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BZ振荡反应1实验目的1）了解BZ（Belousov-Zhabotinski）反应的基本原理。2）观察化学振荡现象。3）练习用微机处理实验数据和作图。2实验原理所谓化学振荡，就是反应系统中某些物理量（如某组分的浓度）随时间作周期性的变化。BZ体系是指由溴酸盐，有机物在酸性介质中，在有（或无）金属离子催化剂作用下构成的体系。它是由苏联科学家Belousov发现，后经Zhabotinski发现而得名。R.J.Fiela、E.Koros、R.Noyes等人通过实验对BZ振荡反应作出了解释，称为FKN机理。下面以BrO~Ce+4~CH2(COOH)2~H2SO4体系为例加以说明。该体系的总反应为（C21.A）体系中存在着下面的反应过程。过程A：（C21.B）（C21.C）过程B：（C21.D）（C21.E）（C21.F）Br-的再生过程：（C21.G）当[Br-]足够高时，主要发生过程A，其中反应C21.B是速率控制步骤，研究表明，当达到准定态时，有。当[Br-]低时，发生过程B，Ce+3被氧化。反应C21.D是速度控制步骤，反应经C21.D、C21.E将自催化产生HbrO2，达到准定态时，有。由反应C21.C和C21.D可以看出：Br-和BrO是竞争HbrO2的。当K3[Br-]K4[BrO]时，自催化过程C21.D不可能发生。自催化是BZ振荡反应中必不可少的步骤。否则该振荡不能发生。研究表明，Br-的临界浓度为：（C21.1）若已知实验的初始浓度[BrO]，可由式C21.1估算[Br-]crit。通过反应C21.G实现Br-的再生。体系中存在着两个受溴离子浓度控制的过程A和过程B，当[Br-]高于临界浓度[Br-]crit时发生过程A，当[Br-]低于[Br-]crit时发生过程B。也就是说[Br-]起着开关作用，它控制着从过程A到过程B，再由过程B到过程A的转变。在过程A，由于化学反应，[Br-]降低，当[Br-]到达[Br-]crit时，过程B发生。在过程B中，Br-再生，[Br-]增加，当[Br-]达到[Br-]crit时，过程A发生，这样体系就在过程A、过程B间往复振荡。在反应进行时，系统中[Br-]、[HbrO2]、[Ce+3]、[Ce+4]都随时间作周期性的变化，实验中，可以用溴离子选择电极测定[Br-]，用铂丝电极测定[Ce+4]、[Ce+3]随时间变化的曲线。溶液的颜色在黄色和无色之间振荡，若再加入适量的FeSO4邻菲咯啉溶液，溶液的颜色将在蓝色和红色之间振荡。从加入硫酸铈铵到开始振荡的时间为t诱，诱导期与反应速率成反比，即，并得到（C21.2）作图，根据斜率求出表观活化能。本实验使用BZOAS-IIS型BZ反应数据采集接口系统（一体化）含磁力搅拌，反应器及专用电极，南京大学应用物理研究所BZ振荡专用软件及超级恒温水浴HK-2A，并与微型计算机相连。通过接口系统测定电极（Pt与甘汞电极）的电势信号，经通讯口传送到PC。自动采集处理数据。如图C21.1所示。BZOAS-IIS型BZ反应数据采集接口系统仪器的前面板上有2个输入通道，用于输入BZ振荡电压信号和温度传感器信号，和一个通断输出控制通道，可用于控制恒温槽。温度传感器用于测温。仪器的后面板上有电源开关、保险丝座和串行口接口插座。具体接线方法：铂电极接电压输入正端（+），参比电极接电压输入负端（-）。将仪器后面板上的串行口接计算机的串行口一（必须串行口一）。图C21.1实验装置示意图南京大学应用物理研究所BZ反应数据采集接口系统软件：双击Windows桌面上BZ振荡反应软件图标，即进入软件首页。如果要进入实验，单击继续键进入主菜单。主菜单：有如下菜单项：参数矫正；参数设置；开始实验；数据处理；退出。参数校正菜单：两个子菜单项，‘温度参数校正’和‘电压参数校正’。电压参数一般情况下不需校正。如需要进行温度参数校正，方法如下：将恒温槽调至一特定温度，例20.0℃，把温度传感器插入HK-2A型恒温槽中。进入温度参数矫正子菜单，观察传感器送来的信号，待信号稳定后，输入当前温度值（20.0），单击低点部位的确定键。将恒温槽温度升高至30.0℃，观察传感器的信号稳定后，输入当前温度值（30.0），单击高点部位的确定键。再单击最下方的“确定键”。图C21.2数据采集窗口图C21.3数据处理窗口参数设置菜单：有子菜单：横坐标极值；纵坐标极值；纵坐标零点；起波阈值；目标温度；画图起始点设定。功能按钮：确定；退出。横坐标极值：用于设置绘图区的横坐标范围，单位为秒。纵坐标极值：用于设置绘图区的纵坐标最大值，单位为毫伏。纵坐标零点：用于设置实验绘图区的纵坐标零点，单位为毫伏。起波阈值：当发现起波时间识别不正确时，可以调节起波阈值。可在1-20毫伏范围内调节。目标温度：设定实验的反应温度。画图起始点：设定实验一开始就画图或起波后开始画图；开始实验菜单：有五个子菜单：开始实验；修改目标温度；查看峰谷值；读入实验波形；打印。功能按钮：退出。在此窗口，采集记录振荡曲线。如图C21.2所示。数据处理菜单：有三个子菜单：使用当前实验数据进行数据处理；从数据文件中读取数据；打印。功能按钮：退出。