化学振荡反应
化学振荡反应
在成千上万的化学反应中，有一类反应很有趣，如在丙二酸、溴酸钾、溴化钾的混合液中，
加入含有Ce(Ⅲ)与H 2SO 4的混合液时，就会看到反应过程中溶液的颜色从无色变为黄色
，又变为无色，再变成黄色……十分有规律地变化着，直到反应达到平衡为止，这类反应
称为“化学振荡反应(Oscillating Chemical Reaction)”。
所谓化学振荡，是指在化学反应过程中，某种化学成分的浓度随时间发生周期性变化的现象
。化学振荡是十分复杂的反应，它包含了大量的化学反应物质，如反应物、生成物、中间体
(intermediates)和催化剂。在一般的化学反应进行时，反应物浓度不断降低，产物浓度不
断增大，中间体浓度较低，相对地保持拟稳定状态值，即中间体的生成速度基本上等于它的
消耗速度。在振荡反应中，反应物、生成物浓度变化情况和上述情况相同，但中间体的浓度
发生振荡，即它们的浓度随时间发生周期性变化。在化学振荡发生时会有稳定性、滞后现
象、激发性、非周期振荡等现象存在。
1921年，Bray首次报道了在均相溶液中化学反应的周期性现象，即H 2O 2被I 2和HIO 3
催化分解的反应，但最早的均相溶液中化学振荡反应实例是由苏联化学家贝洛索夫(Belouso
v)在1958年提出的，另一位苏联化学家扎伯丁斯基(Zhabotinskii)进一步证明、改进了这个
反应。人们把这个化学振荡反应称为“Belousov zhabotinskii”反应，简称B Z 反应
。1958年，苏联化学家贝洛索夫在金属铈离子作催化剂的情况下做柠檬酸的溴酸氧化反应，
他发现在某些条件下苛性组分（例如溴离子、铈离子）的浓度会随时间作周期变化，造成反
应介质的颜色在黄色和无色之间作周期性的变换。其后生物化学家扎伯丁斯基等人继续并改
进了贝洛索夫的实验，发现另外一些有机酸（例如丙二酸）的溴酸氧化反应也能呈现出这种
组分浓度和反应介质的颜色随周期变化的现象。利用适当的催化剂，介质的颜色变化可更加
明显，例如在红色和蓝色之间作周期性变换。反应介质一会儿红色，一会儿蓝色，再一会儿
红，一会儿蓝色，像钟摆一样发生规则的时间振荡。因此，这类现象一般称为“化学振荡”
或“化学钟”。
化学振荡反应的必要条件之一是该反应必须是自催化反应。在给定条件下的反应体系，反应
开始后逐渐形成并积累了某种产物或中间体（如自由基），这些产物具有催化功能，使反应
经过一段诱导期后出现反应大大加速的现象，这种作用称为自（动）催化作用(autocatalys
is)。简单的自动催化反应，常包含三个连续进行的动力学步骤，例如：
Ak 1B+C〓〓①
A+Bk 2AB②
ABk 32B+C③
在式①中，起始反应物较缓慢地分解为B和C；产物中B具有催化功能与反应物A络合，如
②所示；然后AB络合体再分解为产物C，同时释放出B来。在反应过程中，一旦有B生成，
反应就自动加速，自催化反应多见于均相催化，其特征之一是存在着初始诱导期。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，
即发生化学振荡（Chemical Oscillating）,而振荡现象的发生必须满足如下几个条件：
（1）反应必须是敞开体系且远离平衡态；
（2）反应历程中应包含自催化的步骤；
（3）体系必须能有两个稳定存在，即具有双稳定性（bistability）（当化学反应中红色组
分增加到一定程度后，它就会自动的向产生蓝色组分的方向变化）。
化学振荡在分析化学、电化学、生物化学中有着广泛的应用。例如，在分析化学中可测定某
种物质的存在。当体系中存在浓度振荡时，其振荡频率与催化剂浓度间存在依赖关系，由此
可测定出作为催化剂的某些金属离子，如Ce(Ⅲ)、Mn(Ⅱ)等。当向体系中加入某种物质，这
种物质(也叫阻抑剂)能结合振荡反应中的某些关键物质时，振荡反应会有各种异常行为，如
振荡停止，在一定时间内抑止振荡的出现，改变振荡特征，等等。
BZ振荡反应
BZ振荡反应 刘恺 1120123036 一、实验目的 （1）了解BZ（Belousov-Zhabotinski）反应的基本原理。 （2）观察化学振荡现象。 （3）练习用微机处理实验数据和作图。 二、实验原理 化学振荡：反应系统中，某些物理量（如某组分浓度）随时间做周期性变化。 BZ体系：溴酸盐、有机物在酸性条件以及在有（或无）金属离子催化剂作用下构成的体系。 BZ振荡反应机理（FKN机理）： 总反应：（A）2H++2Br0 3-+2CH 2 (COOH) 2 →2BrCH(COOH) 2 +3CO 2 +4H 2 O 过程(1):(B)BrO 3-+Br-+H+→HBrO 2 +HOBr (C)HBrO 2 +Br-+H+→2HOBr 过程(2):(D)BrO 3-+HBrO 2 +H+→2BrO 2 +H 2 O (E)BrO 2+Ce3++H+→HBrO 2 +Ce4+ (F)2HBrO 2→BrO 3 -+HOBr+H+ Br-再生过程(G)4Ce4++BrCH(COOH) 2+H 2 O+HOBr→2Br-+4Ce3++3CO 2 +6H+ 体系中存在着两个受溴负离子浓度控制的过程（1）与（2）。