以丙酮为底物的B_R化学振荡系统研究
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[ 1 ] 李和平 ,王中 杰 . 碘酸钾与亚硫 酸钠反应的 动力学机 理研究 [ J ]. 重庆建筑大学学报 , 1997( 4): 112 . [ 2 ] 武 汉大学化学与环境科学学院 . 物理化学实验 [ M ]. 武汉 : 武汉大 学出版社 , 2000. 125.
-
图 2 丙酮浓度对振荡的影响
-ห้องสมุดไป่ตู้
+ IO3 + I + H
-
+ M n2
I2+ H2 O
第三阶段是: CH3 CO CH3+ I2
+ IO3 + 2 H + 2 I + + I- + H CH3 COC H2 I [1 ]
第二阶段的反应途径可能是 :
IO + 2IO H
(慢 ) (快 ) (快 )
IO + H IO H + I+ H
第二阶段是:
图 1 催化剂浓度对 振荡的影响
3. 2 影响因素 3. 2. 1 催化剂浓度的影响 25 ℃时体系中不加 M n2+ , 反应速度非常小 , 体系 无明显的黄色产生 , 催化剂浓度太小 , 颜色微黄反应速 度较慢 , 提高催化剂浓度反应体系颜色很快变橙黄 , 说 明产生 I2 的反应活化能较高 , 在实验条件下 , H2 O2 只 有在适量催化剂存在下才能较快还原 IO3 。 不同催化 剂浓度对振荡的影响见表 1, 1 # 、2 # 实验 , 振荡波形 见图 1 。 在图中可看出 , 反应 10s 时测得的吸光度 , 催 化剂浓度高的达 0. 15, 而催化剂浓度小的只有 0. 07 。 由于反应速度较快 , 消耗等量的 IO3 所需时间 (即寿 命 )短。 诱导期、振荡寿命、 振幅 、碘的起振浓度均随催 化剂浓度的增加而减小 , 而振荡周期增大。 3. 2. 2 底物初始浓度的影响 以丙酮为底物的振荡体系 , 由于丙酮在振荡体系 中是消耗碘的 , 因此增大其浓度 , 振幅和 I2 的起始浓 度变小 , 诱导期和寿命缩短。 见表 1, 3 # 、4 # 实验。 其 振荡波形见图 2 。
第一 作者简介 : 楼 台芳 ( 1946- ) ,女 , 浙江诸暨人 ,教授 , 主要从 事物理化学教学及有关科研工作 。
Key words: B-R oscillati ng ; i nduction time ; periodic ; leng th of lif e
化学振荡现象是在某些非平衡态化学体系中的一 种自组织现象 ,近年来已日益引起人们的广泛兴趣。新 的振荡器不断设计出来 , 对其反应机理的研究也不断 深入。 1973年 , Brigg s 和 Rauscher 发现了所谓的 B-R 反应 , 即 以 IO3 推动的 振荡反应称为 B-R类化学 振 荡 。 目前对该类反应的研究工作报导甚少 。 本文探讨 了以丙酮为底物的 B-R反应 , 并对其影响因素和反应 机理作了初步的研究。
-
2 实验原理及实验方法
该振荡反应是一个复杂反应 ,在酸性介质中 H2 O2 将 KIO3 中的碘还原成 I 。 在反应过程中有中间产物 I2 的生成和消耗 , 而 I2 在波长为 460nm 处有最大吸收 峰 , 因此可用分光光度计观察 I2 浓度的振荡行为。 按 下 列 顺 序 向 体 系 中 加 入 反 应 物 料 , M n 、 H2 SO4、 CH3 CO CH3、 H2 O2 , 最后 加 KIO3 开始 记时 , 混匀后 迅 速放入光路中 , 每隔十秒钟记录一次吸光度 。
+
+
IO H I2+ H2 O
[2 ] + C H3 C O HCH3
第三阶段的反应途径可能是 :
+ CH3 CO CH3+ H
(快 )
+ +
CH3 C O HCH CH3 CO HCH2+ I2
-
+
CH3 COHCH2+ H
(慢 )
-
CH3 COC H2 I + I + H (快 )
整个反应机理可看成为: 在酸性介质中 IO3 被催 化还原成 I- , 再与 IO3 反应生成 I2 , 由第一阶段和第 二阶段完成 ; 第三阶段是底物将 I2 还原成 I- , 这样周 而复始地进行阶段二和阶段三的反应 , 直至 IO3 完全 消耗 , 振荡结束 。 该振荡过程实际上是由 I2 的生成与 消耗在周期性变化而引起的 。 因此当振荡停止后再加 入 IO3 振荡又产生 ,而加入其它物质则振荡不发生 。 参考文献:
Study on the B R Chemical Oscillating Reaction with Acetone as Subst rate
