BZ振蕩反應(yīng)實驗報告

B-Z振蕩反應(yīng)姓名：劉若晴學(xué)號：2007011980班級：材72同組實驗者：穆浩遠、曾燕群帶實驗的老師：王老師1引言（簡明的實驗?zāi)康?原理）實驗?zāi)康模?．了解Belousov-Zhabotinski反應(yīng)（簡稱B-Z反應(yīng)）的機理。2．通過測定電位——時間曲線求得振蕩反應(yīng)的表觀活化能。實驗原理：所謂化學(xué)振蕩就是反應(yīng)系統(tǒng)中某些物理量如組分的濃度隨時間作周期性的變化。1958年，Belousov首次報道在以金屬鈰離子作催化劑的條件下，檸檬酸被溴酸氧化的均相系統(tǒng)可呈現(xiàn)這種化學(xué)振蕩現(xiàn)象。隨后，Zhabotinsky繼續(xù)了該反應(yīng)的研究。到目前為止，人們發(fā)現(xiàn)了一大批可呈現(xiàn)化學(xué)振蕩現(xiàn)象的含溴酸鹽的反應(yīng)系統(tǒng)。例如，除了檸檬酸外，還有許多有機酸（如丙二酸、蘋果酸、丁酮二酸等）的溴酸氧化反應(yīng)系統(tǒng)能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，而且所用的催化劑也不限于金屬鈰離子，鐵和錳等金屬離子可起同樣的作用。后來，人們籠統(tǒng)地稱這類反應(yīng)為B-Z反應(yīng)。目前，B-Z反應(yīng)是最引人注目的實驗研究和理論分析的對象之一。該系統(tǒng)相對來說比較簡單，其振蕩現(xiàn)象易從實驗中觀察到。由實驗測得的B-Z體系典型鈰離子和溴離子濃度的振蕩曲線如圖1所示。圖1：B-Z體系典型鈰離子和溴離子濃度的振蕩曲線關(guān)于B－Z反應(yīng)的機理，目前為人們普遍接受的是關(guān)于在硫酸介質(zhì)中以金屬鈰離子作催化劑的條件下，丙二酸被溴酸氧化的機理，簡稱為FKN機理。其主要的反應(yīng)步驟及各步驟的速率或速率系數(shù)歸納如下：FKN機理序號機理步驟速率或速率常數(shù)（1）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（2）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（3）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（4）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（5）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（6）SKIPIF1<0快速（7）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（8）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（9）SKIPIF1<0SKIPIF1<0（10）SKIPIF1<0SKIPIF1<0注：ki代表第i個反應(yīng)步驟的速率，MA和BrMA分別為CH2(COOH)2和BrCH(COOH)2的縮寫。按照FKN機理，可對化學(xué)振蕩現(xiàn)象解釋如下：當(dāng)[Br－]較大時，反應(yīng)主要按表中的（1）、（2）、（3）進行，總反應(yīng)為：SKIPIF1<0（11）生成的Br2按步驟（7）消耗掉。步驟（1）、（2）、（3）、（7）組成了一條反應(yīng)鏈，稱為過程A，其總反應(yīng)為：SKIPIF1<0（12）當(dāng)[Br－]較小時，反應(yīng)按步驟（5）和（6）進行，總反應(yīng)為：SKIPIF1<0（13）步驟（5）為該反應(yīng)的速度控制步驟（（5）的逆反應(yīng)速率可忽略），這樣有SKIPIF1<0（14）上式表明HBrO2的生成具有自催化的特點，但HBrO2的增長要受到步驟（4）的限制。（4）、（5）、（6）組成了另一個反應(yīng)鏈，稱為過程B。其總反應(yīng)為：SKIPIF1<0（15）最后Br－可通過步驟（9）和（10）而獲得再生，這一過程叫做C?？偡磻?yīng)為：SKIPIF1<0（16）過程A、B、C合起來組成了反應(yīng)系統(tǒng)中的一個振蕩周期。當(dāng)[Br－]足夠大時，HBrO2按A中的步驟（2）消耗。隨著[Br－]的降低，B中的步驟（5）對HBrO2的競爭愈來愈重要。當(dāng)[Br－]達到某個臨界值[SKIPIF1<0]時，自催化步驟（5）引起的HBrO2的生成速率正好等于過程A中由步驟（2）引起的HBrO2的消耗速率，即SKIPIF1<0（17）由（17）式易得：SKIPIF1<0若已知實驗的初始濃度SKIPIF1<0，由（18）式可估算[SKIPIF1<0]。當(dāng)SKIPIF1<0時，[HBrO2]通過自催化反應(yīng)（13）很快增加，導(dǎo)致[Br－]通過反應(yīng)步驟（2）而迅速下降。于是系統(tǒng)的主要過程從A轉(zhuǎn)換到B。B中產(chǎn)生的Ce4+通過C使Br－再生，[Br－]慢慢回升；當(dāng)SKIPIF1<0時，體系中HBrO2的自催化生成受到抑制，系統(tǒng)又從B轉(zhuǎn)換到A，從而完成一個循環(huán)。從上述的分析可以看出，系統(tǒng)中[Br－]、[HBrO2]和[Ce4+]/[Ce3+]都隨時間作周期性地變化。在實驗中我們可以用溴離子選擇電極和鉑絲電極分別測定[Br－]和[Ce4+]/[Ce3+]隨時間變化的曲線。另外，如果用1/t誘和1/t振分別衡量誘導(dǎo)期和振蕩周期反應(yīng)速率的快慢，那么通過測定不同溫度下的t誘和t振可估算表觀活化能E誘和E振。