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1.BZ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。2.FKN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BrO3~Ce4+~CH2(COOH)2~H2SO4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，BrO3－被还原成Br2，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HBrO2，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(HBrO2充当催化剂)，在Br－消耗到一定程度后，HBrO2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+。HBrO2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－。3.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υ①=υ②，这时：k1[BrO3－][Br－][H+]2=k2[HBrO2][Br－][H+]，得：[HBrO2]A=k1/k2[BrO3－][H+]。过程B中，慢反应③产生的自由基BrO2·立即反应，当反应达到准定态，即υ③=υ⑤，这时k3[BrO3－][HBrO2][H+]=k5[HBrO2]2，得：[HBrO2]B=k3/k5[BrO3－][H+]。观察②反应和③反应，Br－和BrO3－均要与HBrO2反应，形成竞争反应。当k2[HBrO2][Br－][H+]k3[BrO3－][HBrO2][H+]时，即k2[Br－]k5[BrO3－]时，反应②进行，反应③不能进行。而k2[Br－]k3[BrO3－]时，反应②不能进行，反应③进行。所以Br－临界浓度为[Br－]临=k3/k2[BrO3－]=5×10-6[BrO3－]。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(tu)和振荡周期(tz)。改变体系温度，可以发现，ln(1/tu)、ln(1/tz)均与温度呈线性关系，即ln(1/tu)=—Eu/RT+C1ln(1/tz)=—Ez/RT+C2式中，C1、C2为常数；Eu和Ez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：0.005mol·L-1硫酸铈铵3mol·L-1H2SO40.4mol·L-1丙二酸0.2mol·L-1KBrO3四、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0.005mol·L-1硫酸铈铵(必须在0.2mol·L-1H2SO4中配制)、3mol·L-1H2SO4、0.4mol·L-1丙二酸、0.2mol·L-1KBrO3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30oC，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tu与振荡周期tz。2.分别作ln(1/tu)-1/T和ln(1/tz)-1/T图，根据图中的直线斜率求出诱导活化能Eu和振荡活化能Ez。温度(T)1/Ttuln(1/tu)tzln(1/tz)30354045五、注意事项1.硫酸铈铵必须在0.2mol·L-1H2SO4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。