当溴负离子含量足够高时，主要发生过程（1），其中步骤B是速率控制步骤。当溴负离子含量低时，主要发生过程（2），其中D是速率控制步骤。如此，体系在过程（1）与（2）之间往复振荡。 反应进行时，系统中Br-、HBrO 2 、Ce3+、Ce4+的浓度均随时间做周期性变化。实验中，可选用溴离子选择电极测定Br-，用铂丝电极测定Ce4+、Ce3+随时间变化。 从加入硫酸铈铵到体系开始振荡的时间为t 诱 ，诱导期与反应速率成反比， 即1/t 诱正比于k=Aexp（-E 表 /RT）,并且有， Ln（1/t 诱）=LnA-E 表 /RT. 作图Ln（1/t 诱）-1/T,根据斜率可求出表观活化能E 表。 三、仪器与试剂 BZ反应数据采集接口系统、微型计算机、恒温槽、反应器、磁力搅拌器、丙二酸（0.45mol/L）、溴酸钾（0.25mol/L）、硫酸（3.00mol/L）、硫酸铈铵（4×10-3mol/L）. 四、实验步骤 (1)恒温槽水浴接通电源，设置温度为30℃。用去离子水清洗反应器、铂电极、参比电极。检查仪器连线（铂电极-BZ反应数据采集接口正极，参比电极-BZ反应数据采集接口负极，温度传感器探头-恒温水浴）。 (2)启动微机，接通BZ反应数据采集接口系统电源，进入BZ振荡软件主菜单。（3）文件-新建；实验-设置参数（使用默认值）；实验-反应记录。（4）取8ml 硫酸铈铵溶液于锥形瓶中，放于恒温槽中恒温。（待恒温槽温度稳定在设置温度
化学振荡
化学震荡 一、目的要求 1、了解、熟悉化学振荡反应的机理。 2、通过测定电位——时间曲线求得振荡反应的表观活化能。 二、基本原理 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HBrO3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BZ振荡反应。例如丙二酸在溶有硫酸铈的酸性溶液中被溴酸钾氧化的反应就是一个典型的BZ振荡反应。典型的BZ系统中,铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图1所示。 对于以BZ反应为代表的化学振荡现象,目前被普遍认同的是Field,K?r?s和Noyes在1972年提出的FKN机理。FKN机理提出反应由三个主过程组成：过程A (1) Br-＋BrO3-＋2H+→HBrO2＋HBrO (2) Br-＋HBrO2＋H+→2HBrO 过程B (3) HBrO2＋BrO3-＋H+→2BrO2＋H2O (4) BrO2＋Ce3+＋H+→HBrO2＋Ce4+ (5) 2HBrO2→BrO3-＋H+＋HBrO 过程C (6) 4Ce4+＋BrCH(COOH)2＋H2O＋HBrO→2Br-＋4Ce3+＋3CO2＋6H+ 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的累积还受到式(5)的制约。 过程C为丙二酸溴化为BrCH(COOH)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： 2H++2 BrO3-+3CH2(COOH)2? ?→ ?+3Ce2BrCH(COOH)2+3CO2+4H2O 振荡的控制离子是Br-。 由上述可见,产生化学振荡需满足三个条件： 1.反应必须远离平衡态。化学振荡只有在远离平衡态,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,可以长期持续振荡。 2.反应历程中应包含有自催化的步骤。产物之所以能加速反应,因为是自催化反应,如过程A中的产物HBrO2同时又是反应物。 3.体系必须有两个稳态存在,即具有双稳定性。 化学振荡体系的振荡现象可以通过多种方法观察到,如观察溶液颜色的变化,
BZ振荡实验
BZ振荡实验 一、实验目的及要求 1.了解BZ(Belousov-Zhobotinski)振荡反应的基本原理，观察BZ化学振荡 实验。 2.了解化学振荡反应中的电势测定方法，通过测定电位-时间曲线求得化学振荡反应的表观活化能。 二、实验原理 振荡反应 化学振荡是指反应系统中的某些量(如某组分的浓度)随时间做周期性的变化。BZ振荡实验是由贝诺索夫(Belousov)和柴波廷斯基(Zhobotinski)发现和发展 起来的，是指在酸性介质中，有机物在有金属离子催化的条件下被溴酸盐氧化，某些组分的浓度发生周期性的变化。 大量实验研究表明，化学振荡反应的发生必须满足三个条件：(1)必须是远离平衡态体系；(2)反应历程中含有自催化步骤；(3)体系必须具有双稳态性，即可在稳态间来回振荡。 机理 菲尔德(Field)、科罗什(Koros)、诺伊斯(Noyes)三位科学家对BZ振荡反应 实验进行了解释，称为FKN机理。下面以BrO 3~Ce4+~CH 2 (COOH) 2 ~H 2 SO 4 体系为例说 明。在该体系中发生的总反应为： 该反应的的核心内容是系统中存在受Br－浓度控制的A和B两个过程。具体的说， 当Br－的浓度高于某个浓度(这个浓度被称为临界浓度C 临)时，BrO 3 －被还原成Br 2 ， 即发生A过程。 过程A： (注：HOBr产生后立即被丙二酸消耗，反应过程如下： 当Br-的浓度低于临界浓度时，或者说Br-的浓度较低时，Ce3＋被氧化为Ce4＋，发生B过程。 过程B：
