光化学反应实验

实验21光化学反应实验

【实验目的】

1.了解光化学反应的溶液配比方法；

2.掌握光化学反应仪的操作和工作原理；

3.理解半导体光催化反应的基本原理；

4.掌握表征光催化降解染料溶液的基本实验方法和原理。

【实验仪器】

多功能光化学反应仪、紫外可见光分光光度计，烧杯、试管、罗丹明B等染料溶液、TiO2、WO3纳米材料粉末等半导体光催化剂。

【实验原理】

1. 光化学反应

当光照射在物体上时,光会发生反射、透过和吸收。在光化学中,只有被分子吸收的光才能引起光化学反应。因此,光化学反应的发生必须具备两个条件:一是光源,只有光源发出能为反应物分子所吸收的光,光化学反应才有可能进行。二是反应物分子必须对光敏感(与其分子的结构有关) 。即反应物分子能直接吸收光源发出的某种波长的光,被激发到较高的能级(激发态) ,从而进行光化学反应。例如:卤化银能吸收可见光谱里的短波辐射(绿光、紫光、紫外光) 而发生分解:

2AgBr=2Ag +Br2（1）

这个反应是照像技术的基础。但卤化银却不受长波辐射(红光) 的影响。所以,暗室里可用红灯照明。由此也可看出,光化学反应的一个重要特点是它的选择性,反应物分子只有吸收了特定波长的光才能发生反应。需要注意的是,有些物质本身并不能直接吸收某种波长的光而进行光化学反应,即对光不敏感。但可以引入能吸收这种波长光的另外一种物质,使它变为激发态,然后再把光能传递给反应物,使反应物活化从而发生反应。这样的反应称为感光反应。能起这样作用的物质叫感光剂。例如:CO2和H2O 都不能吸收日光,但植物中的叶绿素却能吸收这样波长的光,并使CO2和H2O 合成碳水化合物:

CO2+ H2O=16 n(C6H12O6) n + O2（2）叶绿素就是植物光合作用的感光剂。

2,。光催化

光催化剂是一种在光的照射下，自身不起变化，却可促进化学反应的物质。光催化是利用自然界存在的光能转化为化学反应所需的能量，来达成产生催化作用。以TiO2为例，如图1.1，紫外光或可见光入射到TiO2表面时，价带的电子被激发到了导带，在价带中留下了空穴，从而形成光生电子-空穴对。价带空穴是强氧化剂，而导带电子是强还原剂。空穴与H2O或OH- 结合产生化学性能极为活泼的自由基基团（HO·），电子与O2结合并进一步与H2O反应形成过氧化氢（H2O2）和自由基团（HO·）等，自由基和过氧化氢具有很强的氧化性，能将有机物直接氧化为CO2和H2O，从而达到降解有机物的目的，可被应用于污水处理。

图21-1半导体TiO2光催化氧化反应机理示意图

【实验内容及要求】

（1）配置同浓度的罗丹明B染料溶液，并每10-20 ml溶液装入6根试管中，备用。

（2）把0.2g的氧化锌粉末倒入去五根试管中，振动使溶液均匀，然后留取一根没有催化剂的试管作为对照样品。

（3）把冷却仪打开，预冷20分钟后，把6根试管分别放入光化学反应仪相应的样品槽中，开启光化学反应仪。遵守“开门不开灯，开灯不开门的原则”。

（4）关闭反应式的腔室门，开启紫外光光源，每隔30分钟取样一次，取样前必须关闭光源，等待一分钟后才开启腔室门。每次取样，取下含有催化剂的溶液和没含有催化剂的试管各1根。

（5）待6根试管全取出来后，观察每支试管的褪色情况

【思考问题】

（1）如何理解染料溶液的浓度与吸收光谱强度的关系？

答：1、当物质受到光线照射时，一部分光线在物质的表面直接反射出来你，同时有一部分光透射进物质内部，光的能量部分被吸收当物质受到光线照射时，一部分光线在物质的表面直接反射出来,同时有一部分光透射进物质内部,光的能量部分被吸收。将太阳光照射染料溶液，不同颜色的染料对不同波长的光波发生不同强度的吸收。染料的颜色是它们所吸收的光波颜色（光谱色）的补色，是它们对光的吸收特性在人眼视觉上产生的反映。染料分子的颜色和结构的关系，实质上就是染料分子对光的吸收特性和它们的结构之间的关系。

2、染料的颜色和染料分子结构有关。早期的染料发色理论主要有：发色团和助色团学说，醌构理论，染料发色的价键理论和分子轨道理论。从早期的学说反映有机化合物的颜色和分子结构外在关系的某些经验规律，发展到物质结构内部能级跃迁所需能量的微观内在规律。

（2）为什么需要对照组样品，如何判断光照以及光照时间对染料降解的影响？

答：通过比较对照组和实验组颜色的差异，可以直观的看出光催化的降解程度，所以要有可以作为对比的对照组样品。

（3）如何计算出光催化的降解速率，以及如何判断光催化剂性能的好坏？

答：以公式ln(C0/C) 对时间t作曲线可以得到一直线，其斜率就是光催化反应的表观速率常数。其性能的好坏，可以通过，不同光催化剂，单位时间内褪色的情况作出直观的比较。

（4）氧化锌的禁带宽度是多少？

答:其禁带宽度为3.2-3.4eV 。

（5）汞灯和氙灯的颜色有多少种？

答：色温不同颜色不同。

高压汞灯的色温在3450-3750k之间，颜色由红色变为黄色再到白色。

氙气灯的色温在4000K-6000K之间，低色温为黄色，随着色温升高就由黄变白到蓝甚至紫、粉红、绿色等。

【实验结果】

从左到右，依次为取出顺序，明显看出，随着时间的增长，褪色越来越明显