B-Z振荡反应教学实验的反应条件改进

B-Z振荡反应教学实验的反应条件改进
胡佳欣;邹倩;杨文静;王雄英;郭江娜
【摘要】针对重庆大学出版社出版的《现代基础化学实验》中,采用H2SO4-KBrO3-丙二酸作为反应体系的B-Z振荡反应中存在实验效果不明显,诱导时间较长,振荡信号不够强等弊端,通过考察反应物浓度和催化剂浓度对振荡反应的诱导期、振荡周期和电动势的影响,优化了B-Z振荡反应实验教学体系,提高了实验教学效果.实验结果表明,B-Z振荡反应的最佳实验条件为KBrO3浓度0.40
mol/L,CH2(COOH)2浓度0.70 mol/L,H2SO4浓度2.00 mol/L,催化剂Ce4+浓度6.00 mmol/L.与《现代基础化学实验》中采用的0.25 mol/L KBrO3、0.50 mol/LCH2(COOH)2、3.00 mol/L H2SO4、4.00 mmol/L催化剂Ce4+体系的实验结果相比,电动势峰值升高21.51％,诱导时间减少26.27％,振荡周期减小
27.27％,实验效果更明显.
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2019(038)003
【总页数】6页(P51-55,202)
【关键词】B-Z振荡反应;教学实验;物理化学实验;基础化学实验
【作者】胡佳欣;邹倩;杨文静;王雄英;郭江娜
【作者单位】重庆大学化学化工学院,重庆401331;重庆大学化学化工学院,重庆401331;重庆大学化学化工学院,重庆401331;重庆大学化学化工学院,重庆401331;重庆大学化学化工学院,重庆401331
【正文语种】中文
【中图分类】O643
0 引言
化学振荡［1-2］是指在有些自催化反应体系中，部分组分或中间产物的浓度能随时间、空间发生有序的周期性变化的现象［3］。

化学振荡反应是当代非线性化学反应动力学研究的重要内容，具有特殊的现象及实验效果。

俄国化学家Belousov 和Zhabotinskii首次报道了以金属铈离子作为催化剂，柠檬酸在酸性条件下被溴
酸钾氧化时可呈现周期性的化学振荡现象，该反应即为 B-Z 振荡反应［4-7］，是众多振荡反应［8］中的一种。

B-Z振荡反应是当代物理化学实验的重要教学内容，广泛应用于全国各高校物理化学实验教材中，例如:北京大学《物理化学实验》［9］、南京大学《物理化学实验》［10］、重庆大学《现代基础化学实验》［11］等。

其中我校目前采用的《现代
基础化学实验》教材以0.50 mol/L 丙二酸、0.25 mol/L 溴酸钾、3.00 mol/L 硫酸、4.00 mmol/L的催化剂硫酸铈铵为反应体系［12］，该体系存在耗时长、振
幅不够大，振荡信号不够强，实验效果不明显等弊端，且目前针对B-Z振荡反应
实验教学的改进研究尚无相关的文献报道，本文通过改变B-Z振荡反应物及催化
剂浓度［13-14］，优化反应体系［15］的实验条件，以期获得振幅较大，诱导时间较短，振荡周期较短［15］且教学实验效果明显的反应体系，并将该体系应用
于物理化学实验教学中，也是对现代基础化学实验教学的一次改进。

1 材料和方法
1.1 仪器和试剂
(1)仪器。

电动势测定实验装置LB-RD-10(上海辰华仪器公司);B-Z振荡实验装置
(南京多助科技发展有限公司);SYP-ⅡC玻璃恒温水浴锅(南京多助科技发展有限公司);HD2004W电动搅拌机(江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司);232型甘汞电极(上海伟业仪器厂);213型铂电极(上海伟业仪器厂)。

(2)试剂。

丙二酸(天津汇英化学试剂有限公司，分析纯);溴酸钾(天津市津科精细化
工研究所，优级纯);硫酸铈铵(天津市瑞金特化学有限公司，分析纯);浓硫酸(天津市大茂化学试剂厂，分析纯);实验用水为二次蒸馏去离子水。