(自由基反应瞬间完成) Br-再生过程： 过程A是消耗Br－并产生能进一步发生反应的HBrO 2 ，HOBr是中间产物，产 生之后立即被丙二酸消耗。 过程B是一个自催化的过程(HBrO 2 充当催化剂)，在Br－消耗到一定程度后， HBrO 2 才按③和④进行，并使反应不断加速，与此同时，Ce3＋被氧化为Ce4+。 HBrO 2 的累积还受⑤的制约。 ⑥反应为丙二酸被溴化为BrCH(COOH) 2 ，与Ce4+反应生成Br－使Ce4+转化为Ce3+。这个反应使得Br－和Ce3+再生，形成周期振荡，并且控制A过程和B过程发生的离子是Br－。 －的临界浓度 过程A中，慢反应②控制整个A过程的速度，当过程A达到准定态，即υ ①=υ ② ，这时： k 1[BrO 3 －][Br－][H+]2=k 2 [HBrO 2 ][Br－][H+]，得：[HBrO 2 ] A =k 1 /k 2 [BrO 3 －][H+]。 过程B中，慢反应③产生的自由基BrO 2 ·立即反应，当反应达到准定态， 即υ ③=υ ⑤ ，这时 k 3[BrO 3 －][HBrO 2 ][H+]=k 5 [HBrO 2 ]2，得：[HBrO 2 ] B =k 3 /k 5 [BrO 3 －][H+]。 观察②反应和③反应，Br－和BrO 3 －均要与HBrO 2 反应，形成竞争反应。当 k 2[HBrO 2 ][Br－][H+]>k 3 [BrO 3 －][HBrO 2 ][H+]时，即k 2 [Br－]>k 5 [BrO 3 －]时，反应②进 行，反应③不能进行。而k 2[Br－] B-Z 振荡反应 实验日期：2016/11/24 完成报告日期：2016/11/25 1 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——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A ① ② 式中 为中间体，过程特点是大量消耗。反应中产生的能进一步反应，使 有机物MA 如丙二酸按下式被溴化为BrMA, (A1) (A2) 过程B ③ ④ 这是一个自催化过程，在消耗到一定程度后， 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，催化剂氧化为。在过程B 的③和④中，③的正反应是速率控制步骤。此外， 的累积还受到下面歧化反应的制约。 ⑤ 过程C MA 和使离子还原为，并产生（由）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： ⑥2++f +2+其他产物 式中f 为系数，它是每两个离子反应所产生的数，随着与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，重新得到和，反应得以重新启动，形成周期性的振荡。 322BrO Br H HBrO HOBr --+++→+22HBrO Br H HOBr -+++→2 HBrO Br - HOBr 22HOBr Br H Br H O -+++→+2Br MA BrMA Br H -+ +→++32222BrO HBrO H BrO H O -++++342222222BrO Ce H HBrO Ce ++ ++→+Br - 2 HBrO 3Ce + 4Ce + 2 HBrO 232HBrO BrO HOBr H -+ →++BrMA 4Ce + 3Ce + Br - BrMA 4Ce + MA BrMA →Br - 3Ce + 4Ce + Br - BrMA Br - 3Ce + B-Z振荡反应 2011011743 分1 黄浩 同组人姓名：李奕 实验日期：2013-11-2 提交报告日期：2013-11-8 指导教师：王振华 1 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——时间曲线求得振荡反应的表观活化能。 1.2 实验原理 所谓化学振荡就是反应系统中某些物理量如组分的浓度随时间作周期性的变化。1958年，Belousov首次报道在以金属铈离子作催化剂的条件下，柠檬酸被溴酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的溴酸氧化反应系统能出现振荡现象，而且所用的催化剂也不限于金属铈离子，铁和锰等金属离子可起同样的作用。后来，人们笼统地称这类反应为B- Z反应。目前，B-Z反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图2-11-1所示。 