BZ振蕩反应实验报告.doc

B-Z振荡反应 姓名：刘若晴 学号：2007011980 班级：材72 同组实验者：穆浩远、曾燕群 带实验的老师：王老师 1 引言（简明的实验目的/原理） 实验目的： 1．了解Belousov-Zhabotinski反应（简称B-Z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。 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。1958年，Belousov首次报道在以金属铈离子作催化剂的条件下，柠檬酸被溴酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（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B-Z反应。目前，B-Z反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z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：B-Z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FKN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： FKN机理 序号 机理步骤 速率或速率常数 （1） （2） （3） （4） （5） （6） 快速 （7） （8） （9） （10） 注：ki代表第i个反应步骤的速率，MA和BrMA分别为CH2(COOH)2和BrCH(COOH)2的缩写。 按照FKN机理，可对化学振荡现象解释如下： 当[Br－]较大时，反应主要按表中的（1）、（2）、（3）进行，总反应为： （11） 生成的Br2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[Br－]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HBrO2的生成具有自催化的特点，但HBrO2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Br－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[Br－]足够大时，HBrO2按A中的步骤（2）消耗。随着[Br－]的降低，B中的步骤（5）对HBrO2的竞争愈来愈重要。当[Br－]达到某个临界值[]时，自催化步骤（5）引起的HBrO2的生成速率正好等于过程A中由步骤（2）引起的HBrO2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，[HBrO2]通过自催化反应（13）很快增加，导致[Br－]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Ce4+通过C使Br－再生，[Br－]慢慢回升；当时，体系中HBrO2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[Br－]、[HBrO2]和[Ce4+]/[Ce3+]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[Br－] 和[Ce4+]/[Ce3+]随时间变化的曲线。另外，如果用1/t诱和1/t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）；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； 0.02mol·dm-3硝酸铈铵；0.5mol·dm-3丙二酸；0.2mol·dm-3溴酸钾；0.8mol·dm-3硫酸。 2.2 实验条件：恒温 2.3 实验操作步骤及方法要点 检查仪器药品。 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