B-Z振荡反应

姓名：何一白 学号：2012011908 班级：化22

实验日期：20##年11月6日

提交报告日期：20##年11月22日

带实验的老师姓名：王振华

1        引言（简明的实验目的/原理）

1.1 实验目的

了解Belousov-Zhabotinski反应的机理

通过测定电位-时间曲线球的振荡反应的表观活化能

1.2实验原理

化学震荡：反映系统中某些物理量（如组分浓度）随时间做周期性变化

B-Z反应机理：在硫酸介质中以金属铈离子做催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化——FKN机理（共十步）系统中[Br^-]、[HBrO₂]，[Ce⁴⁺]/[Ce³⁺]都随时间做周期性的变化。

测量及数据：我们用溴离子选择电极和铂丝电极分别测定[Br^-]和[Ce⁴⁺]/[Ce³⁺]随时间变化的曲线，处理数据得到诱导期时间及震荡周期。由1/t_诱，1/t_振分别衡量诱导期和振荡周期反应速率的快慢，综合不同温度下的t_诱和t_振，估算表观活化能E_诱，E_振。

2  实验操作

2.1  实验药品、仪器型号及测试装置示意图

2.1.1 实验仪器

计算机及接口一套；HS-4 型精密恒温浴槽；电磁搅拌器；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；

2.1.2 实验药品

0.02 mol/L 硝酸铈铵；0.5 mol/L 丙二酸；0.2 mol/L 溴酸钾； 0.8 mol/L 硫酸。

2.2  实验条件（实验温度、湿度、压力等）

实验室温度16.3℃，大气压102.19kPa

2.3  实验操作步骤及方法要点

1.检查仪器药品。

2.按装置图（如图1 所示）接好线路。

图1 . B－Z振荡反应实验装置图

3.接通相应设备电源，准备数据采集。

4.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。

5.观察溶液的颜色变化，观察反应曲线，出现振荡后，待振荡周期完整重复8~10次后，停止数据记录，保存数据文件后记录恒温槽温度，从数据文件中读出相应的诱导期t诱和振荡周期t振。

6.升高温度4℃，重复步骤4和5，重复次数5次。

2.4 注意事项：

1. 各个组分的混合顺序对体系的振荡行为有影响。应在丙二酸、溴酸钾、硫酸混合均匀后，且当记录仪的基线走稳后，再加入硝酸铈铵溶液。

2. 反应温度可明显地改变诱导期和振荡周期，故应严格控制温度恒定。

3. 实验中溴酸钾试剂纯度要求高。

4. 配制硝酸铈铵溶液时候，一定要在硫酸介质中配制，防止发生水解呈浑浊。

5. 所使用的反应容器一定要冲洗干净，转子位置及速度都必须加以控制。

3 结果与讨论

  

3.1 原始实验数据

       3.1.1 第一组：T=20℃
       根据实验测得的数据在Origin中作图结果如下：

图2 20摄氏度时电位-时间曲线

       3.1.2 第二组：T=25℃
       根据实验测得的数据在Origin中拟合作图得到结果如下：

图3 25摄氏度时电位-时间曲线

       3.1.3 第三组：T=30℃
       根据实验测得的数据在Origin中拟合作图得到结果如下：

图4 30摄氏度时电位-时间曲线

       3.1.4 第四组：T=35℃
       根据实验测得的数据在Origin中拟合作图得到结果如下：

图5 35摄氏度时电位-时间曲线

       3.1.5 实验现象：

       刚刚加入硝酸铈铵时，溶液显黄色，随后溶液颜色逐渐变浅，在振荡过程中，当电位在最高点时黄色最深，然后逐渐变浅，在最低点时几乎无色。
       3.1.6 文献值

查阅表观活化能文献值得：E_诱 =35.45 kJ/mol，E_振 =63.79 kJ/mol
       3.1.7 其他实验条件
       实验时实验室温度21.5度。

3.2计算的数据、结果

       3.2.1 求t_诱和t_振
       根据自己记录的诱导期起点时间，再根据BZ振荡曲线中取得的诱导期终点，计算得出诱导期t_诱，，然后将8次振荡周期最高点作为周期点，取平均作为振荡周期t_振。得到诱导时间和振荡时间如下：

      

3.2.2 计算活化能

               