图1. B-Z体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线 关于B－Z反应的机理，目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化的机理，简称为FKN机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下表： i 222按照FKN 机理，可对化学振荡现象解释如下： 当[Br －]较大时，反应主要按表中的（1）、（2）、（3）进行，总反应为： O H Br H Br BrO 2233365+→+++-- （11） 生成的Br 2按步骤（7）消耗掉。步骤（1）、（2）、（3）、（7）组成了一条反应链，称为过程A ，其总反应为： O H COOH BrCH H COOH CH Br BrO 222233)(33)(32+→++++-- （12） 当[Br －]较小时，反应按步骤（5）和（6）进行，总反应为： O H HBrO Ce H HBrO BrO Ce 2242332232++→+++++- + （13） 步骤（5）为该反应的速度控制步骤（（5）的逆反应速率可忽略），这样有 ]][][[] [2352+-=H HBrO BrO k dt HBrO d （14） 上式表明HBrO 2的生成具有自催化的特点，但HBrO 2的增长要受到步骤（4）的限制。（4）、（5）、（6）组成了另一个反应链，称为过程B 。其总反应为： O H Ce HOBr H Ce BrO 24332454++→+++++- （15） 最后Br － 可通过步骤（9）和（10）而获得再生，这一过程叫做C 。总反应为： ++-++++→+++H CO Ce Br O H COOH BrCH Ce HOBr 6342)(423224 （16） 过程A 、B 、C 合起来组成了反应系统中的一个振荡周期。 当[Br －]足够大时，HBrO 2按A 中的步骤（2）消耗。随着[Br －]的降低，B 中的步骤（5） 北京理工大学 物理化学实验报告 BZ震荡反应 班级：09111101 实验日期：2013-4-9 一、 实验目的 1） 了解BZ 反应的基本原理。 2） 观察化学振荡现象。 3） 练习用微机处理实验数据和作图。 二、 实验原理 化学振荡：反应系统中某些物理量随时间作周期性的变化。 BZ 体系是指由溴酸盐，有机物在酸性介质中，在有（或无）金属离子催化剂作用下构成的体系。 本实验以BrO - 3 ~ Ce + 4 ~ CH 2(COOH)2 ~ H 2SO 4作为反映体系。该体系的总 反应为： ()()O 4H 3CO COOH 2BrCH COOH 2CH 2BrO 2H 222223++?→?++- + 体系中存在着下面的反应过程。 过程A ： HOBr HBrO 2H Br BrO 2K 32+?→?+++-- 2HOBr H Br HBrO 3K 2?→?+++- 过程B ： O H 2BrO H HBrO BrO 22K 234+?→?+++- 42K 32Ce HBrO H Ce BrO 5++++?→?++ +++?→?H HOBr BrO 2HBrO -3K 26 Br - 的再生过程： ()+ +- ++++?→?+++6H 3CO 4Ce 2Br HOBr O H COOH BrCH 4Ce 23 K 2247 当[Br -]足够高时，主要发生过程A ，研究表明，当达到准定态时，有 [][][]+- =H BrO K K HBrO 3 3 22。 当[Br -]低时，发生过程B ，Ce +3被氧化。，达到准定态时，有 [][][] +- ≈ H BrO 2K K HBrO 36 42。 可以看出：Br - 和BrO -3是竞争HbrO 2的。当K 3 [Br - ]>K 4[BrO - 3]时，自催 化过程不可能发生。自催化是BZ 振荡反应中必不可少的步骤。否则该振荡不能发生。研究表明，Br -的临界浓度为： [] [][] - --?== 3 633 4crit - BrO 105BrO K K Br 若已知实验的初始浓度[BrO - 3]，可由上式估算[Br - ]crit 。 体系中存在着两个受溴离子浓度控制的过程A 和过程B ，当[Br - ]高于临界浓度[Br - ]crit 时发生过程A ，当[Br - ]低于[Br -]crit 时发生过程B 。这样体系就在过程A 、过程B 间往复振荡。 在反应进行时，系统中[Br - ]、[HbrO 2]、[Ce +3]、[Ce +4]都随时间作周期性的变化，实验中，可以用溴离子选择电极测定[Br - ]，用铂丝电极测定[Ce +4]、[Ce +3]随时间变化的曲线。溶液的颜色在黄色和无色之间振荡，若再加入适量的FeSO 4邻菲咯啉溶液，溶液的颜色将在蓝色和红色之间振荡。 从加入硫酸铈铵到开始振荡的时间为t 诱 ，诱导期与反应速率成反比，即 ??? ? ??-=∝RT E A k t 表诱exp 1 ，并得到 B-Z 振荡反应 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——时间曲线求得振荡反应的表观活化能。 实验原理 所谓化学振荡就是反应系统中某些物理量如组分的浓度随时间作周期性的变化。