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BZ 振荡反应

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。

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BZ 振荡反应

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  1. BZ 振荡反应

  2. .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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 反应有 3个主过程组成 ：

  7. 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+。

  8. 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：

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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.）

  12. 实验步骤 • 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。 • 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℃。

  13. 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。

  14. 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。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。

  15. 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。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。

  16. 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。

  17. 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？

  18. 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.

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