“使用当前实验数据进行数据处理”可将界面上的数据进行处理，或对输入的数据进行处理，画出ln(1/t诱)～1/T图并求出表面活化能。如图C21.3所示。3仪器与试剂（仪器生产厂家：南京南大万和科技有限公司）详见BZOAS-IIS型BZ反应数据采集接口系统微型计算机HK-2A型恒温槽反应器磁力搅拌器丙二酸0.45mol·dm-3溴酸钾0.25mol·dm-3硫酸3.00mol·dm-3硫酸铈铵4×10-3mol·dm-34实验步骤1)按图示检查仪器连线。铂电极接接口装置电压输入正端（+），参比电极接接口装置电压输入负端（-）。将接口装置的温度传感器探头插入HK-2A型恒温槽的水浴中，并固定好。2)接通恒温槽电源，将恒温水通入反应器，将恒温槽温度设定至25.0℃。接通BZOAS-IIS型BZ振荡反应数据采集接口装置电源。启动微机。运行BZ振荡反应实验软件，进入主菜单。3)进入参数设置菜单。设置横坐标极值800s；纵坐标极值1220mV；纵坐标零点800mV；起波阈值6mV（默认设置为6mV，一般不需改变）；画图起始点设定为实验一开始就画图；目标温度25.0℃。然后，确定，退出。4)进入开始实验菜单。等待恒温槽达到设定温度并在软件窗口出现提示，并确认。5)在反应器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各15ml，打开磁力搅拌器，并调节好搅拌速度，实验过程中不得改变搅拌速度。取硫酸铈铵溶液15ml，放入一锥形瓶中，置于恒温槽水浴中。6)恒温5min后，单击“开始实验”键，根据提示，选择“保存实验波形”，输入BZ振荡反应即时数据存储文件名，使用默认的文件扩展名（.dat），但此时不要单击输入文件名窗口中的“OK”键。注意：全部实验要测定记录6个温度下的实验数据，每个温度下都需要输入相应的数据存储文件名，全部实验数据将存在6个数据文件（****.dat）中，实验操作结束后要对数据文件中存储的数据进行处理。因此所取文件名应采用编号加以区别，以免文件名重名，后面的数据文件将前面的数据文件覆盖。例如刘姓同学将6个温度下的数据文件取名为liu25.dat、liu30.dat、…、liu50.dat。7)将恒温后的硫酸铈铵溶液15ml加入到反应器中，立即单击输入文件名窗口中的“OK”键，系统开始采集记录显示电位信号。8)观察反应器中溶液颜色变化和记录的电位曲线，待画完10个振荡周期或曲线运行到横坐标最右端后，单击“停止实验”键，停止信号采集。此时可以单击“查看峰谷值”，观察各波的峰、谷值。9)用去离子水淋洗电极，倒掉反应器中的溶液，注意酸性溶液有腐蚀性！用自来水清洗反应器，用去离子水涮洗反应器。10)单击“修改目标温度”键，设置温度为30.0℃。将恒温槽温度设定至30.0℃。软件系统等待温度到达设定值。11)在反应器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各15ml。取硫酸铈铵溶液15ml，放入一锥形瓶中，置于恒温槽水浴中。12)等待恒温槽温度达到设定值30.0℃，并在软件窗口出现提示，确认。13)恒温5min后，单击“开始实验”键，根据提示输入BZ振荡反应即时数据存储文件名，注意改变文件名中的序号。将恒温后的硫酸铈铵溶液15ml加入到反应器中，立即单击“OK”键，系统开始采集记录显示电位信号。14)观察反应器中溶液颜色变化和记录的电位曲线，待画完10个振荡周期或曲线运行到横坐标最右端后，单击“停止实验”键，停止信号采集。此时可单击“查看峰谷值”，观察各波的峰、谷值。15)用去离子水淋洗电极，倒掉反应器中的溶液，注意酸性溶液有腐蚀性！用自来水清洗反应器，用去离子水涮洗反应器。16)重复10～15步骤，改变温度为35℃、40℃、45℃、50℃，重复实验。17)实验完成后，单击“退出”键退出，此时会有提示“是否保存实验数据”，单击“yes”，出现对话框“请输入保存实验数据文件名”，输入文件名后再单击“yes”，将此次实验的不同反应温度下的起波时间保存入文件。18)关闭仪器（接口装置、磁力搅拌器、恒温槽）电源。19)在微机上处理实验数据。5数据处理1)作电位～时间图：利用本实验软件“开始实验”→“读入实验波形”作图，也可利用通用数据处理软件，例如Origin、Excel等，根据各个温度下数据文件中记录的数据，作出各个温度下的电位～时间图。取用数据时注意各个数据文件的最后一行记录的是温度和。测量软件系统判断的可能不准确。可以自己重新判断确定每个温度下的。2)作图，根据斜率求出表观活化能：作图有2种方法：a.进入BZ振荡反应软件，进入“数据处理”菜单，对实验数据进行处理。b.利用通用数据处理软件完成，例如Origin、Excel等。3)将各个温度下的电位～时间图和图粘贴到一个WORD文档中，写上班号、姓名、实验日期等，在一页纸上打出。4)对振荡曲线进行解释。6注意事项1）所使用的反应容器一定要清洗干净，搅拌子位置及搅拌速度都应加以控制。2）小心使用硫酸溶液，避免对实验者和仪器设备造成腐蚀。7思考题1）什么是化学振荡现象？产生化学振荡需要什么条件？2）本实验中直接测定的是什么量？目的是什么？参考文献：南京大学出版社物理化学实验，复旦大学物化实验教材，山东大学物化实验教材，南京南大万和科技有限公司官方网站。