B-Z振荡反应实验报告

B-Z振荡反应
姓名：何一白学号：2012011908 班级：化22
实验日期：2014年11月6日
提交报告日期：2014年11月22日
带实验的老师姓名：王振华
1引言（简明的实验目的/原理）
1.1 实验目的
了解Belousov-Zhabotinski反应的机理
通过测定电位-时间曲线球的振荡反应的表观活化能
1.2实验原理
化学震荡：反映系统中某些物理量（如组分浓度）随时间做周期性变化
B-Z反应机理：在硫酸介质中以金属铈离子做催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化——FKN机理（共十步）系统中[Br-]、[HBrO2]，[Ce4+]/[Ce3+]都随时间做周期性的变化。

测量及数据：我们用溴离子选择电极和铂丝电极分别测定[Br-]和[Ce4+]/[Ce3+]随时间变化的曲线，处理数据得到诱导期时间及震荡周期。

由1/t诱，1/t振分别衡量诱导期和振荡周期反应速率的快慢，综合不同温度下的t诱和t振，估算表观活化能E诱，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
2.1.1 实验仪器
计算机及接口一套；HS-4 型精密恒温浴槽；电磁搅拌器；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；2ml 移液管1 支；洗瓶1 个；镊子1 把；
2.1.2 实验药品
0.02 mol/L 硝酸铈铵；0.5 mol/L 丙二酸；0.2 mol/L 溴酸钾；0.8 mol/L 硫酸。

2.2 实验条件（实验温度、湿度、压力等）
实验室温度16.3℃，大气压102.19kPa
2.3 实验操作步骤及方法要点
1.检查仪器药品。

2.按装置图（如图1 所示）接好线路。

图1 . B －Z 振荡反应实验装置图
3.接通相应设备电源，准备数据采集。

4.调节恒温槽温度为20℃。

分别取7ml 丙二酸、15ml 溴酸钾、18ml 硫酸溶液于干净的反应器中，开动搅拌。

打开数据记录设备，开始数据采集，待基线走稳后，用移液管加入2ml 硝酸铈铵溶液。

5.观察溶液的颜色变化，观察反应曲线，出现振荡后，待振荡周期完整重复8~10次后，停止数据记录，保存数据文件后记录恒温槽温度，从数据文件中读出相应的诱导期t 诱和振荡周期t 振。

6.升高温度4℃，重复步骤4和5，重复次数5次。

2.4 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。

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。

3. 实验中溴酸钾试剂纯度要求高。

4. 配制硝酸铈铵溶液时候，一定要在硫酸介质中配制，防止发生水解呈浑浊。

5. 所使用的反应容器一定要冲洗干净，转子位置及速度都必须加以控制。

3 结果与讨论
3.1 原始实验数据
3.1.1 第一组：T=20℃
根据实验测得的数据在Origin 中作图结果如下：
850
900
950
1000
1050
1100
U (m V )
t (s)
图2 20摄氏度时电位-时间曲线
3.1.2 第二组：T=25℃
根据实验测得的数据在Origin 中拟合作图得到结果如下：
850
900
950
1000
1050
1100
1150
U (m V )
t (s)
图3 25摄氏度时电位-时间曲线
3.1.3 第三组：T=30℃
根据实验测得的数据在Origin 中拟合作图得到结果如下：
850
900
950
1000
1050
1100
1150
U (m V )
t (s)
图4 30摄氏度时电位-时间曲线
3.1.4 第四组：T=35℃
根据实验测得的数据在Origin 中拟合作图得到结果如下：
850
900
950
1000
1050
1100
U (m V )
t (s)
图5 35摄氏度时电位-时间曲线
3.1.5 实验现象： 刚刚加入硝酸铈铵时，溶液显黄色，随后溶液颜色逐渐变浅，在振荡过程中，当电位在最高点时黄色最深，然后逐渐变浅，在最低点时几乎无色。

3.1.6 文献值
查阅表观活化能文献值得：E 诱 =35.45 kJ/mol ，E 振 =63.79 kJ/mol 3.1.7 其他实验条件 实验时实验室温度21.5度。

3.2计算的数据、结果
3.2.1 求t 诱和t 振 根据自己记录的诱导期起点时间，再根据BZ 振荡曲线中取得的诱导期终点，计算得出诱导期t 诱，，然后将8次振荡周期最高点作为周期点，取平均作为振荡周期t 振。

得到诱导时间和振荡时间如下：
3.2.2 计算活化能 由：
t 诱 r 诱 =常数
又由：
lnk=lnA -RT
E a
从而：
ln1/t 诱 =lnA -
RT
E a
分别作ln(1/t 诱)-1/T ，ln(1/t 振)-1/T 图，由直线斜率再乘-R 即可求出表观活化能。