1958年，Belousov 首次报道在以金属铈离子作催化剂的条件下，柠檬酸被溴酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky 继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的溴酸氧化反应系统能出现振荡现象，而且所用的催化剂也不限于金属铈离子，铁和锰等金属离子可起同样的作用。后来，人们笼统地称这类反应为B-Z 反应。目前，B-Z 反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z 体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图1所示。 图1：B-Z 体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线 关于B －Z 反应的机理，目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化的机理，简称为FKN 机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下： 序号 机理步骤 速率或速率常数 （1） 22HOBr Br H Br H O -++++? 1116291110108----=???=s k s dm mol k （2） HOBr H Br HBrO k 222?→?+++- 16292102--???=s dm mol k （3） HOBr HBrO H Br BrO k +?→?+++--2332 19331.2--??=s dm mol k 实验教学与 教具研制一个奇妙的化学振荡实验新设计 3 熊言林 (安徽师范大学化学与材料科学学院 安徽芜湖 241000) 摘要 培养学生学习化学的兴趣,化学实验是最直接、最直观、最生动、最现实的教学素材。在参阅前人研究的基础上,用过氧化氢、碘酸钾等试剂设计了一个操作十分简单、适合中学条件的化学振荡实验方案,其奇妙的振荡现象十分明显、有趣,引人入胜。 关键词 中学化学 振荡实验 方案设计 过氧化氢 碘酸钾 学生的学习兴趣是激发学习动机的重要因素[1]。所以,我无论是在本科生、函授生、研究生的课堂教学中,还是在国家级骨干教师、省级骨干教师、全省高中化学教师的培训课上,以及在给中学生开展化学讲座上都要演示一些自己设计的、很有趣的新实验来配合相关内容的讲授,收到了较好的教学效果[2]。 在查阅B-Z反应、B-R反应及其相关振荡实验文献的基础上[3,4],我设计了一个操作十分简单、适合中学条件的化学振荡实验方案,并在多年的课堂教学、报告讲座上亲自演示过该实验,反复循环变色(无色→琥珀色→蓝色)的奇妙实验现象非常吸引学生、学员的眼球,引起了他们对该实验产生很大的兴趣。为此,笔者现将这一化学振荡实验方案设计出来,对该实验感兴趣的化学教师,不妨在新学年的第一次化学课上或在化学活动课上按照该实验方案做一做,看看学生有什么反应。 1 实验目的 (1)初步了解化学振荡实验原理,知道振荡现象广泛地存在于自然界中; (2)探究化学振荡实验的最佳条件,掌握化学振荡实验的基本操作; (3)体验化学振荡实验的新颖性、趣味性和知识性,激发学生学习化学的兴趣。 2 实验原理 在一定条件下,过氧化氢既可以作为还原剂,又可以作为氧化剂。在本实验条件下(室温,淀粉溶液),过氧化氢在Mn2+催化下分别跟碘酸钾、单质碘发生振荡反应,使溶液的颜色呈现周期性的变化(无色→琥珀色→蓝色),直至过氧化氢完全反应,溶液的颜色才不会再变化。上述颜色变化的反应机理很复杂,有人认为,可能反应机理是: 5H2O2+2IO-3+2H+→5O2↑+6H2O+I2(在Mn2+催化下)使淀粉溶液变蓝 I2+5H2O2→2HIO3+4H2O使蓝色淀粉溶液褪色I2+CH2(COO H)2→IC H(COO H)2+I-+H+ I2+ICH(COO H)2→I2C(COO H)2+I-+H+溶液呈琥珀色 3 实验用品 413g碘酸钾(C1P),4mL2mol/L H2SO4溶液,41mL30%的H2O2溶液,0134g硫酸锰晶体(C1P),116g丙二酸(C1P),0103g可溶性淀粉(C1P),蒸馏水(可用自来水代替)。 400mL烧杯1只,100mL烧杯2只,100mL 量筒1只,10mL量筒1只,台称1台,玻璃棒1支,酒精灯1盏,石棉网1块,白纸片1张。 4 实验步骤 411 溶液的配制 (1)无色溶液A 在400mL烧杯中,加入41mL30%的H2O2溶液,再加入59mL蒸馏水,用玻璃棒搅拌均匀,即为无色溶液A。 (2)无色溶液B 称取413g碘酸钾,放入到100mL烧杯中(为了配制方便,在此操作前,向烧杯里加入100mL的水,标出水面高度的记号后,倒出水),加入约60mL的蒸馏水,加热溶解,冷却后,再加入4mL2mol/L H2SO4溶液,用蒸馏水稀释到100mL的标记处,用玻璃棒搅拌均匀,即为无色溶液B。 (3)无色溶液C 称取116g丙二酸、0134g硫酸锰晶体,放入到100mL烧杯中(为了配制方便,在此操作前,向烧杯里加入100mL的水,标出水面高度的记号后,倒出水),用少量的蒸馏水溶解,加入含有0103g可溶性淀粉的溶液(如,10mL013%的可溶性淀粉溶液),再用蒸馏水稀释到100mL的标记处,搅拌均匀,即为无色溶液C。 