L OU Tai -f ang , YU AN Quan , HU AN G Shan , L I Hui l in ( Col leg e of Chemi st ry & M olecular Sciences, W uhan Univ . , Wuha n 430072, China ) : Abstract st udi ed. The mechanism and i nf luence fact ors o f the B-R chemical oscillati ng reacti on wi th aceto ne w ere
(武汉大学 化学与分子科学学院 , 湖北 武汉 430072) 摘 要: 选用 CH3 COC H3 -KIO3 -M nSO4 -H2 O2 -H2 SO4 体系的 B-R振荡反应进行研究 , 对反应体系的影 响因素进行分析 , 探讨了反应机理。 关键词: B-R化学振荡 ; 诱导期 ; 周期 ; 寿命 中图分类号: O643 文献标识码 : A 文章编号 : 1006-7167( 2004) 01-0023-02
3. 2. 3 I2 浓度的影响
在 反应初期加入 I2 标准溶液 (含 I ) , 振荡不 产
生 ; 在振荡过程中加入 I2 标准溶液 (含 I- ) , 振荡立即 停止。 在振荡过程中用苯将 I2 萃取掉或加入 Ag+ 除 去 I- , 振荡也停止。 表明维持振荡需保持一定的 I2 和 I 浓度。 配制 I2 的标准溶液 , 测得 I2 浓度～ 吸光度工 作曲线 , 查得不同条件下 , 振荡体系起振所需 I2 浓度 , 见表 1 。
编号 1 # 2 # 3 # 4 # CH 3 CO C H3 6. 0 × 10- 4 6. 5. 2. 0 × 10- 4 0 × 10- 1 5 × 10- 4
( mm ol· L- 1 ) ( mmol· L- 1 ) ( mmol · L- 1 ) ( m mol · L- 1 ) 43 43 43 43 0. 5 0. 7 0. 5 0. 5 170 170 170 170 250 250 250 250
第 23卷 第 1期 2004年 1月
实 验 室 研 究 与 探 索
RESEA RCH AN D EX PL O RA T IO N IN L ABO RA T O RY
V ol. 23 N o. 1 Jan. 2004
以丙酮为底物的 B -R 化学振荡系统研究
楼台芳 , 袁 荃 黄 珊 , 李会林
-
4 振荡机理探讨
丙酮为底物的 B-R振荡反应的反应机理可能为 : 总包反应: IO3 + H2 O2+ H + CH3 CO CH3 CH3 CO CH2 I + I + H2 O+ O2 该反应可分三个阶段进行: 第一阶段是:
+ IO3 + H2 O2+ H + M n2
-
+
M n2+
-
O2+ H2 O+ I-
H2 O 2 诱导期 /s 90 40 30 50 振幅 / 吸光度 0. 15 0. 10 0. 10 0. 20 起振 I2 ( mmol· L- 1 ) 1. 1 0. 97 0. 34 2. 5 周期 /s 30 60 30 30 寿命 / min 20 10 10 24
表 1 各反应物的初始浓度与 实验结果的关系
收稿日期 : 2003-02-06
24
实 验 室 研 究 与 探 索
第 23卷
3. 1 实验现象 振荡体系在表 1的条件下产生明显的振荡现象 。 加入最后一个反应组分 KIO3 时溶液颜色由无色较快 地转变成棕黄色 , 同时产生大量气泡。 经过一定时间 后 , 开始在棕黄色和浅黄色之间交替变化 , 后期颜色变 浅 , 在淡黄色和无色之间振荡 ,最后几乎变无色 。 用分 光光度计跟综反应过程 , 记录不同时刻的吸光度 。 溶液 刚放入光路时 ,吸光度一直上升 , 几分钟后吸光度来回 摆动 , 呈现周期性变化 , 后期振荡周期延长 , 呈阻尼振 荡趋势 。 将吸光度随时间的变化关系在 o rigi n 作图软 件上处理 ,得图 1 和图 2 。
2+ -
1 仪器与试剂
( 1) 仪器: 721分光光度计。 ( 2) 试 剂: CH3 CO CH3 , H2 SO4 , KIO3 , M nSO4 , H2 O2。 所用试剂均为 AR级 , 配制溶液均用去离子水 。
K IO3 M n SO 4 H2 SO4
3 结果与讨论
在 25 ℃恒温条件下 ,实验得到振荡体系各反应物 的初始浓度及实验结果见表 1 。
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图 2 丙酮浓度对振荡的影响
-ห้องสมุดไป่ตู้
+ IO3 + I + H