首先计算ln(1/t 诱)，ln(1/t 振)，1/T 数据如下表：
-6.6
-6.4
-6.2
-6.0
-5.8
-5.6
-5.4
l n (1/t )
1/T (s -1
)
图6 1/T 与ln(1/ t 诱)关系图线
-4.8
-4.6-4.4-4.2-4.0
-3.8-3.6-3.4l n (1/t 2)
1/T
图7 1/T 与ln(1/ t 振)关系图线
根据Origin 软件拟合得到两条直线斜率，进而求出活化能的值如下：
3.3讨论分析
3.3.1 数据与计算结果的分析比较
计算得到的结果46.924kJ/mol 和65.356kJ/mol 与文献值E 诱 =35.45 kJ/mol ，E 振 =63.79 kJ/mol 有一定偏差，尤其E 诱偏差比较大，分析如下：
1）本实验由曲线选取诱导期终点时主要靠人工从光滑曲线上选取，这会带来不准确。

我选取的方法是计算所有数据点处的曲线斜率，找到极值点作为诱导期的终点，这虽然减小了一定人工误差，但仍然可能与实际诱导期结束时间不一致。

2）本实验求振荡周期时为减小误差，取的均为每个振荡周期最高点，因此可有效减少人工判断带来的误差。

3）实验室软件所得数据拟合R 2为0.999和0.994，说明数值线性程度较高，故实验过程中温度、试剂量均较稳定准确，操作基本无误。

3.3.2 现象分析
如前所述，刚刚加入硝酸铈铵时，溶液显黄色，随后溶液颜色逐渐变浅，在振荡过程中，当电位在最高点时黄色最深，然后逐渐变浅，在最低点时几乎无色，如此反复。

这主要是由于在电压的上升沿，[Br －]量比较少，[HBrO 2]通过自催化反应增加，[Br －]被更加快速地消耗，同时也产生了[Ce 4+]，使溶液颜色变黄；在电压的下降沿，[Ce 4+]通过过程C 消耗，生成[Br －]，体系中HBrO 2的自催化生成受到抑制，系统又从B 转换到A ，可观察到溶液颜色变浅。

4 结论
B -Z 振荡反应的表观活化能测定值分别为：E 诱=46.924Jk/mol ，E 振 =65.356kJ/mol 。

5 参考文献
[1] 贺德华，麻英，张连庆编. 基础物理化学实验. 北京：高等教育出版社，2008.5. [2] 朱文涛编著. 基础物理化学. 北京：清华大学出版社，2011.9.
6 附录（计算的例子、思考题等）
6.1 思考题
1 已知卤素离子（Cl - ，Br － ，I －
）都很易和 HBrO 2反应，如果在振荡反应的开始或是中间加入这些离子，将会出现什么现象？试用 FKN 机理加以分析。

答：若在振荡反应的开始加入，则因卤素离子与 HBrO 2 反应，会减缓 HBrO 2的积累速率，如果卤素粒子过多，会导致 HBrO2 无法达到触发振荡反应的临界浓度，无法发生振荡。

若在振荡中间加入，因临界溴离子浓度较小，会使得[Br -] >]~[ r B ，体系转化至步骤 A ，如果量大的话,可能会使得振荡反应终止。

2 为什么 B -Z 反应有诱导期？反应何时进入振荡期？
答：因为振荡涉及的关键物质 HBrO 2 在一开始并不存在，需要由一系列的反应来进行积累，而且还存在着自身的分解反应，故需要一个较长的积累期，当它的生成速率与分解速率相等时，反应便进入振荡期。

3 影响诱导期的主要因素有哪些？
答：反应温度、反应物浓度、卤素离子等杂质浓度、搅拌均匀程度。

4 体系中什么样的反应步骤对振荡行为最为关键？
答：步骤 A 、B 形成竞争关系，通过 HBrO 2 这个关键物质的生成、分解反应的相互竞争，来调配振荡过程的进行，通过催化剂铈离子来体现周期性的电位变化、颜色转化，而这个振荡所需的能量则由反应物丙二酸和溴酸根离子来提供，二者发生氧化还原反应来维持振荡，当这两者消耗完或者低于某一临界浓度时，振荡终止。

6.2 实验总结
本次实验总体上比较满意，在实验中学习了B -Z 反应的机理，同时也知道了如何测定其表观活化能。

最后E 诱与文献值相差较大，但询问同学发现这是一个普遍现象。

可能以后还应想到更好的判断诱导期的方法，从而提高实验精度。

总体上感觉通过这次实验收获很大，也很感谢助教对实验操作的讲解。