深圳大学实验报告课程名称：物理化学实验（2）实验项目名称：演示实验B—Z震荡反应实验学院：化学与化工学院专业：指导教师：报告人：学号：班级：实验时间：2012.12.21实验报告提交时间：2012.12.27教务部制Ⅰ、目的要求1.了解Belousov-Zhabotinskii反应的基本原理，掌握研究化学振荡反应的一般方法,初步认识体系远离平衡态下的复杂行为；2.设计丙二酸－硫酸－溴酸钾－硫酸铈铵化学振荡体系的实验方案，并对其诱导期及振荡特征进行研究。Ⅱ、实验原理人们通常所研究的化学反应，其反应物和产物的浓度呈单调变化，最终达到不随时间变化的平衡状态。而某些化学反应体系中，会出现非平衡非线性现象，即有些组分的浓度会呈现周期性变化，该现象称为化学振荡。为了纪念最先发现、研究这类反应的两位科学家(BelouS0v和Zhabotinskii)，人们将可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统笼统地称为BZ振荡反应(BzOscillatingReaction)。大量的实验研究表明，化学振荡现象的发生必须满足3个条件：(1)必须是远离平衡的敞开体系；(2)反应历程中应含有自催化步骤；(3)体系必须具有双稳态性(bistability)，即可在两个稳态间来回振荡。有关BZ振荡反应的机理，目前为人们所普遍接受的是FKN机理，即由Field、Kоrоs和Noyes三位学者提出的机理。对于下列著名的化学振荡反应（A）FKN机理认为，在硫酸介质中以铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被漠酸盐氧化的过程至少涉及9个反应。1.当上述反应中[Br-]较大时，BrO3-是通过下面系列反应被还原为Br2的，（1）（2）（3）其中反应(10.A)是控制步骤。上述反应产生的Br2使丙二酸溴化（4）因此，导致丙二酸溴化的总反应(10.1)为上述四个反应之和而形成一条反应链，（α）2.当[Br-]较小时，溶液中的下列反应导致了铈离子的氧化（5）（6）（7）上面三个反应的总和组成了下列反应链，（β）该反应链是振荡反应发生所必需的自催化反应，其中反应式(Ⅱ一15—6)是速度控制步骤。最后，Br-可通过下列两步反应而得到再生，（8）上述两式偶合给出的净反应为：（γ）如将反应式(α)、(β)和(γ)，)相加就组成了反应系统中的一个振荡周期，即得到总反应式(A)。必须指出，在总反应中铈离子和溴离子已对消，起到了真正的催化作用。综上所述，BZ振荡反应体系中存在着两个受溴离子浓度控制的过程(α)和(β)，即[Br-]起着转向开关的作用，当[Br-]>临界浓度[Br-]临界时发生(α)过程；而当[Br-]<[Br-]临界时发生(β)过程。该反应溴离子的临界浓度为：若已知实验的初始[Br03-]，由上式可估算[Br-]临界。测定、研究BZ化学振荡反应可采用离子选择性电极法、分光光度法和电化学等方法。本实验采用电化学方法，即在不同的温度下通过测定因[Ce4+]和[Ce3+]之比产生的电势随时间变化曲线，分别从曲线中(如图10.1)得到诱导时间(tu)和振荡周期(tZ)，并根据阿仑尼乌斯(Arrhenius)方程，(式中E为表观活化能；R是摩尔气体常数(8。314J·mol-1·K-1)；T是热力学温度；A是经验常数。分别作和In(1／tZ)一1／T图，最后从图中的曲线斜率分别求得表观活化能(EU和EZ)。Ⅲ、实验仪器药品仪器:2D-BZ振荡实验装置，100ml电解池，光亮铂丝电极，217型双盐桥甘汞电极（用H2SO4作液接盐桥）,SYC-15B超级恒温槽，移液管，洗耳球。试剂：0.05mol/L硫酸铈铵溶液（在0.2mol/L硫酸介质中配制）。0.2mol/L溴酸钾溶液，0.4mol/L丙二酸溶液，3mol/L硫酸溶液Ⅳ、实验步骤按图17－1连接好仪器装置，开启电脑，打开超级恒温槽，将温度恒定在25.0±0.1℃。在100ml的反应器中加入浓度为0.4mol/L的丙二酸、浓度为0.2mol/L的KBrO3、浓度为3mol/L的硫酸各10mL混合，开启电磁搅拌使溶液在设定温度下恒温至少10min（调节调速旋钮约3圈半）。打开BZ振荡2.0软件，设置纵坐标0-1.5V，横坐标0-30min。待电压稳定后，开始绘图，绘图约5min后加入10mL浓度为硫酸铈铵溶液，观察溶液颜色变化，图C－1B-Z反应实验装置示意图图C-2B-Z反应的电势振荡曲线经过一段时间后，此后的曲线呈现有规律性周期变化。图像出现10个周期以后，停止绘图。Ⅴ、实验数据记录与处理本次实验得到B-Z反应的电势振荡曲线如下所示：据电位—时间曲线，本次化学振荡的诱导时间tu为229.