1.2 实验方法
采用 H2SO4-KBrO3-CH2(COOH)2作为反应物，Ce4+作为催化剂进行探究。

其反应温度控制在(25±0.1)℃，工作电极为铂电极，参比电极为甘汞电极。

通过移液管准确移取规定浓度的Ce4+，于25℃的SYP-ⅡC玻璃恒温水浴锅中预热10 min。

准确移取规定浓度的CH2(COOH)2、KBrO3和H2SO4溶液于反应器中，打开HD2004W电动搅拌机搅拌，于25℃条件下恒温10 min，记录相应的电动
势(E/mV)-时间(t/s)曲线，待基线走稳后，加入预热好的催化剂Ce4+，观察各物
质浓度对振荡行为的影响。

上述测定主要实验装置如图1所示。

图1 实验装置图
2 实验过程及结果分析
2.1 KBrO3溶液浓度对B-Z振荡反应体系的影响
重庆大学出版社出版的《现代基础化学实验》教材中 B-Z振荡反应体系 H2SO4
浓度为3.00 mol/L，CH2(COOH)2浓度为0.50 mol/L，KBrO3浓度为 0.25
mol/L，催化剂 Ce4+浓度为 4.00 mmol/L。

为考察KBrO3溶液浓度对反应的影响，设计KBrO3溶液浓度分别为0.15、0.20、0.25、0.30、0.35 和0.40 mol/L，其他反应物及催化剂浓度与《现代基础化学实验》教材体系浓度一致。

实验所得数据如表1所示，不同KBrO3溶液浓度下B-Z振荡反应曲线如图2所示。

表1 KBrO3溶液浓度对反应的影响关系表浓度/(mol·L －1)电动势峰值/mV 诱导
时间/s 振荡周期/s 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 938 857 860 1 005 934 956 377 298 316 330 340 333 105 80 77 74 70 66
图2 不同KBrO3溶液浓度下B-Z振荡反应曲线
由表1数据及图2可知，KBrO3溶液浓度对B-Z振荡反应影响不大。

当KBrO3
溶液浓度为0.30 mol/L时，综合实验效果较好，其电动势峰值较高，为1 005 mV(vs E(Hg|Hg2Cl2))，诱导时间和振荡周期相对较短，分别为330 s和74 s。

因此，在后续的正交实验中KBrO3浓度以0.30 mol/L为基准。

2.2 丙二酸浓度对对B-Z振荡反应体系的影响
为考察CH2(COOH)2溶液浓度对反应的影响，H2SO4，KBrO3和Ce4+的浓度
以《现代基础化学实验》教材为基准，分别为 3.00、0.30 mol/L 和 4.00 mmol/L，改变 CH2(COOH)2 浓度分别为 0.30、0.40、0.50、0.60、0.70 和 0.80 mol/L。

实验所得数据如表 2 所示，不同CH2(COOH)2浓度下B-Z振荡反应曲线如图3
所示。

表2 C3H4O4溶液浓度对反应的影响关系
图3 不同CH2(COOH)2溶液浓度下B-Z振荡反应曲线
由表2数据及图3可知，CH2(COOH)2浓度的改变对振荡反应的电动势峰值影响不大，当其浓度在0.30～0.80 mol/L时，浓度升高，诱导时间和振荡周期变小，分别如图4、5所示。

当CH2(COOH)2浓度为0.50 mol/L时综合效果较好，其
振荡周期较短，为50 s，诱导时间较短，为351 s，电动势峰值较高，为950 mV。

因此，在后续的正交试验中，CH2(COOH)2浓度以0.50 mol/L为基准。

图4 CH2(COOH)2浓度与诱导时间的关系
图5 CH2(COOH)2浓度与振荡周期的关系
2.3 硫酸浓度对B-Z振荡反应体系的影响
为考察 H2SO4浓度对反应的影响，CH2(COOH)2，KBrO3及Ce4+的浓度参照《现代基础化学实验》中的标准，分别为 0.50、0.30 mol/L 和 4.00 mmol/L。

H2SO4浓度在原教材的基础上分别设定为2.00、2.50、3.00、3.50、4.00 和
4.50 mol/L，实验所得的数据如表3所示，不同H2SO4浓度下B-Z振荡反应曲
线如图6所示。

表3 H2SO4溶液浓度对反应的影响关系表
实验结果表明，当 H2SO4浓度在 2.00～4.50 mol/L时，浓度升高，振荡周期减小，如图7所示。

由表3及图6可知，当H2SO4溶液浓度为3.00 mol/L时，综合实验效果较好，诱导时间相对较短，为342 s，振幅较大，为933 mV，且振荡周期相对较短，为64 s。

