物理化学B-Z震荡实验

B-Z振荡反应

一、实验目的：

1、了解振荡反应的基本原理，体会产生振荡反应必备的条件。

2、初步理解耗散结构系统远离平衡的非线性动力学机制。

3、了解反应溶液的投放顺序以及观察颜色变化。

二、实验原理：

有机物在酸性介质中被催化溴氧化的一类反应。经典热力学熵增原理难以说明生命现象，普里高津提出了耗散结构理论，也提出了一个开放体系在达到远离平衡态的的非线性区域时，一旦体系的某个参量达到一定打得阀值后，通过涨落就可以使体系发生突变，从无序走向有序，产生化学振荡一类的自组织现象。

实验试剂：

A溶液：3g丙二酸+6ml 1:1Ｈ2SO4+0.2硝酸铵+44mlH2O

B溶液：2.5g溴酸钾+50mlH2O

邻菲啰啉：0.7gFeSO4+0.5g邻菲啰啉

三、实验步骤：

1．在小烧杯中加入8mlA溶液和8mlB溶液混匀观察颜色变化（无→黄→无）记录变化周期，再加入1ml邻菲啰啉混匀，观察其颜色变化，记录五个周期。

2．空间化学波现象观察

在培养皿中加入6mlA和6mlB混匀后，再加入2ml邻菲啰啉混匀，

下衬白纸，水平放在桌上，静置一段时间，观察同心圆样图案。

四、实验数据处理：

附：实验名词解释：

（1）开放系统

热力学第二定律告诉我们，一个孤立系统的熵一定会随时间增大，熵达到极大值，系统达到最无序的平衡态，所以孤立系统绝不会出现耗散结构。那么开放系统为什么会出现本质上不同于孤立系统的行为呢？其实，在开放的条件下，系统的熵增量dS是由系统与外界的熵交换deS和系统内的熵产生diS两部分组成的，即：dS=deS+diS 热力学第二定律只要求系统内的熵产生非负，即diS>=0，然而外界给系统注入的熵deS可为正、零或负，这要根据系统与其外界的相互作用而定，在deS<0的情况下，只要这个负熵流足够强，它就除了抵消掉系统内部的熵产生diS外，还能使系统的总熵增量dS为负，

总熵S减小，从而使系统进入相对有序的状态。所以对于开放系统

来说，系统可以通过自发的对称破缺从无序进入有序的耗散结构状态。

（2）远离平衡态

远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。原则上生命的产生，与远离平衡态的各种力学系统是息息相关的，因为在这样的系统中才存在正负零物质高水平、高密度的相互作用，才有持续不断的非线性、非平衡演化过程，才能不断积累负熵，因此生命并不一定局限于我们常见的生命形式，在中国传统文化中甚至石头都可以变成生命，现代非线性科学一般结晶过程也可能蕴含生命规律都是同样的道理使然。在其他星球上只要存在非平衡系统，就有可能存在该星球独有的生命形式。在特定星球背景场下生存的生命是顽强而脆弱的，说其脆弱乃在于其受背景场扰动的影响很大，几如飞烟，很容易被各种作用肢解，说其顽强，乃是因为如果其基本结构跟背景场高度相容，则具有极强的稳定性和自组织、自学习特性，能够实时跟随背景场的变化调整自身的状态，显示出足够的灵动性和活力。所以对于一个生命而言，既不可自暴自弃，也不可妄自尊大，贵在于顺从规律，与道合真，则在“牺牲”自我的同时也获得了永恒的自由。

(3)非线性区域

系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。

（4）涨落

涨落是大量微观粒子的一种统计平均行为，是大量微观粒子如分子、原子、电子等无规则热运动的结果。涨落的相对值通常很小，但在有些现象中仍可观察到，并且可能有很重要的影响。大气中分子的热运动使宏观小体积内的分子数时多时少，分子数密度的这种涨落引起折射率的偏离，导致日光散射，是使天空呈蓝色的原因之一。布朗运动也是一种涨落现象，在电流计或其他仪器中，用细丝悬挂的反射镜受到周围气体分子的无规则碰撞，撞击的不均衡即力矩的涨落，导致反射镜随机的运动，使仪器的灵敏度受到限制。在电路和电子元件中，由于电子的无规则运动，产生微弱的方向与大小不断变化的涨落电流，引起仪器的噪声，使测量精度受到限制。

（5）自组织现象

自组织现象是指自然界中自发形成的宏观有序现象。在自然界中这种现象是大量存在的，理论研究较多的典型实例如：贝纳德(Bénard)流体的对流花纹，贝洛索夫－扎鲍廷斯基(Belousov-Zhabotinsky)化学振荡花纹与化学波，激光器中的自激振荡等。自组织理论除耗散结构理论外，还包括协同学、超循环理论等，它们力图沟通物理学与生物学甚至社会科学，对时间本

质问题等的研究有突破性进展，在相当程度上说明了生物及社会领域的有序现象。