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+ M n2
I2+ H2 O
第三阶段是: CH3 CO CH3+ I2
+ IO3 + 2 H + 2 I + + I- + H CH3 COC H2 I [1 ]
第二阶段的反应途径可能是 :
IO + 2IO H
(慢 ) (快 ) (快 )
IO + H IO H + I+ H
第二阶段是:
图 1 催化剂浓度对 振荡的影响
3. 2 影响因素 3. 2. 1 催化剂浓度的影响 25 ℃时体系中不加 M n2+ , 反应速度非常小 , 体系 无明显的黄色产生 , 催化剂浓度太小 , 颜色微黄反应速 度较慢 , 提高催化剂浓度反应体系颜色很快变橙黄 , 说 明产生 I2 的反应活化能较高 , 在实验条件下 , H2 O2 只 有在适量催化剂存在下才能较快还原 IO3 。 不同催化 剂浓度对振荡的影响见表 1, 1 # 、2 # 实验 , 振荡波形 见图 1 。 在图中可看出 , 反应 10s 时测得的吸光度 , 催 化剂浓度高的达 0. 15, 而催化剂浓度小的只有 0. 07 。 由于反应速度较快 , 消耗等量的 IO3 所需时间 (即寿 命 )短。 诱导期、振荡寿命、 振幅 、碘的起振浓度均随催 化剂浓度的增加而减小 , 而振荡周期增大。 3. 2. 2 底物初始浓度的影响 以丙酮为底物的振荡体系 , 由于丙酮在振荡体系 中是消耗碘的 , 因此增大其浓度 , 振幅和 I2 的起始浓 度变小 , 诱导期和寿命缩短。 见表 1, 3 # 、4 # 实验。 其 振荡波形见图 2 。
第一 作者简介 : 楼 台芳 ( 1946- ) ,女 , 浙江诸暨人 ,教授 , 主要从 事物理化学教学及有关科研工作 。
Key words: B-R oscillati ng ; i nduction time ; periodic ; leng th of lif e
化学振荡现象是在某些非平衡态化学体系中的一 种自组织现象 ,近年来已日益引起人们的广泛兴趣。新 的振荡器不断设计出来 , 对其反应机理的研究也不断 深入。 1973年 , Brigg s 和 Rauscher 发现了所谓的 B-R 反应 , 即 以 IO3 推动的 振荡反应称为 B-R类化学 振 荡 。 目前对该类反应的研究工作报导甚少 。 本文探讨 了以丙酮为底物的 B-R反应 , 并对其影响因素和反应 机理作了初步的研究。
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2 实验原理及实验方法
该振荡反应是一个复杂反应 ,在酸性介质中 H2 O2 将 KIO3 中的碘还原成 I 。 在反应过程中有中间产物 I2 的生成和消耗 , 而 I2 在波长为 460nm 处有最大吸收 峰 , 因此可用分光光度计观察 I2 浓度的振荡行为。 按 下 列 顺 序 向 体 系 中 加 入 反 应 物 料 , M n 、 H2 SO4、 CH3 CO CH3、 H2 O2 , 最后 加 KIO3 开始 记时 , 混匀后 迅 速放入光路中 , 每隔十秒钟记录一次吸光度 。
+
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IO H I2+ H2 O
[2 ] + C H3 C O HCH3
第三阶段的反应途径可能是 :
+ CH3 CO CH3+ H
(快 )
+ +
CH3 C O HCH CH3 CO HCH2+ I2
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CH3 COHCH2+ H
(慢 )
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CH3 COC H2 I + I + H (快 )
整个反应机理可看成为: 在酸性介质中 IO3 被催 化还原成 I- , 再与 IO3 反应生成 I2 , 由第一阶段和第 二阶段完成 ; 第三阶段是底物将 I2 还原成 I- , 这样周 而复始地进行阶段二和阶段三的反应 , 直至 IO3 完全 消耗 , 振荡结束 。 该振荡过程实际上是由 I2 的生成与 消耗在周期性变化而引起的 。 因此当振荡停止后再加 入 IO3 振荡又产生 ,而加入其它物质则振荡不发生 。 参考文献:
Study on the B R Chemical Oscillating Reaction with Acetone as Subst rate
