BZ振荡反应实验报告.docx

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BZ振荡反应实验报告

B-Z振荡反应实验报告

B-Z振荡反应

姓名：

何一白学号：

2012011908班级：

化22

实验日期：

2014年11月6日

提交报告日期：

2014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

0.02mol/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℃

根据实验测得的数据在Origin中拟合作图得到结果如下：

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

t诱（s）

677.6

487

365

263

t振（s）

121

83.6

50.9

33.4

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？

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。