412 混合溶液 在盛有100mL无色溶液A的400mL烧杯底部垫一张白纸片(便于观察),向烧杯中同时加入100mL无色溶液B和100mL无色溶液C,立即充分搅拌片刻。停止搅拌后,静置、观察振荡实验现象,并将颜色周期性变化的时间记入下表(每隔10～20s记一次): ? 4 4 ?化 学 教 育 2008年第10期3安徽师范大学“化学教育专业实验—化学教学论实验”精品课程建设项目(校教字[2006]69号)基金资助 BZ 振荡 1．影响诱导期的主要因素有哪些？ 答：影响诱导期的主要因素有反应温度、酸度和反应物的浓度。温度、酸度、催化剂、离子活性、各离子的浓度 2．本实验记录的电势主要代表什么意思？与Nernst 方程求得的电位有何不同？ 答：本实验记录的电势是Pt 丝电极与参比电极（本实验是甘汞电极）间的电势,而Nernst 方程求得的电位是电极相对于标准电极的电势，它反映了非标准电极电势和标准电极电势的关系。 表面张力 1、用最大气泡法测定表面张力时为什么要读最大压力差? 答：分析毛细管口气泡的形成与破裂的过程中，气泡的半径与气泡膜表面张力的关系有： 当R r →时，气泡的σ达到最大，此时等于()max 0max p p p -=?。 当R r >时，σ减小；而继续抽气，使压力差增大而导致气泡破裂。故读取最大压差，使满足222r p r p r πππσ=?=最大，从而计算表面张 力。 2、哪些因素影响表面张力测定结果？如何减小以致消除这些因素对实验的影响？ 答：影响测定结果的因素有：仪器系统的气密性是否良好；测定用的毛细管是否干净，实验中气泡是否平稳流过；毛细管端口是否直切入 液面；毛细管口气泡脱出速度；试验温度。 故试验中要保证仪器系统的气密性，测定用的毛细管洁净，实验中气泡平稳流过；毛细管端口一定要刚好垂直切入液面，不能离开液面，但亦不可深插；从毛细管口脱出气泡每次应为一个，即间断脱出；表面张力和温度有关，要等溶液恒温后再测量。 3、滴液漏斗放水速度过快对实验结果有没有影响？为什么？ 答：若放水速度太快，会使抽气速度太快，气泡的形成与逸出速度快而不稳定，致使读数不稳定，不易观察出其最高点而起到较大的误差。 磁化率的测定 1．不同励磁电流下测得的样品摩尔磁化率是否相同? 答：相同，摩尔磁化率是物质特征的物理性质，不会因为励磁电流的不同而变。但是在不同励磁电流下测得的cM稍有不同，。主要原因在于天平测定臂很长（约50cm），引起Dw的变化造成的，当然温度的变化也有一定影响。 2．用古埃磁天平测定磁化率的精密度与哪些因素有关? 答：（1）样品管的悬挂位置：正处于两磁极之间，底部与磁极中心线齐平，悬挂样品管的悬线勿与任何物体相接触； （2）摩尔探头是否正常：钢管是否松动，若松动，需坚固； （3）温度光照：温度不宜高于60℃，不宜强光照射，不宜在腐蚀性气体场合下使用； （4）摩尔探头平面与磁场方向要垂直； B-Z振荡反应 姓名：*** 学号：2015012*** 班级：化学**班 实验日期：2018年3月21日提交报告日期：2018年3月23日 带课老师/助教：*** 1 引言（简明的实验目的/原理） 2 实验操作 2.1 实验药品、仪器型号及测试装置示意图 计算机及接口1套，THGD-0506高精度低温恒温槽 （宁波天恒仪器厂）1台，电磁搅拌器1台，反应器1 个，铂电极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，镊子1把。 0.02mol?L-1硝酸铈铵，0.5mol?L-1丙二酸和0.2mol?L-1 溴酸钾（均由0.8mol?L-1硫酸溶液配制）；0.8mol?L-1硫酸。 2.2 实验条件 恒温槽初始温度设定在25.00℃。 2.3 实验操作步骤及方法要点 1. 检查仪器药品。 2. 按装置图（如上）接好线路。 3. 接通电源。打开计算机，运行“数据采集”程序，准备采集数据。 4. 调节恒温槽温度为25℃。分别取7mL丙二酸、15mL溴酸钾、18mL硫酸溶液于干净的反应器中，开动搅拌。点击“开始”，待基线走稳后，用移液管加入2mL硝酸铈铵溶液。出现振荡后，待振荡周期完整重复8~10次后，点击“完成”，停止记录，命名存盘。记录恒温槽温度。实验中注意观察溶液的颜色变化。 5. 升高温度3~5℃，重复步骤4，直到35℃左右。 注意事项： 1. 实验开始前，要检查甘汞电极是否满足使用条件（溶液接触汞的部分，有固体KCl颗粒，没有气泡，甘汞电极与外部盐桥接通）。若不满足，应事先调整； 2. 全部溶液都用稀硫酸配制。防止反应液滴到皮肤、衣物、仪器、家具上。反应液流到电磁搅拌器上，应及时擦拭干净，更换滤纸，以免腐蚀仪器甚至发生漏电。若反应液滴到其他地方，应根据情况，及时冲洗或擦拭干净； 3. 橡皮塞及电极应保持竖直状态，避免平放或倒置，避免甘汞电极出现气泡； 4. 注意控制转子位置，避免损坏电极。反应前清洗反应器和电极，反应时控制转子转速保持稳定，可保证数据准确以及振荡反应出现。 