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实验 3 2 联机测定 B-Z 化学震荡反应

实验 3 2 联机测定 B-Z 化学震荡反应. 32.1 实验目的 （ 1 ） 了解 Belousov-Zhahotinskii 反应 ( 简称 B-Z 反应 ) 的 基本原理。 （ 2 ） 掌握一般的化学振荡反应研究方法，初步认识体系 在远离平衡态下的复杂行为。.

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实验 3 2 联机测定 B-Z 化学震荡反应

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  1. 实验32 联机测定B-Z化学震荡反应 • 32.1 实验目的 • （1）了解Belousov-Zhahotinskii反应(简称B-Z反应)的 • 基本原理。 • （2）掌握一般的化学振荡反应研究方法，初步认识体系 • 在远离平衡态下的复杂行为。

  2. 32.2 实验原理 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(crit.)浓度[Br-]crit时，发生A过程，当Br-浓度低于[Br-]crit时，发生B过程。也就是说：Br-浓度起着开关作用，它控制着A到B过程，再由B过程到A过程的转变。在A过程，由于化学反应Br-浓度降低，当Br-浓度达到[Br-]crit时，B过程发生。在B过程中，Br-再生，Br-浓度增加，当Br-浓度达到[Br-]crit时，A过程发生。这样，体系就在A过程、B过程间往复振荡。下面以Br03--Ce4+-MA-H2S04体系为例说明：

  3. 当Br-浓度足够高时，发生下列A过程 BrO3-十Br-十2H＋→ HBrO2十HOBr (32-1) HBrO2十Br-十H＋→ 2HOBr (32-2)其中反应(30－1)是速率控制步，当达到准定态时，有 [HBrO2]＝[BrO3-][H＋]当Br-浓度低时，发生下列B过程，Ce3+被氧化 BrO3-十HBrO2十H＋→ 2BrO2十H2O (32-3) BrO2十Ce3+十H＋→ HBrO2+Ce4+ (32-4) 2HBrO2 → BrO3-+ HOBr + H＋(32-5) k1 k2 k3 k4 k5

  4. 反应(3)是速率控制步，反应经(3)、(4)将自催化产生2HBrO2。当达到准定态时反应(3)是速率控制步，反应经(3)、(4)将自催化产生2HBrO2。当达到准定态时 由反应(32-2)和(32-3)可以看出：Br-和BrO3-是竞争HBrO2的。当k2[Br-]>k3[BrO3-]时，自催化过程(32-3)不可能发生。自催化是B-Z振荡反应中必不可少的步骤，否则该振荡不能发生Br-的临界浓度为

  5. Br-的再生可通过下列过程实现 4Ce4++BrCH(COOH)2+H2O+HOBr→2Br-+4Ce3++3CO2+6H+ (32-6) 该体系的总反应为 2H+＋2BrO3-＋2CH2(COOH)2→2BrCH(COOH)2＋2O2＋4H2O 振荡的控制物种是Br-

  6. 32.3 实验步骤 1．用l mol·L-1硫酸作217型甘汞电极液。 2．按图连接好仪器，打开超级恒温水浴，将温度调节至25±0.1℃。 3. 0.45 mol·L-1丙二酸250 mL、0.25 mol·L-1溴酸钾250mL、3.00 mol·L-1硫酸250 mL，在0.2 mol·L-1硫酸介质中配制，0.004 mol·L-1的硫酸铈铵250 mL。 4. 在反应器中加入己配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各15 mL。 5. 打开磁力搅拌器调节合适速度。 6． 将精密数字测量仪置于分辨率为0.l mV档(即电压测量仪的2 V 档)，且为手动状态，甘汞电极接负极，铂电极接正极。

  7. 7．恒温5min后加入硫酸铈铵溶液15mL，观察溶液的颜色变化，同时开始计时并记录相应的变化电势。 8．电势变化首次到最低时，记下时间t诱。 9．用上述方法将温度设置为30℃、35℃、40℃、4℃、50℃重复实验，并记下t诱。 图32-1 B-Z反应实验装置

  8. 32.4 注意事项 • （1）实验中溴酸钾试剂纯度要求高，为GR；其余为AR。所使用的反应容器一定要冲洗干净。 • （2）配制硫酸铈铵溶液时，一定要在0.2 mol·L-1硫酸介质中配制，防止发生水解呈混浊。 • （3）转子位置和速度都必须加以控制。 • （4）电压测量仪一定要置于0.l mV分辨率的手动状态下。 • （5）实验所用试剂均需用不含Cl-的去离子水配制，而且参比电极不能直接使用甘汞电极。若用217型甘汞电极时要用1 mol·L-1 H2SO4作液接，可用硫酸亚汞参比电极，也可使用双盐桥甘汞电极，外面夹套中充饱和KNO3溶液，这是因为其中所含Cl-会抑制振荡的发生和持续。

  9. 32.5 问题讨论 （1）观察电势曲线与颜色和电势值的对应关系，分析Pt丝电极记录的电势。曲线主要反映哪个电对电势的变化？试说明理由。 （2）从ln(1/t诱)-1/T图得出的直线对诱导期中进行的反应有何推测？试说明理由。 （3）影响诱导期和振荡周期的主要因素有哪些？

  10. 32.6 参考答案 • （1）观察电势曲线与颜色和电势值的对应关系，分析Pt丝电极记录的电势。曲线主要反映哪个电对电势的变化？试说明理由。 • 答：甘汞电极接负极，铂电极接正极。Pt电极记录的是整个体系电对电势的变化。

  11. （2）从ln(1/t诱)-1/T图得出的直线对诱导期中进行的反应有何推测？试说明理由。 • 答：诱导期中进行的反应的速率与反应温度成正比，反应温度越高，其反应诱导期越小，因为反应体系的表现活化能一样，若反应温度越高，该反应越易达到其活化能使反应更易进行。

  12. （3）影响诱导期和振荡周期的主要因素有哪些？ • 答：温度、酸度、催化剂、离子活性、各离子的浓度。

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