BZ振蕩反應(yīng)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

B-Z振蕩反響實(shí)驗(yàn)日期：2023/11/24完成報(bào)告日期：2023/11/25引言實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解Belousov-Zhabotinski反響〔簡(jiǎn)稱B-Z反響〕的機(jī)理。2.通過(guò)測(cè)定電位——時(shí)間曲線求得振蕩反響的表觀活化能。1.2實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于以B-Z反響為代表的化學(xué)振蕩現(xiàn)象，目前被普遍認(rèn)同的是Field，kooros和Noyes在1972年提出的FKN機(jī)理，，他們提出了該反響由薩那個(gè)主過(guò)程組成：過(guò)程A①②式中為中間體，過(guò)程特點(diǎn)是大量消耗。反響中產(chǎn)生的能進(jìn)一步反響，使有機(jī)物MA如丙二酸按下式被溴化為BrMA,(A1)(A2)過(guò)程B③④這是一個(gè)自催化過(guò)程，在消耗到一定程度后，才轉(zhuǎn)化到按以上③、④兩式進(jìn)行反響，并使反響不斷加速，與此同時(shí)，催化劑氧化為。在過(guò)程B的③和④中，③的正反響是速率控制步驟。此外，的累積還受到下面歧化反響的制約。⑤過(guò)程CMA和使離子復(fù)原為，并產(chǎn)生〔由〕和其他產(chǎn)物。這一過(guò)程目前了解得還不夠，反響可大致表達(dá)為：⑥2++f+2+其他產(chǎn)物式中f為系數(shù)，它是每?jī)蓚€(gè)離子反響所產(chǎn)生的數(shù)，隨著與MA參加反響的不同比例而異。過(guò)程C對(duì)化學(xué)振蕩非常重要。如果只有A和B，那就是一般的自催化反響或時(shí)鐘反響，進(jìn)行一次就完成。正是由于過(guò)程C，以有機(jī)物MA的消耗為代價(jià)，重新得到和，反響得以重新啟動(dòng)，形成周期性的振蕩。丙二酸的B-Z反響，MA為，即為，總反響為：它是由①+②+4×③+4×④+2×⑤+5×〔A1〕+5×〔A2〕，再加上⑥的特征，組合而成。但這個(gè)反響式只是一種計(jì)量方程，并不反響實(shí)際的歷程。按在FKN機(jī)理的根底上建立的俄勒岡模型，可以導(dǎo)得，振蕩周期t振與過(guò)程C即反響步驟⑥的速率系數(shù)以及有機(jī)物的濃度呈反比關(guān)系，比例常數(shù)還與其他反響步驟的速率系數(shù)有關(guān)。當(dāng)測(cè)定不同溫度下的振蕩周期t振，如近視地忽略比例常數(shù)隨溫度的變化，可以估算過(guò)程C即反響步驟⑥的表觀活化能。另一方面，隨著反響的進(jìn)行，逐漸減小，振蕩周期將逐漸增大。2實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)用品計(jì)算機(jī)及接口一套〔或其他電勢(shì)差數(shù)據(jù)記錄設(shè)備〕；THGD-0506高精度低溫恒溫浴槽；78-2型雙向磁力加熱攪拌器；反響器1個(gè)；鉑電極1個(gè)；飽和甘汞電極1個(gè)；滴瓶3個(gè)；量筒3個(gè)；2ml移液管1支；洗瓶1個(gè)；鑷子1把。0.02mol/L硝酸鈰銨；0.5mol/L丙二酸；0.2mol/L溴酸鉀；0.8mol/L硫酸。實(shí)驗(yàn)裝置圖2.2實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)室溫為17.5℃，氣壓為101.29kPa。實(shí)驗(yàn)分別在20℃、25℃、30℃、35℃。實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)檢查好儀器樣品，按照裝置圖接好電路。其中，鉑電極接在正極上，飽和甘汞電極接在負(fù)極上，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需檢查甘汞電極中的液面是否適宜以及是否有氣泡等。接通相應(yīng)設(shè)備電源，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)采集。調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為20℃。