Transcript 实验十三B-Z振荡反应 - 山西大学化学实验中心

BZ 振荡反应
.实验目的
• 了解B-Z振荡反应的基本原理。
• 掌握在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂
时，丙二酸被溴酸氧化的基本原理。
• 初步了解自然界中普遍存在的非平衡非线
形问题。
实验原理
• 非平衡非线性问题是自然科学领域中普遍存在的
问题。最典型的耗散结构是BZ体系的时空有序结
构。
• 实验研究表明：当化学反应体系处于远离平衡条
件下，由于反应体系中的各种非线性过程的作用 ，
呈现出极其丰富的动力学行为．例如，化学振荡、
空间有序结构 、化学波 、化学混沌等。
• 通常把化学 反应体系的各种时空有序结构称为非
线性化学现象 ，简称为非线性化学．非线性化学
作为一门新的交叉 学科正在形成之中，它已经成
为化学发展中的一个新的生长点。
BZ化学振荡体系
• 有些 自催化反应有可能使反应体系中某些物质的浓
度随时间(或空间)发生周期性的变化，这类反应称为
化学振荡反应。
• 最著名的化 学振 荡反应是 1959年 首先由别诺索夫
(Belousov)观察发现，随后柴波廷斯基(Zhabotinsky)
继续了该反应的研究．他们报道了以金属铈离子作
催化剂时 ，柠檬酸被 HBrOs氧化可发生化学振荡现
象，后来又发现了一批溴酸盐的类似反应，人们把
这类反应称为 B—Z振荡反应。
BZ反应机理
• BZ反应是一个由许多溴的自歧化反应耦合
在一起的自催化反应体系．对于 BZ反应体
系的振荡反应机理，目前比较普遍为人们
接受的是由 Fiel，Koros和 Noyes提 出的关
于在硫酸介质中的金属铈离子作催化剂时
丙二酸被溴酸氧化的机理 ，简称 FKN机理。
• 反应有 3个主过程组成 ：

过程 A ：（ 1） Br
 BrO

（ 2） Br
 HBrO
过程 B ：（ 3） HBrO
（4） BrO
2
（5）2 HBrO
过程 C ：（ 6）4 Ce
2 Br
4

3
 2H
2
 BrO
 Ce
2
3
2

H
3

H
H
 BrO
 HBrO

3

 HBrO
2
 2 HBrO

 BrO
 HBrO
H

2
2
 H 2O
 Ce
4
 HBrO
 BrCH ( OOH ) 2  H 2 O  HBrO 
 4 Ce
3
 3 CO 2  6 H

• 过程 A是消耗 Br-，产生能进一步反应的 HBrO2，
HBrO为中间产物。
• 过程 B是一个 自催化过程 ，在 Br-消耗到一定程
度后，HBrO2才按式 (3)、(4)进行反应 ，并使反应
不断加速 ，与此同时 ，Ce3+被氧化为 Ce4+，
HBrO2的累积还受刭式(5)的制约。
• 过程 C为丙二酸被溴化为 BrCH(OOH)2，与 Ce4+
反应生成 Br-，使 Ce4+还原为 Ce3+ 。
• 过程 C对化学振荡非常重要 ，如果只有．A
和 B，就是一般的 自催化反应 ，进行一次
就完成了，正是 C 的存在，以丙二酸的消
耗为代价 ，重新得到 Br-和 Ce3+，反应得以
再启动，形成周期性的振荡。
• 该体系的总反应为：
3H

 3 BrO
3
 5 CH 2 ( COOH ) 2  3 BrCH ( COOH ) 2
 5 H 2 O  4 CO 2  2 HCOOH
BZ反应产生条件
• 反应必须远离平衡态．化学振荡只有在远
离平衡态 ，并具有很大的不可逆程度时才
能发生，在封 闭体系中振荡是衰减的，在
敞开体系中，可以期待持续振荡。
• 反应历程中应包括 自催化的步骤，产物之
所以能加速反应 ，因为是自催化反应，如
过程中的产物 HBrO2同时又是反应物。
• 体系必须有两个稳态存在，即具有双稳定性。
• 本实验中，体系中存在着两个受溴离子浓度
控制的过程A和B，当[Br-]浓度高于临界浓度
[Br-]crit时发生A过程，当[Br-]低于[Br-]crit时发
生B过程。也就是说[Br-]起着开关作用，它
控制着从A到B过程，再由B到A过程的转变。
仪器与药品
• 反应器100mL1只；超级恒温槽1台；磁力搅拌器1
台；BZ振荡反应数据采集接口装置；计算机一台；
217型甘汞电极（用1mol L-1硫酸作液接）
• 丙二酸（A.R.）；溴酸钾（G.R.）；硫酸铈铵
（A.R.）；硫酸（A.R.）
实验步骤
1. 打开BZ振荡反应数据采集接口装置电源，打
开超级恒温浴槽，设定初始温度为25℃。打
开磁力搅拌器。注意整个实验中不得改变搅
拌速度。
2. 打开电脑桌面上的BZ软件，设置绘图区坐标
（横坐标极值1800秒，纵坐标极值1300毫伏，
纵坐标零点950毫伏）和设置反应温度，温度
设为25℃。
• 配制丙二酸，溴酸钾，硫酸，硫酸铈铵溶
液。
•
进入开始实验菜单，当系统控温完成出现
提示后，在反应器中加入浓度为1.0mol/L
的丙二酸5ml，浓度为0.2mol/L的溴酸钾
12.5ml，浓度为1.5mol/L的硫酸各20ml混
合。
•
恒温5min后按下开始实验按钮，根据提示
输入BZ振荡反应即时数据存储文件名。加
入浓度为0.04mol/L硝酸铈铵溶液3ml后，
按OK键进行实验。
•
观察反应曲线，待画完4个波形反应完成
后，按停止实验，记录起波时间。按察看
峰谷值键可以察看各波的峰、谷值。
•
按修改目标温度键修改反应温度。用上述
方法改变温度为30℃、35℃、40℃、45℃、
50℃时重复上述4-6步。
•
实验完成后按退出键退出，按“是”保存实
验数据，并输入要保存的数据文件名称。
注意事项
•
•
•
•
•
实验中溴酸钾试剂纯度要求高。
217型甘汞电极用1molL-1H2SO4作液接。
配制0.004molL-1的硫酸铈铵溶液时，一定要在
0.20molL-1硫酸介质中配制。防止发生水解呈混浊。
实验中所使用的反应容器一定要冲洗干净，转子位
置及速度都必须加以控制。
影响振荡周期的因素主要是温度，除此之外，还可
能与各反应物的浓度与纯度有关。
思考问题
• 请说明实验误差引起的主要因素是什么？
• 为什么BZ振荡反应有诱导期？反应何时进
入振荡期？
• 系统中哪一步反应对振荡行为最为关键？
为什么？
参考文献
• 辛厚文,非线性化学[M],合肥,中国科技大学出版社，
1999.
• I.普里戈金 ，G.尼可里斯,非平衡系统的自组织[M],
北京,科学出版社，1986.
• 原春兰 ,李宗孝,王建朝,氨基酸-BrO3-Mn2+-H2SO4丙酮体系的振荡反应,物理化学学报,1994,(1):87 .
• 顾月姝,基础化学实验(Ⅲ)-物理化学实验[M],北京,
化学工业出版社，2004.