         由：

t_诱 r_诱 =常数

         又由：

lnk=lnA-

         从而：

ln1/t_诱 =lnA-

分别作ln(1/t_诱)-1/T，ln(1/t_振)-1/T图，由直线斜率再乘-R即可求出表观活化能。

首先计算ln(1/t_诱)，ln(1/t_振)，1/T数据如下表：

然后使用Origin软件作图并且线性拟合如下（图6与图7）：

图6 1/T与ln(1/ t_诱)关系图线

图7 1/T与ln(1/ t_振)关系图线

根据Origin软件拟合得到两条直线斜率，进而求出活化能的值如下：

3.3讨论分析

3.3.1 数据与计算结果的分析比较
计算得到的结果46.924kJ/mol和65.356kJ/mol与文献值E_诱 =35.45 kJ/mol，E_振 =63.79 kJ/mol有一定偏差，尤其E_诱偏差比较大，分析如下：

1）本实验由曲线选取诱导期终点时主要靠人工从光滑曲线上选取，这会带来不准确。我选取的方法是计算所有数据点处的曲线斜率，找到极值点作为诱导期的终点，这虽然减小了一定人工误差，但仍然可能与实际诱导期结束时间不一致。

2）本实验求振荡周期时为减小误差，取的均为每个振荡周期最高点，因此可有效减少人工判断带来的误差。

3）实验室软件所得数据拟合R²为0.999和0.994，说明数值线性程度较高，故实验过程中温度、试剂量均较稳定准确，操作基本无误。

3.3.2 现象分析

如前所述，刚刚加入硝酸铈铵时，溶液显黄色，随后溶液颜色逐渐变浅，在振荡过程中，当电位在最高点时黄色最深，然后逐渐变浅，在最低点时几乎无色，如此反复。这主要是由于在电压的上升沿，[Br－]量比较少，[HBrO2]通过自催化反应增加，[Br－]被更加快速地消耗，同时也产生了[Ce4+]，使溶液颜色变黄；在电压的下降沿，[Ce4+]通过过程C消耗，生成[Br－]，体系中HBrO2的自催化生成受到抑制，系统又从B转换到A，可观察到溶液颜色变浅。

4 结论

B-Z 振荡反应的表观活化能测定值分别为：E_诱=46.924Jk/mol，E_振 =65.356kJ/mol。

5 参考文献

[1] 贺德华，麻英，张连庆编. 基础物理化学实验. 北京：高等教育出版社，2008.5.

[2] 朱文涛编著. 基础物理化学. 北京：清华大学出版社，2011.9.

6 附录（计算的例子、思考题等）

6.1 思考题

1 已知卤素离子（Cl^- ，Br^－ ，I^－ ）都很易和 HBrO₂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：若在振荡反应的开始加入，则因卤素离子与 HBrO₂ 反应，会减缓 HBrO₂的积累速率，如果卤素粒子过多，会导致 HBrO2 无法达到触发振荡反应的临界浓度，无法发生振荡。若在振荡中间加入，因临界溴离子浓度较小，会使得[Br^-] > ，体系转化至步骤 A，如果量大的话,可能会使得振荡反应终止。

  2 为什么 B-Z 反应有诱导期？反应何时进入振荡期？

答：因为振荡涉及的关键物质 HBrO₂ 在一开始并不存在，需要由一系列的反应来进行积累，而且还存在着自身的分解反应，故需要一个较长的积累期，当它的生成速率与分解速率相等时，反应便进入振荡期。

  3 影响诱导期的主要因素有哪些？

答：反应温度、反应物浓度、卤素离子等杂质浓度、搅拌均匀程度。

  4 体系中什么样的反应步骤对振荡行为最为关键？

答：步骤 A、B 形成竞争关系，通过 HBrO₂ 这个关键物质的生成、分解反应的相互竞争，来调配振荡过程的进行，通过催化剂铈离子来体现周期性的电位变化、颜色转化，而这个振荡所需的能量则由反应物丙二酸和溴酸根离子来提供，二者发生氧化还原反应来维持振荡，当这两者消耗完或者低于某一临界浓度时，振荡终止。

6.2 实验总结

本次实验总体上比较满意，在实验中学习了B-Z反应的机理，同时也知道了如何测定其表观活化能。最后E_诱与文献值相差较大，但询问同学发现这是一个普遍现象。可能以后还应想到更好的判断诱导期的方法，从而提高实验精度。总体上感觉通过这次实验收获很大，也很感谢助教对实验操作的讲解。

 