因此，在后续的正交试验中，H2SO4浓度以3.00
mol/L为基准。

2.4 催化剂Ce4+浓度对反应的的影响
参照《现代基础化学实验》教材中的标准，设定CH2(COOH)2、KBrO3及
H2SO4浓度分别为 0.50、0.30和3.00 mol/L，为考察催化剂 Ce4+浓度对反应
的影响，设置 Ce4+浓度分别为 2.00、3.00、4.00、5.00、6.00和7.00 mmol/L。

实验所得数据如表4所示，不同催化剂Ce4+浓度下B-Z振荡反应曲线如图8所示。

图6 不同H2SO4溶液浓度下B-Z振荡反应曲线
图7 H2SO4浓度与振荡周期的关系
表4 催化剂溶液浓度对反应的影响关系
由表4数据及图8可知，在不改变其他条件的情况下，Ce4+浓度越大，该反应的反应速率越大，诱导时间越短，如图 9所示。

当 Ce4+溶液浓度为 6.00 mmol/L 时，该反应的电动势峰值最大且诱导时间短，但考虑到试剂成本等因素，在后续的正交实验中，本研究以4.00 mmol/L Ce4+溶液浓度为标准。

2.5 正交试验
为优化B-Z振荡反应条件，进一步考察H2SO4、CH2(COOH)2、KBrO3及催化剂Ce4+浓度对B-Z振荡反应的影响，在单因素实验研究的基础上，选择KBrO3浓度为 0.30 mol/L、CH2(COOH)2浓度为 0.50 mol/L、H2SO4浓度为 3.00 mol/L、催化剂 Ce4+浓度为4.00 mmol/L作为正交试验基准，设计四因素五水平正交试验，正交试验表如表5、6所示。

图8 不同浓度的催化剂Ce4+的B-Z振荡反应曲线
图9 Ce4+浓度与诱导时间的关系
表5 四因素五水平正交设计表
由表6数据可知，当H2SO4浓度为2.00 mol/L，CH2(COOH)2浓度为0.70 mol/L，KBrO3浓度为 0.40 mol/L，Ce4+浓度为6.00 mmol/L时综合实验效果最好，其电动势峰值相对较高，为1 045 mV，诱导时间最短，为233 s，振荡周期也相对较短，为56 s，具有较好的重现性，其测得的反应曲线如图10所示。

与《现代基础化学实验》教材中采用的 0.50 mol/L CH2(COOH)2、0.25 mol/L KBrO3、3.00 mol/L H2SO4、4.00 mmol/L催化剂Ce4+体系测出的电动势峰值(860 mV)、诱导时间(316 s)，振荡周期(77 s)(见图11)相比，电动势峰值升高185 mV，诱导时间减小83 s，振荡周期减小21 s。

表6 L(54)正交试验表及实验数据
图10 正交试验后优化体系反应曲线
图11 重庆大学《现代基础化学实验》反应体系曲线
3 结语
通过研究 H2SO4、CH2(COOH)2、KBrO3 及 Ce4+浓度等因素对于Ce4+催化的H2SO4—KBrO3—丙二酸体系的B-Z振荡反应的影响，优化B-Z振荡反应实验教学体系，实验结果表明，当H2SO4浓度为2.00 mol/L、CH2(COOH)2浓度
为0.70 mol/L、KBrO3浓度为 0.40 mol/L、Ce4+浓度为 6.00 mmol/L 时，其
电动势峰值为1 045 mV，诱导时间为233 s，振荡周期为56 s，综合实验效果最好。

实验结果与《现代基础化学实验》教材中采用的0.50 mol/L CH2(COOH)2、0.25 mol/L KBrO3、3.00 mol/L H2SO4、4.00 mmol/L 催化剂 Ce4+体系测出
的电动势峰值860 mV、诱导时间316 s、振荡周期77 s相比，电动势峰值升高21.51%，诱导时间减小26.27%，振荡周期减小27.27%，实验效果更明显。

因此建议重庆大学《现代基础化学实验》B-Z振荡实验教学体系将 H2SO4浓度由
3.00 mol/L更改为2.00 mol/L，CH2(COOH)2浓度由 0.50 mol/L 更改为 0.70 mol/L，KBrO3浓度由0.25 mol/L 更改为 0.40 mol/L，催化剂 Ce4+浓度由
4.00 mmol/L更改为 6.00 mmol/L。

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