物理化學(xué)BZ振蕩反應(yīng)

1、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 院系 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 班級(jí) 0409403學(xué)號(hào) 040940302姓名實(shí)驗(yàn)名稱 BZ 振蕩反應(yīng)日 期 2011-12-6同組者姓名 王 保 森室 溫 10.2氣 壓 978.0mmHg成 績(jī)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解 BZ 振蕩反應(yīng)的基本原理;體會(huì)自催化過(guò)程是產(chǎn)生振蕩反應(yīng)的必要條件。2. 初步理解耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制。3. 掌握測(cè)定反應(yīng)系統(tǒng)中電勢(shì)變化的方法;了解溶液配制要求及反應(yīng)物投放順序。二、實(shí)驗(yàn)原理自然界存在大量遠(yuǎn)離平衡的敞開系統(tǒng), 它們的變化規(guī)律不同于通常研究的平 衡或近平衡的封閉系統(tǒng),與之相反,它們是趨于更加有秩序、更加有組織。由于 這類系統(tǒng)在其變化

2、過(guò)程中與外部環(huán)境進(jìn)行了物質(zhì)和能量的交換, 并且采用了適當(dāng) 的有序結(jié)構(gòu)來(lái)耗散環(huán)境傳來(lái)的物質(zhì)和能量,這樣的過(guò)程稱為耗散過(guò)程。受非線性 動(dòng)力學(xué)控制,系統(tǒng)變化顯示了時(shí)間、空間的周期性規(guī)律。目前研究的較多、較清楚的典型耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為 BZ 振蕩反應(yīng)系統(tǒng),即有機(jī) 物在酸性介質(zhì)中被催化溴氧化的一類反應(yīng), 如丙二酸在 Ce 4+的催化作用下, 自酸 性介質(zhì)中溴氧化的反應(yīng)。 BZ 振蕩反應(yīng)是用首先發(fā)現(xiàn)這類反應(yīng)的前蘇聯(lián)科學(xué)家 Belousov 及 Zhabotinsky 的名字而命名的,其化學(xué)反應(yīng)方程式為:-+3222222BrO +3CH(COOH+2H2BrCH(COOH+3CO+4HO = (1真實(shí)反應(yīng)過(guò)程

3、是比較復(fù)雜的, 該反應(yīng)系統(tǒng)中 HBrO 2中間物是至關(guān)重要的, 它 導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)自催化過(guò)程發(fā)生,從而引起反應(yīng)振蕩。為簡(jiǎn)潔的解釋反應(yīng)中有關(guān)現(xiàn) 象,對(duì)反應(yīng)過(guò)程適當(dāng)簡(jiǎn)化如下:當(dāng) Br -濃度不高時(shí),產(chǎn)生的 HBrO 2中間物能自催化下列過(guò)程:-+3222BrO +HBrO+H2BrO +HO = (23+4+22BrO +Ce+HHBrO +Ce= (3 在反應(yīng)(3中快速積累的 Ce 4+又加速了下列氧化反應(yīng):4+-3+2224C e +B r C H (C O O H +H O+H O B r 2B r +4C e +3C O +6H = (4 通過(guò)反應(yīng)(4 ,當(dāng)達(dá)到臨界濃度值 -Br ,c C

4、后,反應(yīng)系統(tǒng)中下列反應(yīng)成為主導(dǎo)反應(yīng): -+32BrO +Br+2HHBrO +HOBr= (5 -+2HBrO +Br+H2HOBr = (6反應(yīng)(6與反應(yīng)(2對(duì) HBrO 2競(jìng)爭(zhēng),使得反應(yīng)(2 、 (3幾乎不發(fā)生。 Br -不 斷消耗,當(dāng) Br -消耗到臨界值以下,則反應(yīng)(2 、 (3為主導(dǎo)作用,而反應(yīng)(5 、 (6幾乎不發(fā)生。由此可見,反應(yīng)系統(tǒng)中 Br -濃度的變化相當(dāng)于一個(gè)“啟動(dòng)”開 關(guān),當(dāng) -Br Br ,c C C 時(shí),反應(yīng)(2 、 (3起主導(dǎo)作用,通過(guò)反應(yīng)(4不斷使 Br-積累;當(dāng) -Br Br ,c C C 時(shí),反應(yīng)(5 、 (6起主導(dǎo)作用, Br -又被消耗。由于反應(yīng)(2 、