L OU Tai -f ang , YU AN Quan , HU AN G Shan , L I Hui l in ( Col leg e of Chemi st ry & M olecular Sciences, W uhan Univ . , Wuha n 430072, China ) : Abstract st udi ed. The mechanism and i nf luence fact ors o f the B-R chemical oscillati ng reacti on wi th aceto ne w ere
(武汉大学 化学与分子科学学院 , 湖北 武汉 430072) 摘 要: 选用 CH3 COC H3 -KIO3 -M nSO4 -H2 O2 -H2 SO4 体系的 B-R振荡反应进行研究 , 对反应体系的影 响因素进行分析 , 探讨了反应机理。 关键词: B-R化学振荡 ; 诱导期 ; 周期 ; 寿命 中图分类号: O643 文献标识码 : A 文章编号 : 1006-7167( 2004) 01-0023-02
3. 2. 3 I2 浓度的影响
在 反应初期加入 I2 标准溶液 (含 I ) , 振荡不 产
生 ; 在振荡过程中加入 I2 标准溶液 (含 I- ) , 振荡立即 停止。 在振荡过程中用苯将 I2 萃取掉或加入 Ag+ 除 去 I- , 振荡也停止。 表明维持振荡需保持一定的 I2 和 I 浓度。 配制 I2 的标准溶液 , 测得 I2 浓度～ 吸光度工 作曲线 , 查得不同条件下 , 振荡体系起振所需 I2 浓度 , 见表 1 。
编号 1 # 2 # 3 # 4 # CH 3 CO C H3 6. 0 × 10- 4 6. 5. 2. 0 × 10- 4 0 × 10- 1 5 × 10- 4
( mm ol· L- 1 ) ( mmol· L- 1 ) ( mmol · L- 1 ) ( m mol · L- 1 ) 43 43 43 43 0. 5 0. 7 0. 5 0. 5 170 170 170 170 250 250 250 250
第 23卷 第 1期 2004年 1月
实 验 室 研 究 与 探 索
RESEA RCH AN D EX PL O RA T IO N IN L ABO RA T O RY
V ol. 23 N o. 1 Jan. 2004
以丙酮为底物的 B -R 化学振荡系统研究
楼台芳 , 袁 荃 黄 珊 , 李会林
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4 振荡机理探讨
丙酮为底物的 B-R振荡反应的反应机理可能为 : 总包反应: IO3 + H2 O2+ H + CH3 CO CH3 CH3 CO CH2 I + I + H2 O+ O2 该反应可分三个阶段进行: 第一阶段是:
+ IO3 + H2 O2+ H + M n2
-
+
M n2+
-
O2+ H2 O+ I-
H2 O 2 诱导期 /s 90 40 30 50 振幅 / 吸光度 0. 15 0. 10 0. 10 0. 20 起振 I2 ( mmol· L- 1 ) 1. 1 0. 97 0. 34 2. 5 周期 /s 30 60 30 30 寿命 / min 20 10 10 24
表 1 各反应物的初始浓度与 实验结果的关系
收稿日期 : 2003-02-06
24
实 验 室 研 究 与 探 索
第 23卷
3. 1 实验现象 振荡体系在表 1的条件下产生明显的振荡现象 。 加入最后一个反应组分 KIO3 时溶液颜色由无色较快 地转变成棕黄色 , 同时产生大量气泡。 经过一定时间 后 , 开始在棕黄色和浅黄色之间交替变化 , 后期颜色变 浅 , 在淡黄色和无色之间振荡 ,最后几乎变无色 。 用分 光光度计跟综反应过程 , 记录不同时刻的吸光度 。 溶液 刚放入光路时 ,吸光度一直上升 , 几分钟后吸光度来回 摆动 , 呈现周期性变化 , 后期振荡周期延长 , 呈阻尼振 荡趋势 。 将吸光度随时间的变化关系在 o rigi n 作图软 件上处理 ,得图 1 和图 2 。
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1 仪器与试剂
( 1) 仪器: 721分光光度计。 ( 2) 试 剂: CH3 CO CH3 , H2 SO4 , KIO3 , M nSO4 , H2 O2。 所用试剂均为 AR级 , 配制溶液均用去离子水 。
K IO3 M n SO 4 H2 SO4
3 结果与讨论
在 25 ℃恒温条件下 ,实验得到振荡体系各反应物 的初始浓度及实验结果见表 1 。