物理化学实验报告：B-Z振荡选读.docxVIP

B-Z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。 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B-Z反应。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： 序号机理步骤速率或速率常数（1） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （2） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （3） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （4） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （5） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （6） SKIPIF 1 0 快速（7） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （8） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （9） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 （10） SKIPIF 1 0  SKIPIF 1 0 表1 FKN机理 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：  SKIPIF 1 0  （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：  SKIPIF 1 0  （12） 当[Br－]较小时，反应按步骤（5）和（6）进行，总反应为：  SKIPIF 1 0  （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  SKIPIF 1 0  （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：  SKIPIF 1 0  （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：  SKIPIF 1 0  （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[ SKIPIF 1 0 ]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  SKIPIF 1 0  （17） 由（17）式易得： SKIPIF 1 0  若已知实验的初始浓度 SKIPIF 1 0 ，由（18）式可估算[ SKIPIF 1 0 ]。 当 SKIPIF 1 0 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 SKIPIF 1 0 时，体系中HBrO2的自催化生成受到抑制，系统又从B