丙二酸溴酸钾体系的BZ振荡反应.docx
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丙二酸溴酸钾体系的BZ振荡反应
丙二酸-溴酸钾体系的B-Z振荡反应
【摘要】：
本实验通过电化学的方法，对非线性化学反应中一类化学振荡反应Belousov-Zhabotinsky（BZ）类化学振荡反应从加样顺序，不同温度，不同浓度等方面进行研究分析，主要CH2（COOH）2-KBrO3-Ce3+-H2SO4为体系。
【关键词】：
B-Z振荡反应，丙二酸，溴酸钾，诱导时间，振荡周期
B-ZOscillationReactioninCH2（COOH）2-KBrO3System
【abstract】：
Inthisexperiment,theoscillatingchemicalreactionofCH2（COOH）2-KBrO3systemwasexploited.Thereactionconditionsandtheselectionofoscillatingsubjectswerealsostudied.
【keyword】B-Zoscillationreaction,malonicacid,potassiumbromate,inducementtime,oscillationperiod.
【前言】
对于化学反应通常是研究其平衡态线性特性，如酸碱电离平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡和配合平衡。
然而，化学基本规律却表现为非平衡、非线性特性。
有些反应体系中，部分组分或中间产物的浓度能随时间、空间发生有序的周期性变化，即化学振荡。
这是一种开放的、远离平衡的非线性反应系统，一定条件下可以自发地组织成时空有序结构，呈现出类似于生命特征的自组织现象。
1921年，WilliamBray在用碘作催化剂使过氧化氢分解为水和氧气时，第一次发现了振荡式的化学反应。
1952年，AlanTuring通过数学计算在理论上预见了化学振荡的可能性。
1958年，Belousov和Zhabotinskii首次报道了以金属铈作催化剂，柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时可呈现化学振荡现象：
溶液在无色和淡黄色两种状态间进行着规则的周期振荡。
该反应即被称为Belousov-Zhabotinskii反应，简称B-Z反应。
随后人们又发现了一大批可呈现化学振荡反应现象的含溴酸盐的反应系统。
B-Z反应的非平衡非线性，不仅引起了化学工作者的重视，还引起了生物工作者和分析检测工作者的重视。
化学振荡反应在分析测定领域有了广泛的应用。
【实验部分】
一、仪器与试剂
0.45M丙二酸溶液，0.20M溴酸钾溶液，3M硫酸，4×10-3M硫酸铈铵溶液，蒸馏水（前部分实验使用）
硫酸，过氧化氢，碘酸钾，硫代硫酸钠，淀粉（探究实验使用）
JB－1B型磁力搅拌器（上海雷磁新泾仪器有限公司），N2000双通道色谱工作站（浙江大学智能信息工程研究所），精密恒温浴槽。
二、实验步骤
1、不同的反应物加入顺序对振荡的影响。
调节恒温槽,使其温度恒定在30C。
将10mLH2O、10mL硫酸、10mL丙二酸、10mL溴酸钾、10mL硫酸铈铵中的三种物质先移入反应皿。
恒温搅拌10min后，再将剩下的一种物质迅速加入反应皿，加入一半时时开始采集数据。
具体加入顺序参见表1。
观察是否产生振荡，测出振荡周期和诱导时间。
2、反应温度对振荡的影响
固定反应物加入顺序和用量，依次改变体系的温度至30C，35C，40C，45C，测出振荡周期和诱导时间的变化。
分别以诱导时间的对数和振荡周期的对数对温度的倒数作图，得到表观诱导活化能和振荡活化能。
3、反应物浓度对振荡的影响
在35C恒温及固定的加入顺序下，分别改变丙二酸、溴酸钾、浓硫酸、硫酸铈铵的浓度。
固定的溶液体积为50mL。
具体加入体积参见表2。
测出振荡周期和诱导时间的变化。
4、对碘钟震荡反应进行研究
配置甲溶液：
量取40mL30%的过氧化氢溶液，转移入100mL容量瓶里，用蒸馏水稀释到刻度。
配置乙溶液：
分别称取1.56g丙二酸和0.338g硫酸锰，分别溶于适量水中。
另称取0.03g可溶性淀粉溶解，把三者转移入100mL容量瓶里，稀释到刻度。
配置丙溶液：
称取4.28g碘酸钾溶于适量热水中，再加入4mL2mol/L硫酸溶液酸化。
转移入100mL容量瓶里，稀释到刻度。
移取等体积溶液混合反应。
三、实验结果及讨论
1.不同的反应物加入顺序对反应的影响：
不同的加入顺序及相应的诱导时间（t）和振荡周期（T）如表1所示，
表1反应物加入顺序和诱导时间、振荡周期
加入顺序
第1组
第2组
第3组
水+浓硫酸
水+浓硫酸
水+浓硫酸