分別取7ml丙二酸、15ml溴酸鉀、18ml硫酸溶液于干凈的反響器中，開(kāi)動(dòng)攪拌。翻開(kāi)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，待基線走穩(wěn)后，用移液管參加2ml硝酸鈰銨溶液。觀察溶液的顏色變化及反響曲線，待重復(fù)8~10次完整周期后，停止數(shù)據(jù)記錄，保存數(shù)據(jù)文件，記錄恒溫槽溫度，從數(shù)據(jù)文件中讀出相應(yīng)的誘導(dǎo)期和振蕩周期。后依次升溫至25℃、30℃、35℃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。3結(jié)果與討論3.1原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)丙二酸溶液的濃度為0.5mol/L；溴酸鉀溶液的濃度為0.2mol/L；硝酸鈰銨溶液的濃度為0.02mol/L；硫酸溶液的濃度為0.8mol/L。1.t=20℃20℃時(shí)電壓~時(shí)間關(guān)系曲線〔振蕩曲線〕2.t=25℃25℃時(shí)電壓~時(shí)間關(guān)系曲線〔振蕩曲線〕3.t=30℃30℃時(shí)電壓~時(shí)間關(guān)系曲線〔振蕩曲線〕4.t=35℃35℃時(shí)電壓~時(shí)間關(guān)系曲線〔振蕩曲線〕5.現(xiàn)象觀察：參加硝酸鈰銨溶液后，溶液顯淺黃色。出現(xiàn)振蕩后，隨著電壓的降低，溶液顏色逐漸變淺直至消失；而后，溶液顏色突然出現(xiàn)，隨之電壓開(kāi)始快速升高，到達(dá)最高處時(shí)顏色最深。3.2計(jì)算的數(shù)據(jù)、結(jié)果1.誘導(dǎo)期及表觀活化能E誘根據(jù)所得的電壓-時(shí)間曲線，利用origin讀出誘導(dǎo)起始和終止點(diǎn)并可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的誘導(dǎo)期，列表如下：各溫度下誘導(dǎo)起始和終止點(diǎn)及誘導(dǎo)期溫度/℃20253035誘導(dǎo)起始點(diǎn)/s68.4375156.0625133.910269.4492誘導(dǎo)終止點(diǎn)/s580.418508.9531400.75252.2188誘導(dǎo)期/s511.9805352.8906266.8398182.7696因此即可得ln(1/t誘)和1/T數(shù)值如下表：各溫度下ln(1/t誘)和1/T數(shù)值溫度/℃202530351/(T/℃)0.0034130.0033560.0033000.003247ln(1/t誘)-6.2383-5.8662-5.5866-5.2082根據(jù)所得數(shù)值，作出ln(1/t誘)~1/T圖像如下：ln(1/t誘)~1/T關(guān)系及擬合直線擬合直線方程為y=-6080.6x+14.517，擬合系數(shù)為0.998。由阿累尼烏斯公式知，直線斜率為-Ea/R，因此有：E誘=-m×R=6080.6×8.314=50.55kJ/mol2.振蕩周期及表觀活化能E振根據(jù)所得的電壓-時(shí)間曲線，利用origin讀出各個(gè)振蕩周期的峰值并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的振蕩周期，列表如下：各溫度下振蕩周期溫度/℃20253035振蕩周期1/s86.071867.937540.324226.2071振蕩周期2/s90.621169.468739.250026.6601振蕩周期3/s86.597671.507840.265627.7071振蕩周期4/s93.132969.453241.230528.1875振蕩周期5/s88.636728.1914平均值/s89.012055.673432.214127.3906因此即可得ln(1/t振)和1/T數(shù)值如下表：各溫度下ln(1/t振)和1/T數(shù)值溫度/℃202530351/(T/℃)0.0034130.0033560.0033000.003247ln(1/t振)-4.4888-4.0195-3.4724-3.3102根據(jù)所得數(shù)值，作出ln(1/t振)~1/T圖像如下：ln(1/t振)~1/T關(guān)系及擬合直線擬合直線方程為y=-7386.1x+20.765，擬合系數(shù)為0.98。