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BZ振荡反应-实验报告B-Z振荡反应实验日期：2016/11/24 完成报告日期：2016/11/251引言1.1实验目的1 . 了解 Belousov-Zhabotinski 反应(简称 B-Z 反应)的机理2 .通过测定电位一一时间曲线求得振荡反应的 表观活化能1.2实验原理对于以B-Z反应为代表的化学振荡现象，目前被普遍认同的是 Field, kooros和 Noyes在 1972年提出的FKN机理… 他们提出了该反应 由萨那个主过程组成:过程 ABrO3 Br 2H HBrO2 HOBr公 HBrO2 Br H 2HOBr式中HBrO2为中间体，过程特点是大量消耗Br反 应中产生的HOB「能进一步反应，使有机物MA如 丙二酸按下式被澳化为BrMA,(A1) HOBr Br H Bj H2O(A2) Br2 MA BrMA Br H过程BBrO3 HBrO2 H 倜 2BrO2 H2O④ 2BrO2g 2Ce3 2H 2HBrO2 2Ce4这是一个自催化过程，在Br消耗到一定程度 后，HBd才转化到按以上③、④两式进行反应， 并使反应不断加速，与此同时，催化剂 Ce3氧化为Ce4。

在过程B的③和④中，③的正反应是速 率控制步骤此外，HBrO2的累积还受到下面歧化 反应的制纵⑤ 2HBrO2 BrO3 HOBr H过程C MA和3皿人使a4离子还原为Ce3 ,并 产生Br （由BrMA）和其他产物这一过程目前了 解得还不够，反应可大致表达为：⑥ 2ce4 +MA+BrMA f Br +2 ce3 + 其他产物式中f为系数，它是每两个Ce4离子反应所产 生的Br数，随着BrMA与MA参加反应的不同比例 而异过程C对化学振荡非常重要如果只有A 和B,那就是一般的自催化反应或时钟反应， 进行一次就完成正是由于过程 C,以有机物MA 的消耗为代价，重新得到Br和硬，反应得以重 新启动，形成周期性的振荡丙二酸的 B-Z 反应,MA 为 CH2(COOH)2, BrMA 即为BrCH(C00H %,总反应为：_ ___ _ ___ Ce3 ___ ____ __ _3H 3BrO3 5CH 2(C00H )2 3BrCH (COOH )2 2HCOOH 4C02 5H20它是由① +②+4X③+4X④+2X⑤+5X(A1) +5X (A2),再加上⑥的特征，8Ce4 2BrCH(COOH” 4H2O 8Ce3 2Br 2HCOOH 4CO2 10H 组合而成。

但这个反应式只是一种计量方程，并 不反应实际的历程按在FKN机理的基础上建立的俄勒冈模 型，可以导得，振荡周期t振与过程C即反应步 骤⑥的速率系数k以及有机物的浓度cB呈反比关 系，比例常数还与其他反应步骤的速率系数有 关当测定不同温度下的振荡周期t振，如近视地 忽略比例常数随温度的变化，可以估算过程 C 即反应步骤⑥的表观活化能另一方面，随着反应的进行，CB逐渐减小，振荡周期将逐渐增大2实验操作2.1 实验用品计算机及接口一套（或其他电势差数据记录 设备）；THGD-0506高精度低温恒温浴槽；78-2 型双向磁力加热搅拌器；反应器1个；钳电极1 个；饱和甘汞电极1个；滴瓶3个；量筒3个； 2ml移液管1支；洗瓶1个；镣子1把0.02 mol/L 硝酸铀镂；0.5mol/L 丙二酸； 0.2 mol/L 澳酸钾；0.8 mol/L 硫酸实验装置图2.2 实验条件实验室温为17.5 C,气压为101.29 kPa实验分别在 20C、25C、30C、35Co2.3 实验操作步骤及方法要点检查好仪器样品，按照装置图接好电路其 中，钳电极接在正极上，饱和甘汞电极接在负极 上，在进行实验之前需检查甘汞电极中的液面是 否合适以及是否有气泡等。

接通相应设备电源， 准备数据采集调节恒温槽温度为20 C分别取7ml丙二 酸、15ml澳酸钾、18ml硫酸溶液于干净的反 应器中，开动搅拌打开数据记录设备，开始数 据采集，待基线走稳后，用移液管加入 2ml硝酸铀镂溶液观察溶液的颜色变化及反应曲线，待重复 8~10次完整周期后，停止数据记录，保存数据 文件，记录恒温槽温度，从数据文件中读出相应 的诱导期和振荡周期后依次升温至25C、30C、 35 C,进行实验操作3结果与讨论3.1原始实验数据丙二酸溶液的浓度为0.5mol/L ;溟酸钾溶液 的浓度为0.2mol/L;硝酸铀镂溶液的浓度为 0.02mol/L ;硫酸溶液的浓度为 0.8mol/L1. t = 20 C2. t =3. t =4. t =20c时电压〜时间关系曲线（振荡曲线）25 C回BOQ । 0 卸I 400 600 800时他I25c时电压〜时间关系曲线（振荡曲线）30 C30c时电压〜时间关系曲线（振荡曲线）35 c10501DM95C75070c600 0Q 100 ZOO 300