5、(3中存在自催化過(guò)程,使動(dòng)力學(xué)方程式中出現(xiàn)非線性關(guān)系,導(dǎo)致反應(yīng) 系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。 Br -在(5 、 (6中消耗,又在反應(yīng)(4中產(chǎn)生; Ce 3+、 Ce 4+分別在(3 、 (4中消耗和產(chǎn)生,所以 Br -、 Ce 3+、 Ce 4+在反應(yīng)過(guò)程中濃度會(huì)出現(xiàn)周期性變化,而 -3BrO 和 22CH (COOH反應(yīng)物,在反應(yīng)過(guò)程中不斷消耗,不會(huì)再生,因此,它們不會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。-Br ,c C 值又反應(yīng)(2、 (6可求得 -+-+2236HBrO 2HBrO Br ,c H BrO H C C C C C C k k =所以 -33626Br ,c BrO BrO C C /510C k k

6、-=三、儀器與試劑:NDM -1電壓測(cè)量?jī)x; SYC -15B 超級(jí)恒溫水浴; 磁力攪拌器; 反應(yīng)器 100ml ; 217型甘汞電極; 213型鉑電極; 數(shù)據(jù)采集接口裝置; 計(jì)算機(jī); 溴酸鉀(GR ; 硝酸鈰銨(AR ; 丙二酸(AR ; 濃硫酸(AR 。四、儀器裝置連接圖: Pt 進(jìn)水口電壓測(cè)量?jī)x五、實(shí)驗(yàn)步驟:1. 用 1.003mol dm -硫酸作 217型甘汞電極液接;2. 按圖連接好儀器,打開超級(jí)恒溫水浴,將溫度調(diào)節(jié)至 25.0±0.1; 3. 配 制 0.453mol dm -丙 二 酸 250ml 、 0.253mol dm-溴 化 鉀 250ml 、3.003mol

7、 dm-硫 酸 250ml ; 在 0.203mol dm-硫 酸 介 質(zhì) 中 配 制33410mol dm -的硫酸鈰銨 250ml 。4. 在反應(yīng)器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸鉀溶液、硫酸溶液各 15ml ; 5. 打開磁力攪拌器,調(diào)節(jié)合適速度;6. 將精密數(shù)字電壓測(cè)量?jī)x置于分辨率為 0.1mV 檔(即電壓測(cè)量?jī)x的 2V 檔 ,且為 “手動(dòng)”狀態(tài),甘汞電極接負(fù)極,鉑電極接正極;7. 恒溫 5min 后,加入硫酸鈰銨溶液 15ml ,觀察溶液顏色的變化,同時(shí)開始計(jì)時(shí) 并記錄相應(yīng)的變化電勢(shì);8. 電勢(shì)變化首次到最低時(shí),記下時(shí)間 t 誘 ;9. 用上述方法將溫度設(shè)置為 30、 35、 40、

8、45、重復(fù)實(shí)驗(yàn),并記下 t 誘 ; 10. 根據(jù) t 誘 與溫度數(shù)據(jù) ln(1/ 1/t T 誘 作圖。數(shù)據(jù)記錄與分析 數(shù)據(jù)記錄 : 數(shù)據(jù)分析 :作圖 ln(1/ t 誘 1. 2. 配制硫酸鈰銨溶液時(shí),一定要在 0.23mol dm -硫酸介質(zhì)中配制,防止發(fā)生水 解呈渾濁。物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)·BZ 振蕩反應(yīng) 3.反應(yīng)器應(yīng)清潔干凈，轉(zhuǎn)子位置和速度都必須加以控制。 4.電壓測(cè)量?jī)x一定要置于 0.1mV 分辨率的手動(dòng)狀態(tài)下。 5.跟電腦連接時(shí)，要用專用通訊線將電壓測(cè)量?jī)x的串行口與電腦串行口相接，在 相應(yīng)軟件下工作。 七、思考題 1.試述影響誘導(dǎo)期的主要因素。 解：中間體的生成速率。 2.初步說(shuō)明 BZ 振蕩反應(yīng)的特征及