1
硫酸铈铵
溴酸钾
丙二酸
2
溴酸钾
丙二酸
硫酸铈铵
3
丙二酸
硫酸铈铵
溴酸钾
诱导时间/min
6.01
6.58
6.81
振荡周期/min
1.633
1.683
1.667
测得的数据处理如下：
最后加入丙二酸
最后加入硫酸铈铵
最后加入溴酸钾
图1：
反应物不同加入顺序的震荡电位图
对比上面三张图，在三种不同情况下，体系均可以发生震荡，但震荡的诱导时间及震荡周期各不相同，最后加入丙二酸时，所用的诱导时间及震荡周期最短。
因此，以第一组加入的顺序最佳。
因此，在探究温度、浓度的后序实验中也采用这个顺序。
2、温度对震荡反应的影响
图二：
30℃、35℃、40℃、45℃反应震荡曲线
表2反应温度和诱导时间、振荡周期
组别
反应温度/℃
诱导时间/min
反应周期/min
1
30
4.62
1.14
2
35
3.17
0.76
3
40
2.33
0.47
4
45
1.76
0.35
从图二、表二数据可以看出，振荡反应的诱导时间和振荡周期随温度的升高而减小，我们可以在同一坐标内作出诱导时间和振荡周期随温度变化的曲线如图三所示（t为震荡周期，T为诱导周期）。
诱导周期随温度的变化比震荡周期的变化大。
但当温度较高时，震荡会不均匀，震荡电位发生波动。
图四：
诱导时间的对数和温度倒数的关系
图三：
温度对振荡反应的影响
震荡周期的对数和温度倒数的关系
由
，根据图数据拟合得：
Ea（震荡周期）=7766R=64.6KJ/mol
Ea（诱导时间）=6184R=51.4KJ/mol
3、反应物浓度对震荡反应的影响
控制反应温度为35℃。
固定反应物加入顺序为蒸馏水、硫酸、硫酸铈铵、溴酸钾、丙二酸。
改变丙二酸浓度（0.045M，0.09M，0.135M）
表3反应物加入体积和诱导时间、振荡周期
组别
1
2
3
体积
/mL
丙二酸
5
10
15
硫酸
10
10
10
溴酸钾
10
10
10
蒸馏水
10
10
10
硫酸铈铵
10
10
10
诱导时间/min
4.52
3.04
2.82
振荡周期/min
1.13
0.80
0.69
丙二酸15mL
丙二酸10mL
丙二酸5mL
改变硫酸铈铵浓度（4*10^-4M，8*10^-4M，1.2*10^-3M）
组别
1
2
3
体积
/mL
丙二酸
10
10
10
硫酸
10
10
10
溴酸钾
10
10
10
蒸馏水
10
10
10
硫酸铈铵
5
10
15
诱导时间/min
5.06
3.04
2.39
振荡周期/min
0.85
0.80
0.75
硫酸铈铵15mL
硫酸铈铵10mL
硫酸铈铵5mL
从各图对比可以看出，硫酸铈铵的浓度与诱导时间成负相关，这与理论的推断是一致的。
其实，各反应物浓度都与振荡周期成负相关。
当浓度增大后，震荡波形变得不规整。
由上述三个实验可以得出，B-Z震荡反应诱导时间和震荡周期与反应物加入的顺序、反应温度、反应物浓度有关。
反应温度越高，震荡周期越短，但温度过高时震荡不规则。
随反应物浓度的增大，震荡周期变短。
4、探究实验（碘钟震荡反应）
碘钟反应是一种化学振荡反应，其体现了化学动力学的原理。
它于1886年被瑞士化学家HansHeinrichLandolt发现。
在碘钟反应中，两种（或三种）无色的液体被混合在一起，并在几秒钟后变成淀蓝色。
碘钟反应可以通过不同的途径实现。
过氧化氢型碘钟
向硫酸酸化的过氧化氢溶液中加入碘酸钾、硫代硫酸钠和淀粉的混合溶液。
此时在体系中存在两个主要反应，化学方程式为：
H2O2（aq）+3I−（aq）+2H+→I3+2H2O
I3（aq）+2S2O32−（aq）→3I-（aq）+S4O62−（aq）
（1）温度30℃，每个溶液加入15ml。
当温度为30℃时，每个溶液加入15mL时，由于浓度及温度过高，震荡周期很短，震荡不均匀。
降低温度及反应物浓度，反应温度为25℃，每个反应物溶液加入10mL，整个体系稀释至50mL，进行反应
由震荡曲线可以看出，震荡周期约为0.20min，诱导时间较短。
随反应进行，由于I2的挥发及其他因素，震荡周期变长，且震荡变得不规则。
整个反应过程中，反应溶液颜色发生变化，由无色，黄色交替变化（实验原理中是无色靛蓝色交替变化）可能由于淀粉加入量少，蓝色变化不明显。
在实验原理中，没有MnSO4的反应，MnSO4起催化剂的作用，当不加MnSO4时，不能发生震荡，电位变得不规则。
可见MnSO4在碘钟反应体系震荡中起关键作用。
【参考文献】
1、《物理化学实验》崔献英等编著中国科学技术大学出版社
2、《物理化学》（下册）傅献彩等编高等教育出版社
3、辛厚文.非线性化学.中国科学技术大学出版社,1999.
黄闻新,吴志军,周丽君，碘钟溶液振荡
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