第二篇：蓝瓶子实验与B-Z振荡反应研究

蓝瓶子实验与B-Z振荡反应研究

【新课引入】

[教师活动]：向学生展示“蓝瓶子”实验，让学生观察实验现象

[学生活动]：锥形瓶中的溶液由蓝色褪成无色

[教师活动]：请一位同学振荡锥形瓶，让学生继续观察实验现象

[学生活动]：锥形瓶中的溶液又由无色变成了蓝色

[教师活动]：学生产生浓厚的学习兴趣和求知欲，课堂气氛比较活跃，此时趁热打铁向学生展示空间波实验，并要求学生仔细观察实验现象

[学生活动]：一段时间内观察到培养皿中的溶液在红色和蓝色之间不断变化，溶液中有波纹出现

[教师活动]：通过观察请学生归纳两个实验现象的共同点

[学生活动]：“都发生了颜色变化”，“都是一种周期性地变化”

[教师活动]：教师设问“那么这两个实验的实验现象又有什么不同点呢？”

[学生活动]：学生进行交流讨论

[教师活动]：教师总结“蓝瓶子实验颜色的周期性变化需要人为的振荡，而空间波实验是一种自发的变化”。教师设问“那么大家知道其中的原因吗？”带着对这个问题的思考向学生介绍两个实验的反应原理，并引入今天实验课的主题B-Z振荡反应

一、实验目的

1、通过观察亚甲基蓝和亚甲基白在不同条件下的相互转化，学习观察方法，体验对比实验法

2、了解B-Z震荡反应的基本原理

3、初步了解自然界中普遍存在的非平衡非线形问题

二、实验原理

蓝瓶子实验原理：

亚甲基蓝是一种暗绿色晶体，溶于水和乙醇，在碱性溶液中，蓝色亚甲基蓝很容易被葡萄糖还原为无色亚甲基白。振荡此无色溶液时，溶液与空气接触面积增大，溶液中氧气溶解量就增多，氧气把亚甲基白氧化为亚甲基蓝，溶液又呈蓝色。（注意事项：NaOH的用量太多或水浴加热的水温太高会导致葡萄糖在强碱性条件下形成双键在不同位置的烯醇式和碳键断裂分解为醛，醛又聚合生成树脂状物质，最终溶液变黄失效。）

B-Z震荡反应原理：

有些自催化反应有可能使反应体系中某些物质的浓度随时间(或空间)发生周期性的变化，这类反应称为化学振荡反应。最著名的化学振荡反应是1959年首先由别诺索夫(Belousov)观察发现，随后柴波廷斯基(Zhabotinsky)继续了该反应的研究。他们报道了以金属铈离子作催化剂时，柠檬酸被氧化可发生化学振荡现象，后来又发现了一批溴酸盐的类似反应，人们把这类反应称为B-Z振荡反应。非平衡非线性问题是自然科学领域中普遍存在的问题，大量的研究工作正在进行。研究的主要问题是：体系在远离平衡态下，由于本身的非线性动力学机制而产生宏观时空有序结构，称为耗散结构，最典型的耗散结构是B-Z体系的时空有序结构。例如丙二酸在溶有硫酸铈的酸性溶液中被溴酸钾氧化的反应就是一个典型的B-Z振荡反应。也是我们今天着重要研究的内容。下面我们来看一下他的反应原理：

当[Br-]足够高时，发生反应A：

A.BrO₃ ^-+2Br ^-+3CH(COOH)₂+3H⁺=3BrCH(COOH)₂+3H₂O

    当[Br-]浓度降低到足够低时，反应A处于不稳定状态，一切反应切换到自催化反应，发生反应B：

B. BrO₃ ^-+4Ce ³⁺+5H⁺=HOBr ^-+4Ce ⁴⁺+2H₂O

在这个反应中，Ce ³⁺ 被氧化成Ce ⁴⁺离子，而Ce ³⁺ 是无色的，Ce ⁴⁺是黄色的，表现在溶液现象的变化。此时具有氧化性的Ce ⁴⁺将进一步与反应A中生成的溴代物BrCH(COOH)₂反应，这个过程如反应C：