由阿累尼烏斯公式知，直線斜率為-Ea/R，因此有：E振=-m×R=7386.1×8.314=61.41kJ/mol3.3討論分析1.現(xiàn)象觀察實(shí)驗(yàn)中溶液顏色出現(xiàn)周期性的變化，在振蕩電壓升高即曲線下降時(shí)，溶液顏色由黃色變無(wú)色，主要是由于發(fā)生了以下反響：溶液中顯黃色的離子變成了無(wú)色的離子。在電壓降低時(shí)即曲線上升時(shí)，反映體系顏色由無(wú)色變?yōu)辄S色，主要是由于發(fā)生了如下反響：溶液中無(wú)色的離子又變成了顯黃色的離子。2.誤差來(lái)源1確定誘導(dǎo)期和振動(dòng)周期時(shí)，由于是肉眼觀察圖像取點(diǎn)，具有很大的不確定性，容易引起誤差。從數(shù)據(jù)可以看出振動(dòng)周期之間差異較大，也說(shuō)明了這一點(diǎn)。2雖然我們通過(guò)恒溫槽將溫度設(shè)定為固定值，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)溫度仍然存在著一定程度的波動(dòng)，使記錄值與平均值存在偏差。3做直線擬合時(shí)只有4組數(shù)據(jù)，樣本太小。3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程異?，F(xiàn)象分析本次實(shí)驗(yàn)在我們最初測(cè)第一組數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)曲線產(chǎn)生了非常劇烈的波動(dòng)，經(jīng)檢查是因?yàn)楦使姌O內(nèi)部存在氣泡，導(dǎo)致電路不暢。換了甘汞電極排除氣泡后我們?cè)俅芜M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)仍有類似波動(dòng)。仔細(xì)排查后發(fā)現(xiàn)是由于甘汞電極插入反響液的深度不夠，以致在攪拌過(guò)程中頻繁暴露在空氣中，造成電位異常。4.改良意見(jiàn)建議改良裝置使電極固定得更穩(wěn)，并且不要將電路觸點(diǎn)暴露在外面，防止機(jī)械干擾。4.結(jié)論實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納如下：各溫度下誘導(dǎo)期振蕩周期及表觀活化能溫度/℃20253035表觀活化能(kJ/mol)誘導(dǎo)期/s512.0352.9266.8182.850.55振蕩周期/s89.055.732.227.390661.415參考文獻(xiàn)[1]《根底物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》清華大學(xué)出版社賀德華，麻英，張連慶編[2]《根底物理化學(xué)》清華大學(xué)出版社朱文濤編6附錄〔思考題〕1.鹵素離子都很容易和反響，如果在振蕩反響的開(kāi)始或是中間參加這些離子，將會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？試用FKN機(jī)理加以分析。答：由FKN機(jī)理知鹵素離子主要參與反響步驟A，而系統(tǒng)從A轉(zhuǎn)入B的條件是鹵素離子的濃度下降。因此假設(shè)參加鹵素離子，步驟A的持續(xù)時(shí)間將會(huì)變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致整個(gè)誘導(dǎo)期和振蕩周期變長(zhǎng)。2.為什么B－Z反響有誘導(dǎo)期？反響何時(shí)進(jìn)入振蕩期？答：因?yàn)榉错懙恼袷幮枰獌煞N價(jià)態(tài)的鈰離子。剛開(kāi)始參加的只是，當(dāng)隨著反響的進(jìn)行產(chǎn)生了足夠的后，系統(tǒng)便進(jìn)入了振蕩期。3.影響誘導(dǎo)期的主要因素有哪些？答：(1)溫度：根據(jù)Arrhenius方程，溫度越高，k值越大，反響速率越快。(2)的值：假設(shè)剛開(kāi)始參加鈰離子時(shí)，就有適當(dāng)?shù)闹担敲丛谡T導(dǎo)期不需要產(chǎn)生太多，反響便可進(jìn)入振蕩期。(3)反響液的濃度：在速率方程里，濃度與反響速率有直接關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，反響液濃度越高，反響速率越快。4