BZ振荡反应实验报告Word格式.docx
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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
0.02mol/L硝酸铈铵;
0.5mol/L丙二酸;
0.2mol/L溴酸钾;
0.8mol/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325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430摄氏度时电位-时间曲线
3.1.4第四组:
T=35℃
图535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=35.45kJ/mol,E振=63.79kJ/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:
温度(℃)
20
25
30
35
t诱(s)
677.6
487
365
263
t振(s)
121
83.6
50.9
33.4
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:
T(℃)
293
298
303
308
1/T
0.003413
0.003356
0.0033
0.003247
ln(1/t诱)
-6.51856
-6.18826
-5.8999
-5.57215
ln(1/t振)
-4.79579
-4.42604
-3.92986
-3.50856
然后使用Origin软件作图并且线性拟合如下(图6与图7):
图61/T与ln(1/t诱)关系图线
图71/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:
斜率
表观活化能(kJ/mol)
拟合直线R2
诱导
-5644.14
46.924
0.999
振荡
-7860.99
65.356
0.994
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=35.45kJ/mol,E振=63.79kJ/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?
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?
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?
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。