3 结果与讨论 3.1 原始实验数据 3.1.1 不同温度下的电位振荡曲线图 实验得到不同温度下的电位振荡曲线图如下所示。 B-Z 振荡反应 姓名：刘若晴 学号：2007011980 班级：材72 同组实验者：穆浩远、曾燕群 带实验的老师：王老师 1 引言（简明的实验目的/原理） 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——时间曲线求得振荡反应的表观活化能。 实验原理： 所谓化学振荡就是反应系统中某些物理量如组分的浓度随时间作周期性的变化。1958年，Belousov 首次报道在以金属铈离子作催化剂的条件下，柠檬酸被溴酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky 继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的溴酸氧化反应系统能出现振荡现象，而且所用的催化剂也不限于金属铈离子，铁和锰等金属离子可起同样的作用。后来，人们笼统地称这类反应为B-Z 反应。目前，B-Z 反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z 体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图1所示。 图1：B-Z 体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线 关于B －Z 反应的机理，目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化的机理，简称为FKN 机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下： 序号 机理步骤 速率或速率常数 （1） 22HOBr Br H Br H O -+ +++ 1 116291110108----=???=s k s dm mol k （2） HOBr H Br HBrO k 22 2?→?+++- 16292102--???=s dm mol k B-Z振荡反应 姓名：李上学号：2012011849 班级：分2 同组人姓名:刘昊雨 实验日期：2014年12月4日 提交报告日期：2014年12月10日 指导教师：王振华 1.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——时间曲线求得振荡反应的表观活化能。 1.2.实验原理 所谓化学振荡就是反应系统中某些物理量如组分的浓度随时间作周期性的变化。1958年，Belousov首次报道在以金属铈离子作催化剂的条件下，柠檬酸被溴酸氧化的均相系统可呈现这种化学振荡现象。随后，Zhabotinsky继续了该反应的研究。到目前为止，人们发现了一大批可呈现化学振荡现象的含溴酸盐的反应系统。例如，除了柠檬酸外，还有许多有机酸（如丙二酸、苹果酸、丁酮二酸等）的溴酸氧化反应系统能出现振荡现象，而且所用的催化剂也不限于金属铈离子，铁和锰等金属离子可起同样的作用。后来，人们笼统地称这类反应为B-Z反应。目前，B-Z反应是最引人注目的实验研究和理论分析的对象之一。该系统相对来说比较简单，其振荡现象易从实验中观察到。由实验测得的B-Z体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图2-11-1所示。 图1. B-Z体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线 关于B－Z反应的机理，目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属铈离子作催化剂的条件下，丙二酸被溴酸氧化的机理，简称为FKN机理。其主要的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下表： -+Br BrMA i 222 按照FKN 机理，可对化学振荡现象解释如下： 当[Br － ]较大时，反应主要按表中的（1）、（2）、（3）进行，总反应为： O H Br H Br BrO 2233365+→+++-- （11） 生成的Br 2按步骤（7）消耗掉。步骤（1）、（2）、（3）、（7）组成了一条反应链，称为过程A ，其总反应为： O H COOH BrCH H COOH CH Br BrO 222233)(33)(32+→++++-- （12） 当[Br － ]较小时，反应按步骤（5）和（6）进行，总反应为： O H HBrO Ce H HBrO BrO Ce 2242332232++→+++++-+ （13） 步骤（5）为该反应的速度控制步骤（（5）的逆反应速率可忽略），这样有 ]][][[] [2352+-=H HBrO BrO k dt HBrO d （14） 上式表明HBrO 2的生成具有自催化的特点，但HBrO 2的增长要受到步骤（4）的限制。（4）、 （5）、（6）组成了另一个反应链，称为过程B 。