BZ振荡反应

BZ振荡反应

刘恺 1120123036

一、实验目的

（1）了解BZ（Belousov-Zhabotinski）反应的基本原理。

（2）观察化学振荡现象。

（3）练习用微机处理实验数据和作图。

二、实验原理

化学振荡：反应系统中，某些物理量（如某组分浓度）随时间做周期性变化。 BZ体系：溴酸盐、有机物在酸性条件以及在有（或无）金属离子催化剂作用下构成的体系。

BZ振荡反应机理（FKN机理）：

总反应：（A）2H++2Br0

3-+2CH

2

(COOH)

2

→2BrCH(COOH)

2

+3CO

2

+4H

2

O

过程(1):(B)BrO

3-+Br-+H+→HBrO

2

+HOBr

(C)HBrO

2

+Br-+H+→2HOBr

过程(2):(D)BrO

3-+HBrO

2

+H+→2BrO

2

+H

2

O

(E)BrO

2+Ce3++H+→HBrO

2

+Ce4+

(F)2HBrO

2→BrO

3

-+HOBr+H+

Br-再生过程(G)4Ce4++BrCH(COOH)

2+H

2

O+HOBr→2Br-+4Ce3++3CO

2

+6H+

体系中存在着两个受溴负离子浓度控制的过程（1）与（2）。当溴负离子含量足够高时，主要发生过程（1），其中步骤B是速率控制步骤。当溴负离子含量低时，主要发生过程（2），其中D是速率控制步骤。如此，体系在过程（1）与（2）之间往复振荡。

反应进行时，系统中Br-、HBrO

2

、Ce3+、Ce4+的浓度均随时间做周期性变化。实验中，可选用溴离子选择电极测定Br-，用铂丝电极测定Ce4+、Ce3+随时间变化。

从加入硫酸铈铵到体系开始振荡的时间为t

诱

，诱导期与反应速率成反比，

即1/t

诱正比于k=Aexp（-E

表

/RT）,并且有，

Ln（1/t

诱）=LnA-E

表

/RT.

作图Ln（1/t

诱）-1/T,根据斜率可求出表观活化能E

表。

三、仪器与试剂

BZ反应数据采集接口系统、微型计算机、恒温槽、反应器、磁力搅拌器、丙二酸（0.45mol/L）、溴酸钾（0.25mol/L）、硫酸（3.00mol/L）、硫酸铈铵（4×10-3mol/L）.

四、实验步骤

(1)恒温槽水浴接通电源，设置温度为30℃。用去离子水清洗反应器、铂电极、参比电极。检查仪器连线（铂电极-BZ反应数据采集接口正极，参比电极-BZ反应数据采集接口负极，温度传感器探头-恒温水浴）。

(2)启动微机，接通BZ反应数据采集接口系统电源，进入BZ振荡软件主菜单。（3）文件-新建；实验-设置参数（使用默认值）；实验-反应记录。（4）取8ml 硫酸铈铵溶液于锥形瓶中，放于恒温槽中恒温。（待恒温槽温度稳定在设置温度

并在软件窗口出现提示。）分别取丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液8ml混合，加入反应器中，固定好电极，用磁力搅拌器搅拌，并调好搅拌速度，实验中不得改变速度。

（5）将恒温5分钟后的硫酸铈铵溶液加入反应器中，立即单击“开始记录”键，系统开始采集记录，显示电位信号。

（6）系统画完10个振荡周期后，单击“停止实验”。

（7）重新设置恒温槽温度36℃，升温期间，去离子水清洗电极、反应器（原反应液倒入废液瓶中）。

（8）取8ml硫酸铈铵溶液于锥形瓶中，放于恒温槽中恒温。（待恒温槽温度稳定在设置温度并在软件窗口出现提示。）分别取丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液8ml混合，加入反应器中，固定好电极，用磁力搅拌器搅拌，并调好搅拌速度，实验中不得改变速度。

（9）之后的反应依次进行，之后再分别设置39℃、42℃，同样方法进行实验。（10）实验-查看波形；对于系统判断错误的起波时间进行修正。

（11）实验-处理数据；据软件提示，进行A、B处理，打印处理结果。并拷贝实验数据。

（12）清洗化学仪器，关闭恒温槽、BZ反应数据采集接口系统、微机电源。

五、数据处理

在开始震荡后，溶液颜色逐渐由黄色变为无色。之后在黄色和无色之间振荡。

用origin处理每次实验的数据，各个温度下（30、33、36、39）bz振荡曲线作图如下

30 度

33 度

36 度

39 度

拟合曲线得到：

直线斜率K=-E诱/R=-6631.3

得出E诱 = K•(-R)=55132.63J/mol

六、实验总结

随着温度的升高，导致反应速度提高，因而使振荡周期和振荡反应起波时间都减小。

实验中由于软件误差只能自己读取起波时间，采用的是第一个波波峰与波谷中间值，读数有一定误差。

实际观察中，黄色与无色之间的振荡颜色变化不很明显。可能是由于反应振荡速度较快，不同颜色的停留时间比较短导致人眼不能准确区分。

七、思考题

1、什么是化学振荡现象？产生化学振荡需要哪些条件？

在自催化反应中，有一类反应发生在远离平衡态的体系中，在反应过程中的一些参数（如压力、温度、热效应等）或某些组分的浓度会随时间或空间位置作周期的变化，人们称之为“化学振荡”。

化学振荡的条件有：（1）远离平衡态；（2）含有自催化反馈步骤；（3）具有双重稳定态；（4）在开放系统中进行

2、本实验中直接测定的量是什么？目的是什么？

本实验直接测出的是波形图，图中直接反应起波时间、电势差（波峰、波谷）、温度和震荡周期。不同时间下的电势差可以反映体系的振荡；起波时间与温度一起可以用来计算表观化学能，温度影响反应速度体现在震荡周期和起波时间的减小上。