C：HOBr ^-+4Ce ⁴⁺+ H₂O+3BrCH(COOH)₂=2Br ^-+4Ce ³⁺+6H⁺+3CO₂

在这个反应体系中存在着两个受溴离子浓度控制过程A和B，当[Br-]高于临界浓度[Br-]时发生A过程，当[Br-]低于临界浓度[Br-]时发生B过程。也就是说[Br-]起着开关作用，它控制着从A到B过程发生，再由B到A过程的转变。在A过程，由化学反应[Br-]降低，当[Br-]到达临界浓度[Br-]时，B过程发生。Br-再生，［Br-］增加，当［Br-］达到临界浓度[Br-]，A过程发生，这样体系就在A过程，B过程间往复振荡，形成了一个循环往复的反应链，即A----B-----C-----A-----B------C。

本实验是通过观察溶液颜色的变化来认识震荡体系，此外还有很多方法：测定吸光度随时间的变化，测定电势随时间的变化等。

    由上述可见，产生化学振荡需满足三个条件：

    1，反应必须远离平衡态。化学振荡只有在远离平衡态，具有很大的不可逆程度时才能发生。在封闭体系中振荡是衰减的，在敞开体系中，可以长期持续振荡。

    2，反应历程中应包含有自催化的步骤。产物之所以能加速反应，因为是自催化反应，如过程A中的产物HBr0₂同时又是反应物。

3．体系必须有两个稳态存在，即具有双稳定性。

三、仪器与试剂

1．仪器：

锥形瓶、试管、滴管、橡胶塞、烧杯、酒精灯、量筒、托盘天平、温度计、计时器，烧杯，量筒，培养皿

2．试剂：

0.2%亚甲基蓝溶液、NaOH、葡萄糖、蒸馏水； 丙二酸，浓硫酸，溴酸钾，硝酸铈胺，邻二氮菲指示剂

四、实验步骤   

1、蓝瓶子实验

在100mL水中溶解2g葡萄糖，加入3~5滴亚甲基兰指示剂，再加入0.5~2g的NaOH，观察实验现象。

2、B-Z震荡

（1）空间波实验

实验开始前，先配制如下溶液：

溶液Ⅰ：3mL浓硫酸+11g溴酸钾+134mL去离子水

溶液Ⅱ：1.1g溴酸钾+10mL去离子水

溶液Ⅲ：2g丙二酸+20mL去离子水

在培养皿中加入18mL溶液Ⅰ，再加入1.5mL溶液Ⅱ和3mL溶液Ⅲ，使它们混合均匀，待溶液澄清后再加入3mL的邻二氮菲指示剂，使其混合均匀。将其放在水平桌面上，下面放一张白纸以利于观察。培养皿中的溶液先呈现均匀的红色，片刻后溶液出现蓝点并向外扩展，继而在蓝色内又出现红色，如此周期行反应并成环状向外扩展，形成各种同心圆图案。若倾斜培养皿使同心圆破坏，则可观察到螺旋状图案。这些图案继续向四周扩展。

（2）B-Z震荡实验

在烧杯中加入7ml 0.5mol.L^-1的丙二酸和15ml 0.2mol.L^-1的溴酸钾，再加入18ml 0.8mol.L^-1的硫酸和1ml 0.04mol.L^-1的硝酸铈胺，混合均匀，最后加入5滴邻二氮菲指示剂，观察颜色变化。溶液的颜色由蓝色变成红色，再由红色变成蓝色，并记录他们的变化周期。

五、实验探究

1.探究不同浓度的KBrO₃对震荡周期的影响

结论：在一定范围内，随着KBrO₃浓度的增大，震荡周期缩短。

2.探究不同浓度的H₂SO_.4对震荡周期的影响

结论：在一定范围内，随着H₂SO_.4浓度的增大，震荡周期增大。

3.探究不同温度对震荡周期的影响

结论：在一定范围内，随着温度的升高，震荡周期缩短。

六、思考题

1. B-Z震荡可应用于哪些领域？

答：生命科学、药物分析（维生素测定、农药残留测定等）、和化学领域。

2. B-Z震荡实验受那些因素的影响？

答：表面活性胶束、酸度、温度、催化剂等都会对B-Z震荡实验产生很大的影响。

七、注意事项

（1）NaOH的用量不能太多，否则会导致葡萄糖在强碱性条件下形成双键在不同位置的烯醇式和碳键断裂分解为醛，醛又聚合生成树脂状物质，最终溶液变黄失效。

（2）蓝瓶子实验时可在锥形瓶上塞上塞子，使反应现象更明显。

（3）指示剂的加入量要适量，不可太多或太少，3~5滴即可。指示剂加得太多可能观察不到实验现象，加得太少颜色变化不明显。

   （4）B-Z振荡的探究实验中要控制好温度，并准确记录振荡周期。