BZ振荡反应实验报告.docx

1、BZ振荡反应实验报告BZ振荡反应-实验报告B-Z振荡反应实验日期：2016/11/24 完成报告日期：2016/11/251引言1.1实验目的1.了解 Belousov-Zhabotinski 反应（简称 B-Z反应）的机理。2.通过测定电位 时间曲线求得振荡反应的表观活化能。1.2实验原理对于以B-Z反应为代表的化学振荡现象，目前被普遍认同的是 Field , kooros和 Noyes在 1972年提出的FKN机理，他们提出了该反应由萨那个主过程组成:过程 ABrO3 Br 2H HBrO2 HOBr HBrO2 Br H 2HOBr丙二酸按下式被溴化为BrMA,（A2） Br2 MA B

2、rMA Br H过程 B BrOa HBrO2 H 僩 2BrO2 H2O 2BrO2g 2Ce3 2H 2HBrO2 2Ce4这是一个自催化过程，在Br消耗到一定程度后，HBrO2才转化到按以上、两式进行反应，为Ce4。在过程B的和中，的正反应是速反应的制约。 2HBrO2 BrOa HOBr H产生Br （由BrMA ）和其他产物。这一过程目前了 解得还不够，反应可大致表达为: 2Ce4 + MA+ BrMA f Br +2Ce3 + 其他产物式中f为系数，它是每两个Ce4离子反应所产生的Br数，随着BrMA与MA参加反应的不同比例 而异。过程C对化学振荡非常重要。如果只有A 和B，那就是

3、一般的自催化反应或时钟反应， 进行一次就完成。正是由于过程 C,以有机物MA 的消耗为代价，重新得到Br和Ce3，反应得以重 新启动，形成周期性的振荡。丙二酸的 B-Z 反应,MA 为 CH2(cH)2，BrMA 即 为BrCHgOHL，总反应为：它是由 +4 X+4 X+2 X+5 X(A1) +5X(A2)，再加上的特征，8Ce4 2BrCH(COOH)2 4出 8Ce3 2Br 2HC00H 4C2 10H组合而成。但这个反应式只是一种计量方程，并 不反应实际的历程。按在FKN机理的基础上建立的俄勒冈模型，可以导得，振荡周期t振与过程C即反应步 骤的速率系数kc以及有机物的浓度cB呈反比

4、关 系，比例常数还与其他反应步骤的速率系数有 关。当测定不同温度下的振荡周期t振,如近视地忽略比例常数随温度的变化，可以估算过程 C即反应步骤的表观活化能。另一方面，随着反应的进行，逐渐减小，振荡周期将逐渐增大2实验操作2.1实验用品计算机及接口一套（或其他电势差数据记录 设备）；THGD-0506高精度低温恒温浴槽；78-2 型双向磁力加热搅拌器；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。0.02 mol/L 硝酸铈铵；0.5mol/L 丙二酸；0.2 mol/L 溴酸钾；0.8 mol/L 硫酸。实验装置图2.2实验条件实验室温

5、为17.5 C,气压为101.29 kPa实验分别在 20C、25C、30C、35C。2.3实验操作步骤及方法要点检查好仪器样品，按照装置图接好电路。其 中，铂电极接在正极上，饱和甘汞电极接在负极 上，在进行实验之前需检查甘汞电极中的液面是 否合适以及是否有气泡等。接通相应设备电源， 准备数据采集。调节恒温槽温度为20 C。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。观察溶液的颜色变化及反应曲线，待重复 810次完整周期后，停止数据记录，保存数据 文件，记录恒温槽温度，从

6、数据文件中读出相应 的诱导期和振荡周期。后依次升温至25C、30C、 35 C,进行实验操作。3结果与讨论3.1原始实验数据丙二酸溶液的浓度为0.5mol/L ;溴酸钾溶液 的浓度为0.2mol/L ;硝酸铈铵溶液的浓度为 0.02mol/L ;硫酸溶液的浓度为 0.8mol/L。1.t = 20 C20C时电压时间关系曲线（振荡曲线）2.t = 25 CE”丈腳700500 I 0 ?0t 400 600 BOO 100025C时电压时间关系曲线（振荡曲线）AU-i-Tf#700I ?- I6W I 0 IQ0 20D 300 400 50D 600 70030C时电压时间关系曲线（振荡曲线

7、）4. t = 35 C35C时电压时间关系曲线（振荡曲线）5.现象观察：加入硝酸铈铵溶液后，溶液显浅黄色。出现振 荡后，随着电压的降低，溶液颜色逐渐变浅直至 消失；而后，溶液颜色突然出现，随之电压开始 快速升高，达到最高处时颜色最深。3.2计算的数据、结果1.诱导期及表观活化能E诱根据所得的电压-时间曲线，利用origin读出 诱导起始和终止点并可计算出对应的诱导期，列 表如下：各温度下诱导起始和终止点及诱导期温度/c20253035诱导起始点/s68.4375156.0625133.910269.4492诱导终 580.418 508.9531 400.75 252.2188止点/s诱导期