出现振 荡后，随着电压的降低，溶液颜色逐渐变浅直至 消失；而后，溶液颜色突然出现，随之电压开始 快速升高，达到最高处时颜色最深3.2计算的数据、结果1 .诱导期及表观活化能E诱根据所得的电压-时间曲线，利用origin读出 诱导起始和终止点并可计算出对应的诱导期，列 表如下：各温度下诱导起始和终止点及诱导期温度/C 20 25 30 35诱导起 68.4375 156.0625 133.9102 69.4492始点/s诱导终 580.418 508.9531 400.75 252.2188止点/s诱导期 511.9805 352.8906 266.8398 182.7696 /s因此即可得ln（1/ t诱）和1/T数值如下表：各温度下ln（1/ t诱）和1/T数值温度/C 20 25 30 351/（T/C） 0.003413 0.003356 0.003300 0.003247ln（1/t诱） -6.2383 -5.8662 -5.5866 -5.2082根据所得数值，作出ln（1/t诱）〜1/T图像如下:ln（1/ t诱）〜1/T关系及拟合直线拟合直线方程为 y=-6080.6x+14.517,拟合系数为0.998由阿累尼乌斯公式知，直线斜率为-Ea / R,因 此有：E 诱=-m X R= 6080.6X 8.314 = 50.55 kJ/mol2 .振荡周期及表观活化能E振根据所得的电压-时间曲线，利用origin读 出各个振荡周期的峰值并计算出对应的振荡周 期，列表如下:各温度下振荡周期温度/C20253035振荡周26.2071期1/s振荡周86.071867.937540.324226.6601期2/s振荡周90.621169.468739.250027.7071期3/s振荡周86.597671.507840.265628.1875期4/s振荡周93.132969.453241.230528.1914期5/s88.6367平均值89.012055.673432.214127.3906/s因此即可得ln（1/ t振）和1/T数值如下表:各温度下ln（1/ t振）和1/T数值温度/C202530351/(T/C) 0.003413 0.003356 0.003300 0.003247ln（1/t振） -4.4888 -4.0195 -3.4724 -3.3102根据所得数值，作出ln（1/t振）〜1/T图像如下：■2.50.甲 2 口嫡 鸿 Q0O33 000335 D0034 。

皿 5-3冠-3 5T R^! ? 0.96506 、・■、..4 5 "♦ln（1/ t振）〜1/T关系及拟合直线拟合直线方程为y=-7386.1x+20.765,拟合系 数为0.98由阿累尼乌斯公式知，直线斜率为-Ea / R,因 此有：E 振=-mXR= 7386.1X8.314 = 61.41 kJ/mol3.3讨论分析1 .现象观察实验中溶液颜色出现周期性的变化，在振荡 电压升高即曲线下降时，溶液颜色由黄色变无 色，主要是由于发生了以下反应：+ MA + 2H2() t + HCOOH+ 2CO2 + 6H'4C/+ + H/MA+ 2lh 0 t 4Ce^ + E 广 + IICOOH+ ICQ. + 5耳 + J 上溶液中显黄色的Ce4离子变成了无色的Ce3离子 在电压降低时即曲线上升时，反映体系颜色由无 色变为黄色，主要是由于发生了如下反应：Br()t +O" + 才-> HBrO： +C?+溶液中无色的Ce3离子又变成了显黄色的 Ce4离子2 .误差来源1确定诱导期和振动周期时，由于是肉眼观察 图像取点，具有很大的不确定性，容易引起误差 从数据可以看出振动周期之间差别较大，也说明 了这一点。

2虽然我们通过恒温槽将温度设定为固定值， 但在实验过程中发现温度仍然存在着一定程度 的波动，使记录值与平均值存在偏差3做直线拟合时只有4组数据，样本太小3 .实验过程异常现象分析本次实验在我们最初测第一组数据时发现曲 线产生了非常剧烈的波动，经检查是因为甘汞电极内部存在气泡，导致电路不畅换了甘汞电极 排除气泡后我们再次进行实验，发现仍有类似波 动仔细排查后发现是由于甘汞电极插入反应液 的深度不够，以致在搅拌过程中频繁暴露在空气 中，造成电位异常4 .改进意见建议改进装置使电极固定得更稳，并且不要 将电路触点暴露在外面，避免机械干扰5 .结论实验结果归纳如下：各温度下诱导期振荡周期及表观活化能温度 20 25 30 35 表观活化能/C (kJ/mol)诱导 512.0 352.9 266.8 182.8 50.55期/s振荡 89.0 55.7 32.2 27.3906 61.41周期/s5参考文献[1]《基础物理化学实验》清华大学出版社贺德华，麻英，张连庆编[2]《基础物理化学》清华大学出版社朱文涛编6附录（思考题）1 .已知卤素离子Cl，Br,I都很容易和HBrOz反 应，如果在振荡反应的开始或是中间加入这些离 子，将会出现什么现象？试用 FKN机理加以分 析。

答：由FKN机理知卤素离子主要参与反应 步骤A,而系统从A转入B的条件是卤素离子 的浓度下降因此若加入卤素离子，步骤 A的 持续时间将会变长，从而导致整个诱导期和振荡 周期变长2 .为什么B-Z反应有诱导期？反应何时 进入振荡期？答：因为反应的振荡需要两种价态的铺离 子刚开始加入的只是Ce4 ,当随着反应的进行 产生了足够的Ce3后，系统便进入了振荡期3 .影响诱导期的主要因素有哪些？答：（1）温度：根据Arrhenius 方程 k Ae冲Ea。