BZ振荡实验

BZ振荡实验

一、实验目的及要求

1.了解BZ(Belousov-Zhobotinski)振荡反应的基本原理，观察BZ化学振荡

实验。

2.了解化学振荡反应中的电势测定方法，通过测定电位-时间曲线求得化学振荡反应的表观活化能。

二、实验原理

振荡反应

化学振荡是指反应系统中的某些量(如某组分的浓度)随时间做周期性的变化。BZ振荡实验是由贝诺索夫(Belousov)和柴波廷斯基(Zhobotinski)发现和发展

起来的，是指在酸性介质中，有机物在有金属离子催化的条件下被溴酸盐氧化，某些组分的浓度发生周期性的变化。

大量实验研究表明，化学振荡反应的发生必须满足三个条件：(1)必须是远离平衡态体系；(2)反应历程中含有自催化步骤；(3)体系必须具有双稳态性，即可在稳态间来回振荡。

机理

菲尔德(Field)、科罗什(Koros)、诺伊斯(Noyes)三位科学家对BZ振荡反应

实验进行了解释，称为FKN机理。下面以BrO

3~Ce4+~CH

2

(COOH)

2

~H

2

SO

4

体系为例说

明。在该体系中发生的总反应为：

该反应的的核心内容是系统中存在受Br－浓度控制的A和B两个过程。具体的说，

当Br－的浓度高于某个浓度(这个浓度被称为临界浓度C

临)时，BrO

3

－被还原成Br

2

，

即发生A过程。

过程A：

(注：HOBr产生后立即被丙二酸消耗，反应过程如下：

当Br-的浓度低于临界浓度时，或者说Br-的浓度较低时，Ce3＋被氧化为Ce4＋，发生B过程。

过程B：

(自由基反应瞬间完成)

Br-再生过程：

过程A是消耗Br－并产生能进一步发生反应的HBrO

2

，HOBr是中间产物，产

生之后立即被丙二酸消耗。

过程B是一个自催化的过程(HBrO

2

充当催化剂)，在Br－消耗到一定程度后，

HBrO

2

才按③和④进行，并使反应不断加速，与此同时，Ce3＋被氧化为Ce4+。

HBrO

2

的累积还受⑤的制约。

⑥反应为丙二酸被溴化为BrCH(COOH)

2

，与Ce4+反应生成Br－使Ce4+转化为Ce3+。这个反应使得Br－和Ce3+再生，形成周期振荡，并且控制A过程和B过程发生的离子是Br－。

－的临界浓度

过程A中，慢反应②控制整个A过程的速度，当过程A达到准定态，即υ

①=υ

②

，这时：

k 1[BrO

3

－][Br－][H+]2=k

2

[HBrO

2

][Br－][H+]，得：[HBrO

2

]

A

=k

1

/k

2

[BrO

3

－][H+]。

过程B中，慢反应③产生的自由基BrO

2

·立即反应，当反应达到准定态，

即υ

③=υ

⑤

，这时

k 3[BrO

3

－][HBrO

2

][H+]=k

5

[HBrO

2

]2，得：[HBrO

2

]

B

=k

3

/k

5

[BrO

3

－][H+]。

观察②反应和③反应，Br－和BrO

3

－均要与HBrO

2

反应，形成竞争反应。当

k 2[HBrO

2

][Br－][H+]>k

3

[BrO

3

－][HBrO

2

][H+]时，即k

2

[Br－]>k

5

[BrO

3

－]时，反应②进

行，反应③不能进行。而k

2[Br－]

3

[BrO

3

－]时，反应②不能进行，反应③进行。

所以Br－临界浓度为

[Br－]

临=k

3

/k

2

[BrO

3

－]=5×10-6[BrO

3

－]。

4.实验方法

本实验采用电化学方法，即在不同的温度下通过测定因[Ce3＋]和[Ce4＋]之比

产生的电势随时间变化的曲线，分别从曲线中得到诱导时间(t

u )和振荡周期(t

z

)。

改变体系温度，可以发现，ln(1/t

u )、ln(1/t

z

)均与温度呈线性关系，即

ln(1/t

u )=—E

u

/RT+C

1

ln(1/t

z )=—E

z

/RT+C

2

式中，C

1、C

2

为常数；E

u

和E

z

分别为诱导期和振荡期的表观活化能，单位为kJ·mol-1。

三、实验仪器与试剂

实验仪器：ZD-BZ振荡仪器、超级恒温槽、217型甘汞电极、铂电极、移液管

实验试剂：·L-1硫酸铈铵 3mol·L-1H

2SO

4

·L-1丙二酸·L-1KBrO

3

四、实验步骤

1.电极准备。配制1mol/L的硫酸溶液，装入饱和甘汞电极中。

2.分别用蒸馏水配制·L-1硫酸铈铵(必须在·L-1H

2SO

4

中配制) 、

3mol·L-1H

2SO

4

、·L-1丙二酸、·L-1KBrO

3

各100mL。

3.连接实验仪器，打开仪器电源预热，同时开启恒温槽的电源，并调节温度

为30o C，打开恒温槽的循环水开关。

4.移取配好的硫酸铈铵、硫酸和丙二酸溶液各10mL于已洗干净的电解杯中，同时移取10mL溴酸钾在恒温槽中恒温。调节电磁搅拌的旋钮，使搅拌子以合适的速度转动，并将电势选为2V档。将短接线插入正负电极，按清零键，消除系统误差。分别将饱和甘汞电极和铂电极插入电解池，并甘汞电极另一端接负极，铂电极一端接正极。

5.打开桌面上的BZ振荡实验系统，点击运行按钮。当示数基本不发生变化时加入恒温的溴酸钾溶液，观察曲线变化。记录3-4个完整周期即可停止实验。

6.改变恒温槽温度，重复上述步骤。

五、数据处理

1.分别记录各个温度下的电势并E-t图，求出各个温度下的诱导时间t

u

与

振荡周期t

z

。

2.分别作ln(1/t

u )-1/T和ln(1/t

z

)-1/T图，根据图中的直线斜率求出诱导

活化能E

u 和振荡活化能E

z

。

五、注意事项

1.硫酸铈铵必须在·L-1H

2SO

4

中配制，以防硫酸铈铵发生水解。

2.将溴酸钾放于恒温槽中恒温，恒温时间要在10分钟以上。

3.电解池、电极等一切与溶液相接触的器皿一定要洗干净，这是实验成败的关键。

4.实验过程中搅拌子的速度要保持一致。

5.浓硫酸稀释时注意酸加入水中。