8、 511.9805 352.8906 266.8398 182.7696/s因此即可得ln（1/ t诱）和1/T数值如下表：各温度下ln（1/ t诱）和1/T数值温度 /C 20 25 30 351/（T/C） 0.003413 0.003356 0.003300 0.003247 ln（1/t诱） -6.2383 -5.8662 -5.5866 -5.2082ln（1/ t诱）1/T关系及拟合直线拟合直线方程为 y=-6080.6x+14.517,拟合系数为0.998由阿累尼乌斯公式知，直线斜率为-Ea / R，因 此有：E 诱=-m X R= 6080.6X 8.314 = 50.55 k

9、J/mol2.振荡周期及表观活化能E振根据所得的电压-时间曲线，利用origin读 出各个振荡周期的峰值并计算出对应的振荡周期，列表如下：各温度下振荡周期温度/ C20253035振荡周26.2071期1/s86.071867.937540.3242振荡周26.6601期2/s90.621169.468739.2500振荡周27.7071期3/s86.597671.507840.2656振荡周28.1875期4/s93.132969.453241.2305振荡周28.1914期5/s88.6367平均值89.012055.673432.214127.3906/s因此即可得ln（1/ t振）和1

10、/T数值如下表：各温度下In（1/ t振）和1/T数值温度/ C202530351/(T/C) 0.003413 0.003356 0.003300 0.003247In(1/t振）-4.4888-4.0195 -3.4724-3.3102根据所得数值，作出In（1/ t振）1/T图像如下：h(l/r|-3*- 、 -3.5g y = -73961k * 70 76& R? - 0.65064 5-5ln(1/ t 振DJ0O33 QO0335 D0D34)1/T关系及拟合直线拟合直线方程为 y=-7386.1x+20.765，拟合系 数为0.98。由阿累尼乌斯公式知，直线斜率为七a / R,

11、因 此有：E 振=-m X R= 7386.1 X 8.314 = 61.41 kJ/mol3.3讨论分析1.现象观察实验中溶液颜色出现周期性的变化，在振荡 电压升高即曲线下降时，溶液颜色由黄色变无 色，主要是由于发生了以下反应：+ MA + 2H2() t 6Ceu + HCOOH+ 2CO2 + 6H4C/+ + fhMA+ 2/,0 t 4旷 + fiK + /C(7tlZ/+ 2Q +5*溶液中显黄色的Ce4离子变成了无色的Ce3离子。 在电压降低时即曲线上升时，反映体系颜色由无 色变为黄色，主要是由于发生了如下反应：Br()t +2 + HJ HBrO： +Ce溶液中无色的Ce3离子

12、又变成了显黄色的 Ce4离子。2.误差来源1确定诱导期和振动周期时，由于是肉眼观察 图像取点，具有很大的不确定性，容易引起误差。 从数据可以看出振动周期之间差别较大，也说明 了这一点。2虽然我们通过恒温槽将温度设定为固定值， 但在实验过程中发现温度仍然存在着一定程度 的波动，使记录值与平均值存在偏差。3做直线拟合时只有4组数据，样本太小。3.实验过程异常现象分析本次实验在我们最初测第一组数据时发现曲 线产生了非常剧烈的波动，经检查是因为甘汞电 极内部存在气泡，导致电路不畅。换了甘汞电极 排除气泡后我们再次进行实验，发现仍有类似波 动。仔细排查后发现是由于甘汞电极插入反应液 的深度不够，以致在搅

13、拌过程中频繁暴露在空气 中，造成电位异常。4.改进意见建议改进装置使电极固定得更稳，并且不要 将电路触点暴露在外面，避免机械干扰。4.结论实验结果归纳如下：各温度下诱导期振荡周期及表观活化能温度厂C20253035表观活化能(kJ/mol)诱导512.0352.9266.8182.850.55期Is振荡89.055.732.227.390661.41周期Is5参考文献1基础物理化学实验清华大学出版社贺德 华，麻英，张连庆编2基础物理化学清华大学出版社朱文涛编6附录(思考题)1.已知卤素离子Cl ,Br ,1都很容易和HB6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

14、用 FKN机理加以分 析。答：由FKN机理知卤素离子主要参与反应 步骤A，而系统从A转入B的条件是卤素离子 的浓度下降。因此若加入卤素离子，步骤 A的持续时间将会变长，从而导致整个诱导期和振荡 周期变长。2.为什么B Z反应有诱导期？反应何时 进入振荡期？答：因为反应的振荡需要两种价态的铈离 子。刚开始加入的只是Ce4，当随着反应的进行 产生了足够的Ce3后，系统便进入了振荡期。3.影响诱导期的主要因素有哪些？答： 温度：根据Arrhenius 方程 k Ae)p Ea/RT，温度越高，k值越大，反应速率越 快。(2) Ce4/Cd的值：若刚开始加入铈离子时， Ce4/Cd就有适当的值，那么在诱导期不需要产生太多Ce3，反应便可进入振荡期。(3)反应液的浓度：在速率方程里，浓度与 反应速率有直接关系，一般来说，反应液浓度越 高，反应速率越快。4.体系中什么样的反应步骤对振荡行为最 为关键？答：自催化步骤，该步骤使消耗的HB6得以 重新生成，为反应步骤的转换提供了条件。7收获与建议本次实验中我掌握了振荡反应的原理以及 诱导活化能、振荡周期活化能的测定方法。另外 还了解了以电位差测定化学反应速率的手段， 收 获不少。但也有不少经验教训，比如实验开始前 必须确认各个装置处于合适状态、搭建装置的过 程中也需小心谨慎，否则将带来意想不到的后 果，大大延长实验时间。