2實驗操作2.1實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖計算機及接口一套（或其他電勢差數(shù)據(jù)記錄設(shè)備）；HS-4型精密恒溫浴槽；電磁攪拌器；反應(yīng)器1個；鉑電極1個；飽和甘汞電極1個；滴瓶3個；量筒3個；2ml移液管1支；洗瓶1個；鑷子1把；0.02mol·dm-3硝酸鈰銨；0.5mol·dm-3丙二酸；0.2mol·dm-3溴酸鉀；0.8mol·dm-3硫酸。2.2實驗條件：恒溫2.3實驗操作步驟及方法要點檢查儀器藥品。按裝置圖（如圖2所示）接好線路。圖2：B－Z振蕩反應(yīng)實驗裝置圖1—計算機及其數(shù)據(jù)接口（或其他電勢差數(shù)據(jù)記錄設(shè)備），2—恒溫浴槽，3—電極攪拌器，4—飽和甘汞電極，5—溴離子選擇電極。接通相應(yīng)設(shè)備電源，準備數(shù)據(jù)采集。調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為20℃。分別取7ml丙二酸、15ml溴酸鉀、18ml硫酸溶液于干凈的反應(yīng)器中，開動攪拌。打開數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，開始數(shù)據(jù)采集，待基線走穩(wěn)后，用移液管加入2ml硝酸鈰銨溶液。觀察溶液的顏色變化，觀察反應(yīng)曲線，出現(xiàn)振蕩后，待振蕩周期完整重復(fù)8~10次后，停止數(shù)據(jù)記錄，保存數(shù)據(jù)文件后記錄恒溫槽溫度，從數(shù)據(jù)文件中讀出相應(yīng)的誘導(dǎo)期t誘和振蕩周期t振。升高溫度3~5℃，重復(fù)步驟4和5，直到35℃左右。向反應(yīng)器中加入6ml0.4MKBrO3+0.5ml1.0MKBr,混合后產(chǎn)生紅褐色溴溶液，再迅速加入1ml1M丙二酸，等待約5分鐘后紅褐色褪去。再加入4滴硫酸亞鐵（0.025M）-鄰菲羅啉（0.083M）溶液。搖晃一下后平放，觀察現(xiàn)象。3.1原始實驗數(shù)據(jù)溫度（SKIPIF1<0）誘導(dǎo)期（s）振蕩周期（s）23470.51691.5310126379.01674.5150129310.50056.532257.01649表觀活化能：SKIPIF1<0=50362.8669J/mol，線性系數(shù)R=0.9990858SKIPIF1<0=53836.7508J/mol，線性系數(shù)R=0.9933327原始數(shù)據(jù)的掃描和老師簽字見下圖：3.2計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果根據(jù)記錄的電位振蕩曲線分析體系中[Br－]和[Ce4+]的變化規(guī)律，并由此說明溶液的顏色變化。A過程使SKIPIF1<0濃度降低，C過程使SKIPIF1<0濃度再生，亞溴酸SKIPIF1<0的生成與消失，即自催化過程集中在過程B，宏觀上看到的是[Ce4+]與[SKIPIF1<0]的變化，即黃色、無色、黃色、無色……的周期性變化。分別作SKIPIF1<0和SKIPIF1<0圖，由直線的斜率求出表觀活化能SKIPIF1<0和SKIPIF1<0。根據(jù)lnSKIPIF1<0=SKIPIF1<0+C，由SKIPIF1<0、SKIPIF1<0、SKIPIF1<0的數(shù)據(jù)可建立lnSKIPIF1<0~SKIPIF1<0的關(guān)系式，從而得出表觀活化能。3.3討論分析（1）本實驗系統(tǒng)的顏色在黃色和無色之間振蕩，如果再加入適量的FeSO4＋鄰菲咯啉溶液，那么溶液的顏色會在藍色和紅色之間振蕩，這樣更便于觀察。4結(jié)論系統(tǒng)中[Br－]、[HBrO2]和[Ce4+]/[Ce3+]都隨時間作周期性的變化。5參考文獻清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂上的課件《B-Z振蕩反應(yīng)_990004208.doc》6附錄（1）本實驗系統(tǒng)的顏色在黃色和無色之間振蕩，如果再加入適量的FeSO4＋鄰菲咯啉溶液，那么溶液的顏色會在藍色和紅色之間振蕩。（2）介紹一個在實驗室中容易做的振蕩實驗。分別在3個容量瓶中配制如下的3種溶液：①0.14mol·dm-3的KIO3溶液。②0.15mol·dm-3丙二酸＋0.024mol·dm-3MnSO4＋約2g·dm-3的淀粉。③3.2mol·dm-3H2O2＋0.17mol·dm-3HClO4。將上述三種溶液等體積混合，過一會兒后，溶液會在深黃、藍色和無色之間振蕩。（3）化學(xué)振蕩反應(yīng)自20世紀50年代發(fā)現(xiàn)以來，在各方面的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在分析化學(xué)中的應(yīng)用較多。當(dāng)體系中存在濃度振蕩時，其振蕩頻率與催化劑濃度間存在依賴關(guān)系，據(jù)此可測定作為催化劑的某些金屬離子的濃度。此外，應(yīng)用化學(xué)振蕩還可測定阻抑劑。當(dāng)向體系中加入能有效地結(jié)合振蕩反應(yīng)中的一種或幾種關(guān)鍵物質(zhì)的化合物時，可以觀察到振蕩體系的各種異常行為，如振蕩停止，在一定時間內(nèi)抑制振蕩的出現(xiàn)，改變振蕩特征（頻率、振幅、形式）等。而其中某些參數(shù)與阻抑劑濃度間存在線性關(guān)系，據(jù)此可測定各種阻抑劑。另外，生物體系中也存在著各種振蕩現(xiàn)象，如糖酵解是一個在多種酶作用