物理化学实验报告BZ振荡

振荡反应

姓名：杨岳洋学号:2015012012（同组实验同学：张知行）

学号：2015012012 班级：材54

实验日期：2016年9月26日

助教：袁倩

1 引言

1.1 实验目的

1．了解反应（简称反应）的机理。

2．通过测定电位——时间曲线求得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。许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的溴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铈离子，铁和锰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反应。由实验测得的体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图1所示。

图1 体系典型铈离子和溴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中以金属铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化的机理，简称为机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下：

表1 机理

注：代表第i个反应步骤的速率，和分别为2()2和()2的缩写。

按照机理，可对化学振荡现象解释如下：

当[－]较大时，反应主要按表中的（1）、（2）、（3）进行，总反应为：

（11）生成的2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：

（12）当[－]较小时，反应按步骤（5）和（6）进行，总反应为：

（13）步骤（5）为该反应的速度控制步骤（（5）的逆反应速率可忽略），这样有

（14）上式表明2的生成具有自催化的特点，但2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：

（15）最后－可通过步骤（9）和（10）而获得再生，这一过程叫做C。总反应为：

（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[－]足够大时，2按A中的步骤（2）消耗。随着[－]的降低，B中的步骤（5）对2的竞争愈来愈重要。当[－]达到某个临界值[]时，自催化步骤（5）引起的2的生成速率正好等于过程A中由步骤（2）引起的2的消耗速率，即

（17）

由（17）式易得：

若已知实验的初始浓度，由（18）式可估算[]。

当时，[2]通过自催化反应（13）很快增加，导致[－]通过反应步骤（2）而迅速下降。于是系统的主要过程从A转换到B。B中产生的4+通过C使－再生，[－]慢慢回升；当时，体系中2的自催化生成受到抑制，系统又从B转换到A，从而完成一个循环。

从上述的分析可以看出，系统中[－]、[2]和[4+]/[3+]都随时间作周期性地变化。在实验中我们可以用溴离子选择电极和铂丝电极分别测定[－] 和[4+]/[3+]随时间变化的曲线。另外，如果用1诱和1振分别衡量诱导期和振荡周期反应速率的快慢，那么通过测定不同温度下的t 诱和t振可估算表观活化能E诱和E振。

2 实验操作

2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图

计算机及接口一套（或其他电势差数据记录设备）；0506高精度低温恒温槽（宁波天恒仪器厂）；85-2型恒温磁力搅拌器（上海司乐仪器有限公司）；反应器1个；铂电极1个；饱和甘汞电极1个；滴瓶3个；量筒3个；2移液管1支；洗瓶1个；镊子1把；

0.02·3硝酸铈铵；0.5·3丙二酸；0.2·3溴酸钾；0.8·3硫酸。

2.2 实验条件：

实验室温度：22.6℃，实验室压强：101.8，实验室湿度：68

2.3 实验操作步骤及方法要点

实验操作步骤

1.检查仪器药品。

2.按装置图（如图2所示）接好线路。

图2 B－Z振荡反应实验装置图

1—计算机及其数据接口（或其他电势差数据记录设备），2—恒温浴槽，3—电极搅拌器，4—饱和甘汞电

极，5—溴离子选择电极。

3.接通相应设备电源，打开计算机运行“数据采集振荡”程序。

4.调节恒温槽温度为20℃。分别取7丙二酸、15溴酸钾、18硫酸溶液于干净的反应器中，

开动搅拌。点击“开始”，待基线走稳后，用移液管加入2硝酸铈铵溶液。出现振荡后，待振荡周期完整重复8~10次后，点击“完成”，停止记录，命名存盘，记录恒温槽温度。

5.升高温度4℃，重复步骤4，直到32℃左右。

6.点击“退出”，关闭“数据采集振荡”程序，运行“振荡”程序。

6.1 打开已保存的振荡曲线。

6.2 输入温度。

6.3 在图像区，按住鼠标左键、拖动鼠标，选定坐标范围。所选范围曲线坐标会在下方数据框内显示出来。在数据框内，鼠标移至坐标数据上时，其对应的数据点会在图像区标识出来。观察y轴值的变化，找出加入硝酸铈铵曲线变化的起点，点击选中该坐标，点击“诱导期起点”，右侧方框内显示即为诱导期起点，相应的数据点也会在图像区标识出来。以此类推，找出开始出现振荡曲线变化的前一点，确认为诱导期的起点。

6.4 选中某一峰值的坐标，点击“周期点”，右侧方框内显示的即为周期点，相应的数据点也会在图像区标识出来。每两个峰值的坐标为一组，其时间差即为一个振荡周期。选择8

个周期点。

6.5点击“ ”，确认的温度、诱导期、振荡周期就会显示在右侧方框内。各温度的数据交完毕后，点击“计算结果”，现实表现出活化能。

7. 拷贝数据文件，课后请自行进行数据处理，显示表现活化能。

实验中的注意事项

（1）各个组分的混合顺序对体系的振荡行为有影响。应在丙二酸、溴酸钾、硫酸混合均匀后，且当记录仪的基线走稳后，再加入硝酸铈铵溶液，为确定诱导期和振荡周期，此过程中数据采集软件要一直连续采集数据。

（2）反应温度可明显地改变诱导期和振荡周期，故应严格控制温度恒定。