所示。30・6009012001500”8图1：B

3、-Z体系典型铀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屮以金属钝离子作催化剂的条件下，丙二酸被澳酸氧化的机理，简称为FKN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~+Br2+HQ心=8x1O'So厂2-dm6-s~lk_}=110$t(2)HBO+Br~+H*^^2HOBrk2=2xl09mol~2-dm6-s"1(3)BrO；+Br~+2H+—HBrO2+HOBr栽=2Amol~3•dm®(4)2HBrO

4、2—BrO~+HOBr+H+k4=4x107/?w/_,-dm3-5_1(5)+k5BrO-+HBrO,+H七三2BO+HQk-sk5=l.QxlO4mol~2•dm6•s~]k_5=2xl07mo/_l-dm3•s~l(6)BO+Ce3++H+ItHBO+Ce4+快速(7)Br2+MA^^BrMA+"+/Tkj=1.3xW2[H+][M4](8)6Ce4++M4+2HQ—6Ce3++HCOOH+ICO,+6H+8.8xl()2[Ce4+][A/A]s-0.53+[M4](9)4Ce4++B/MA+2/7.0—^4Ce3

5、++Br~+HCOOH+2CO2+5/T_.lxQ-2Ce4+\BrMA9~0.20+[BrMA](10)B.+HCOOH尬〉2BL+CO.+2H+77.5x10」[阳[HCOOH]kg==10[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。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：当田广]较大时，反应主要按表中的(1)、(2)、(3)进

6、行，总反应为：BrO；+5Br'+6/TT3弘+3H?O(11)生成的Bt2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；+2BL+3CH2(COOH)2+3H*t3BrCH(COOH)2+3H2O(12)当[BL]较小时，反应按步骤(5)和(6)进行，总反应为：2Ce3++BrO；+HBrO2+3H+t2Ce4++2HBrO2+H20(13)步骤(5)为该反应的速度控制步骤((5)的逆反应速率对忽略)，这样有=%IBrO；][HBrO.[H+](14)dt-上

7、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：BfO；+4C/++5/TtHOBr+4C/++2H2O(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。总反应为：HOBr+4Ce4++BrCH(COOH)2+HQt2BL+4Ce"+3CO?+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［Br「］足够大时，HBrO2按A中的步骤(2)消耗。随着［BrC的降低,B中的步骤(5)对H

8、BrO2的竞争愈来愈重要。当［B□达到某个临界值［矗一］时，自催化步骤(5)引起的HBrU的生成速率正好等于过程A中由步骤(2)引起的HBiQ的消耗速率，即dHB®]=他[BrQ~][HBrO.][H+]-k,[Br~][HBrO,][//+]=0(17)dt由(17)式易得:[Br~]=^[BrO；]k2若已知实验