BZ振荡反应-试验报告

1、B-Z 振荡反应实验日期： 2016/11/24 完成报告日期： 2016/11/25 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。实验原理对于以 B-Z 反应为代表的化学振荡现象，目前被普遍认同的是Field ， kooros 和 Noyes在 1972 年提出的 FKN 机理，他们提出了该反应由萨那个主过程组成：过程 A BrO 3 Br 2HHBrO 2 HOBr HBrO 2 Br H 2HOBr式中 HBrO 2 为中间体，过程特点是大量消耗 Br 。反应中产生的

2、HOBr 能进一步反应，使 有机物 MA 如丙二酸按下式被溴化为 BrMA,(A1) HOBr BrH Br2H 2O(A2) Br2 MABrMA BrH过程 B BrO3 HBrO 2H2BrO 2H2O 2BrO 2 2Ce32H 2HBrO 22Ce4这是一个自催化过程，在 Br 消耗到一定程度后， HBrO2 才转化到按以上、两式34 进行反应， 并使反应不断加速， 与此同时， 催化剂 Ce3 氧化为 Ce4 。在过程 B 的和中， 的正反应是速率控制步骤。此外，HBrO 2 的累积还受到下面歧化反应的制约。 2HBrO 2 BrO3 HOBr H过程 C MA 和 BrMA 使 C

3、e4 离子还原为 Ce3 ，并产生 Br (由 BrMA )和其他产物。这一过程目前了解得还不够，反应可大致表达为：43 2Ce4 + MA+ BrMA f Br +2Ce3 + 其他产物4式中 f 为系数，它是每两个 Ce4 离子反应所产生的 Br 数，随着 BrMA 与 MA 参加反 应的不同比例而异。过程 C 对化学振荡非常重要。如果只有 A 和 B ，那就是一般的自催化 反应或时钟反应，进行一次就完成。正是由于过程C，以有机物 MA 的消耗为代价，重新3得到 Br 和 Ce3 ，反应得以重新启动，形成周期性的振荡。丙二酸的 B-Z 反应，MA 为CH 2 (COOH )2 ，BrMA即

4、为 BrCH (COOH )2 ，总反应为：Ce33H 3BrO3 5CH 2(COOH )2 Ce 3BrCH (COOH )2 2HCOOH 4CO2 5H 2O它是由 +4+4+2+5（ A1） +5（ A2 ），再加上的特征，48Ce4组合而成。32BrCH (COOH )2 4H 2O 8Ce3 2Br 2HCOOH 4CO2 10H按在FKN 机理的基础上建立的俄勒冈模型，可以导得，振荡周期t 振与过程 C 即反应但这个反应式只是一种计量方程，并不反应实际的历程。步骤的速率系数 kc以及有机物的浓度 cB 呈反比关系，比例常数还与其他反应步骤的速率 系数有关。当测定不同温度下的振荡

5、周期t 振，如近视地忽略比例常数随温度的变化，可以估算过程 C 即反应步骤的表观活化能。另一方面，随着反应的进行，cB 逐渐减小，振荡周期将逐渐增大。2 实验操作实验用品计算机及接口一套（或其他电势差数据记录设备） ； THGD-0506 高精度低温恒温浴槽； 78-2 型双向磁力加热搅拌器；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。实验条件 实验室温为，气压为 kPa 。实验分别在 20、 25、 30、 35。2.3 实验操作步骤及方法要点 检查好仪器样品， 按照装置图接好电路。其中，铂电极接在

6、正极上，饱和甘汞电极接在 负极上， 在进行实验之前需检查甘汞电极中的液面是否合适以及是否有气泡等。 接通相应设 备电源，准备数据采集。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。观察溶液的颜色变化及反应曲线，待重复 810 次完整周期后，停止数据记录，保存数据文件，记录恒温槽温度， 从数据文件中读出相应的诱导期和振荡周期。 后依次升温至 25、30、 35，进行实验操作。3 结果与讨论原始实验数据丙二酸溶液的浓度为 L ；溴酸钾溶液的浓度

7、为 L；硝酸铈铵溶液的浓度为L ；硫酸溶液的浓度为 L。1.t = 20 20时电压 时间关系曲线（振荡曲线）2. t = 25 3. t = 30 25时电压 时间关系曲线（振荡曲线）30时电压 时间关系曲线（振荡曲线）4. t = 35 35 时电压 时间关系曲线（振荡曲线）5. 现象观察： 加入硝酸铈铵溶液后， 溶液显浅黄色。 出现振荡后，随着电压的降低， 溶液颜色逐渐变 浅直至消失；而后，溶液颜色突然出现，随之电压开始快速升高，达到最高处时颜色最深。计算的数据、结果1. 诱导期及表观活化能 E 诱 根据所得的电压 -时间曲线，利用 origin 读出诱导起始和终止点并可计算出对应的诱导

