13 BZ振蕩反應(yīng).doc

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)BZ振蕩反應(yīng)實(shí)驗(yàn)十三 BZ振蕩反應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解BZ振蕩反應(yīng)的基本原理；體會(huì)自催化過(guò)程是產(chǎn)生振蕩反應(yīng)的必要條件。2.初步理解耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制。3.掌握測(cè)定反應(yīng)系統(tǒng)中電勢(shì)變化的方法；了解溶液配制要求及反應(yīng)物投放順序。二、實(shí)驗(yàn)原理自然界存在大量遠(yuǎn)離平衡的敞開(kāi)系統(tǒng)，它們的變化規(guī)律不同于通常研究的平衡或近平衡的封閉系統(tǒng)，與之相反，它們是趨于更加有秩序、更加有組織。由于這類(lèi)系統(tǒng)在其變化過(guò)程中與外部環(huán)境進(jìn)行了物質(zhì)和能量的交換，并且采用了適當(dāng)?shù)挠行蚪Y(jié)構(gòu)來(lái)耗散環(huán)境傳來(lái)的物質(zhì)和能量，這樣的過(guò)程稱(chēng)為耗散過(guò)程。受非線性動(dòng)力學(xué)控制，系統(tǒng)變化顯示了時(shí)間、空間的周期性規(guī)律。目前研究的較多、較清楚的典型耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為BZ振蕩反應(yīng)系統(tǒng)，即有機(jī)物在酸性介質(zhì)中被催化溴氧化的一類(lèi)反應(yīng)，如丙二酸在Ce4+的催化作用下，自酸性介質(zhì)中溴氧化的反應(yīng)。BZ振蕩反應(yīng)是用首先發(fā)現(xiàn)這類(lèi)反應(yīng)的前蘇聯(lián)科學(xué)家Belousov及Zhabotinsky的名字而命名的，其化學(xué)反應(yīng)方程式為： （13-1）真實(shí)反應(yīng)過(guò)程是比較復(fù)雜的，該反應(yīng)系統(tǒng)中HBrO2中間物是至關(guān)重要的，它導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)自催化過(guò)程發(fā)生，從而引起反應(yīng)振蕩。為簡(jiǎn)潔的解釋反應(yīng)中有關(guān)現(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)過(guò)程適當(dāng)簡(jiǎn)化如下：當(dāng)Br濃度不高時(shí)，產(chǎn)生的HBrO2中間物能自催化下列過(guò)程： （13-2） （13-3）在反應(yīng)（13-3）中快速積累的Ce4+又加速了下列氧化反應(yīng)： （13-4）通過(guò)反應(yīng)（13-4），當(dāng)達(dá)到臨界濃度值后，反應(yīng)系統(tǒng)中下列反應(yīng)成為主導(dǎo)反應(yīng)： （13-5） （13-6）反應(yīng)（13-6）與反應(yīng)（13-2）對(duì)HBrO2競(jìng)爭(zhēng)，使得反應(yīng)（13-2）、（13-3）幾乎不發(fā)生。Br不斷消耗，當(dāng)Br消耗到臨界值以下，則反應(yīng)（13-2）、（13-3）為主導(dǎo)作用，而反應(yīng)（13-5）、（13-6）幾乎不發(fā)生。由此可見(jiàn)，反應(yīng)系統(tǒng)中Br濃度的變化相當(dāng)于一個(gè)“啟動(dòng)”開(kāi)關(guān)，當(dāng)時(shí)，反應(yīng)（13-2）、（13-3）起主導(dǎo)作用，通過(guò)反應(yīng)（13-4）不斷使Br積累；當(dāng)時(shí)，反應(yīng)（13-5）、（13-6）起主導(dǎo)作用，Br又被消耗。由于反應(yīng)（13-2）、（13-3）中存在自催化過(guò)程，使動(dòng)力學(xué)方程式中出現(xiàn)非線性關(guān)系，導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。Br在（13-5）、（13-6）中消耗，又在反應(yīng)（13-4）中產(chǎn)生；Ce3+、Ce4+分別在（13-3）、（13-4）中消耗和產(chǎn)生，所以Br、Ce3+、Ce4+在反應(yīng)過(guò)程中濃度會(huì)出現(xiàn)周期性變化，而和反應(yīng)物，在反應(yīng)過(guò)程中不斷消耗，不會(huì)再生，因此，它們不會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。值由反應(yīng)（13-2）、（13-6）可求得所以 三、儀器與試劑NDM-1電壓測(cè)量?jī)x； SYC-15B超級(jí)恒溫水浴；磁力攪拌器； 反應(yīng)器100ml；217型甘汞電極； 213型鉑電極；數(shù)據(jù)采集接口裝置； 計(jì)算機(jī)；溴酸鉀（GR）； 硝酸鈰銨（AR）；丙二酸（AR）； 濃硫酸（AR）。四、儀器裝置連接圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1.用1.00硫酸作217型甘汞電極液體；2.按圖連接好儀器，打開(kāi)超級(jí)恒溫水浴，將溫度調(diào)節(jié)至25.00.1；3.配制0.45丙二酸250ml、0.25溴化鉀250ml、3.00硫酸250ml；在0.20硫酸介質(zhì)中配制的硫酸鈰銨250ml；4.在反應(yīng)器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸鉀溶液、硫酸溶液各15ml；5.打開(kāi)磁力攪拌器，調(diào)節(jié)合適速度；6.將精密數(shù)字電壓測(cè)量?jī)x置于分辨率為0.1mV檔（即電壓測(cè)量?jī)x的2V檔），且為“手動(dòng)”狀態(tài)，甘汞電極接負(fù)極，鉑電極接正極；7.恒溫5min后，加入硫酸鈰銨溶液15ml，觀察溶液顏色的變化，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)并記錄相應(yīng)的變化電勢(shì)；8.電勢(shì)變化首次到最低時(shí)，記下時(shí)間；9.用上述方法將溫度設(shè)置為30、35、40、45、50重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并記下；10.根據(jù)與溫度數(shù)據(jù)作圖。六、注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)中溴酸鉀試劑要求純度高，為GR級(jí)；其余為AR級(jí)。2.配制硫酸鈰銨溶液時(shí)，一定要在0.2硫酸介質(zhì)中配制，防止發(fā)生水解呈渾濁。3.反應(yīng)器應(yīng)清潔干凈，轉(zhuǎn)子位置和速度都必須加以控制。4.電壓測(cè)量?jī)x一定要置于0.1mV分辨率的手動(dòng)狀態(tài)下。5.跟電腦連接時(shí)，要用