8、 期，列表如下：各温度下诱导起始和终止点及诱导期温度 /20 25 30 35诱导起始点 /s诱导终止点 /s诱导期 /s因此即可得 ln（1/ t诱 ）和1/T 数值如下表：各温度下 ln（1/ t诱 ）和 1/T 数值温度 /20 25 30 351/(T/)ln(1/ t 诱 )根据所得数值，作出 ln（1/ t 诱 ） 1/T 图像如下：ln（1/ t 诱 ） 1/T 关系及拟合直线 拟合直线方程为 y=+ ，拟合系数为。由阿累尼乌斯公式知，直线斜率为-Ea / R，因此有：E 诱 = -m R= = kJ/mol2. 振荡周期及表观活化能 E 振 根据所得的电压 -时间曲线，利用 o

9、rigin 读出各个振荡周期的峰值并计算出对应的振荡 周期，列表如下：各温度下振荡周期温度 /20 25 30 35振荡周期1/s振荡周期2/s振荡周期3/s振荡周期4/s振荡周期5/s平均值 /s因此即可得 ln（1/ t振 ）和 1/T 数值如下表：各温度下 ln（1/ t振 ）和 1/T 数值温度 /2025 30351/(T/)ln(1/ t 振 )根据所得数值，作出ln（1/ t 振 ） 1/T 图像如下：ln（1/ t 振 ） 1/T 关系及拟合直线拟合直线方程为 y=+ ，拟合系数为。 由阿累尼乌斯公式知，直线斜率为 -Ea / R，因此有：E 振 = -m R= = kJ/mo

10、l讨论分析1. 现象观察 实验中溶液颜色出现周期性的变化， 在振荡电压升高即曲线下降时，溶液颜色由黄色变 无色，主要是由于发生了以下反应：43溶液中显黄色的 Ce 离子变成了无色的 Ce 离子。在电压降低时即曲线上升时，反映体系颜色由无色变为黄色，主要是由于发生了如下反应：3溶液中无色的 Ce3 离子又变成了显黄色的4Ce 离子。2. 误差来源1 确定诱导期和振动周期时， 由于是肉眼观察图像取点， 具有很大的不确定性， 容易引 起误差。从数据可以看出振动周期之间差别较大，也说明了这一点。2 虽然我们通过恒温槽将温度设定为固定值， 但在实验过程中发现温度仍然存在着一定 程度的波动，使记录值与平均

11、值存在偏差。3 做直线拟合时只有 4 组数据，样本太小。3. 实验过程异常现象分析 本次实验在我们最初测第一组数据时发现曲线产生了非常剧烈的波动， 经检查是因为甘 汞电极内部存在气泡， 导致电路不畅。 换了甘汞电极排除气泡后我们再次进行实验， 发现仍 有类似波动。 仔细排查后发现是由于甘汞电极插入反应液的深度不够， 以致在搅拌过程中频 繁暴露在空气中，造成电位异常。4. 改进意见建议改进装置使电极固定得更稳，并且不要将电路触点暴露在外面，避免机械干扰。4. 结论 实验结果归纳如下： 各温度下诱导期振荡周期及表观活化能 温度 /20 25 30 35 表观活化能 (kJ/mol)诱导期 /s 振

12、荡周期 /s5 参考文献1 基础物理化学实验清华大学出版社 贺德华，麻英，张连庆编2 基础物理化学清华大学出版社 朱文涛编6 附录(思考题)1. 已知卤素离子 Cl ,Br ,I 都很容易和 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：由FKN机理知卤素离子主要参与反应步骤 A ，而系统从 A转入 B的条件是卤素离 子的浓度下降。因此若加入卤素离子，步骤 A 的持续时间将会变长，从而导致整个诱导期和振荡周期变长。2. 为什么 B Z 反应有诱导期反应何时进入振荡期答：因为反应的振荡需要两种价态的铈离子。刚开始加入的只是Ce4 ，当随着反应的进行产生了足够的 Ce3 后，系统便进入了振荡期。3. 影响诱导期的主要因素有哪些答： (1) 温度：根据 Arrhenius 方程 k Aexp Ea / RT ，温度越高， k 值越大，反应 速率越快。(2) Ce4 /Ce3 的值：若刚开始加入铈离子时， Ce4 /Ce3 就有适当的值，那么在诱 导期不需要产生太多 Ce3 ，反应便可进入振荡期。(3) 反应液的浓度：在速率方程里，浓度与反应速率有直接关系，一般来说，反应液浓 度越高，反应速率越快。4. 体系中什么样的反应步骤对振荡