其总反应为： O H Ce HOBr H Ce BrO 24332454++→+++++- （15） 最后Br － 可通过步骤（9）和（10）而获得再生，这一过程叫做C 。总反应为： ++-++++→+++H CO Ce Br O H COOH BrCH Ce HOBr 6342)(423224 （16） 过程A 、B 、C 合起来组成了反应系统中的一个振荡周期。 当[Br －]足够大时，HBrO 2按A 中的步骤（2）消耗。随着[Br － ]的降低，B 中的步骤（5）对HBrO 2的竞争愈来愈重要。当[Br － ]达到某个临界值[－ r B ~ ]时，自催化步骤（5）引起的HBrO 2的生成速率正好等于过程A 中由步骤（2）引起的HBrO 2的消耗速率，即 0]][][r B ~ []][][[][222352=-=++-H HBrO k H HBrO BrO k dt HBrO d － （17） 由（17）式易得：] []r B ~ [32 5-=BrO k k － 若已知实验的初始浓度][3-BrO ，由（18）式可估算[－r B ~]。 当 ]r B ~[][Br －－ <时，[HBrO 2]通过自催化反应（13）很快增加，导致[Br －]通过反应步骤（2）而迅速下降。于是系统的主要过程从A 转换到B 。B 中产生的Ce 4+通过C 使Br － 再生， [Br － ]慢慢回升；当 ]r B ~[][Br －－ >时，体系中HBrO 2的自催化生成受到抑制，系统又从B 物理化学实验报告B Z 振荡反应 Pleasure Group Office【T985AB-B866SYT-B182C-BS682T-STT18】 物理化学实验报告 BZ 振荡反应 1.实验报告 （1）了解BZ 反应的基本原理。 （2）观察化学振荡现象。 （3）练习用微机处理实验数据和作图。 2. 实验原理 化学振荡：反应系统中某些物理量随时间作周期性的变化。 BZ 体系是指由溴酸盐，有机物在酸性介质中，在有（或无）金属离子催化剂作用下构成的体系。有苏联科学家Belousov 发现，后经Zhabotinski 发现而得名。 本实验以BrO -3 ~ Ce +4 ~ CH 2(COOH)2 ~ H 2SO 4作为反映体系。该体系的总反应为： ()()O 4H 3CO COOH 2BrCH COOH 2CH 2BrO 2H 222223++?→?++-+ 1 体系中存在着下面的反应过程。 过程A ： HOBr HBrO 2H Br BrO 2K 32+?→?+++-- 2 2HOBr H Br HBrO 3K 2?→?+++- 3 过程B ： O H 2BrO H HBrO BrO 22K 234+?→?+++- 4 42K 32Ce HBrO H Ce BrO 5++++?→?++ 5 +++?→?H HOBr BrO 2HBrO -3K 26 6 Br - 的再生过程： 当[Br -]足够高时，主要发生过程A ，2反应是速率控制步骤。研究表明，当达到准定态时，有[][][] +-=H BrO K K HBrO 3322。 当[Br -]低时，发生过程B ，Ce +3被氧化。4反应是速率控制步骤。反应将自催化产生HBrO 2，达到准定态时，有[][][] +-≈H BrO 2K K HBrO 3642。 可以看出：Br - 和BrO -3是竞争HbrO 2的。当K 3 [Br - ]>K 4[BrO -3]时，自催化过程不可 能发生。自催化是BZ 振荡反应中必不可少的步骤，否则该振荡不能发生。研究表明，Br -的临界浓度为： 若已知实验的初始浓度[BrO -3]，可由上式估算[Br - ]crit 。 体系中存在着两个受溴离子浓度控制的过程A 和过程B ，当[Br - ]高于临界浓度[Br - ]crit 时发生过程A ，当[Br - ]低于[Br -]crit 时发生过程B 。[Br - ]起着开关的作用，他控制着A,B 之间的变化。这样体系就在过程A 、过程B 间往复振荡。 在反应进行时，系统中[Br - ]、[HbrO 2]、[Ce +3]、[Ce +4]都随时间作周期性的变化，实 验中，可以用溴离子选择电极测定[Br - ]，用铂丝电极测定[Ce +4]、[Ce +3]随时间变化的曲线。溶液的颜色在黄色和无色之间振荡，若再加入适量的FeSO 4邻菲咯啉溶液，溶液 的颜色将在蓝色和红色之间振荡。 从加入硫酸铈铵到开始振荡的时间为t 诱 ，诱导期与反应速率成反比。 即 并得到 作图??? ? ??诱t 1ln ～T 1，根据斜率求出表观活化能表E 。 本实验使用的BZ 反应数据采集接口系统，并与微型计算机相连。通过接口系统测定电极的电势信号，经通讯口传送到PC 。自动采集处理数据。 3.实验仪器与试剂 BZ 反应数据采集接口系统 恒温槽 溴酸钾 mol ·dm -3 磁力搅拌器 硫酸 mol ·dm -3 丙二酸·dm -3 硫酸铈铵4×10-3 mol ·dm -3 微型计算机 反应器 4.实验步骤 设计性实验报告 实验名称酸对B-Z振荡反应的影响 实验报告人学号班级 同组人 实验日期2013 年月日 室温 9.9℃大气压 102.78KPa 指导老师 评分 1、前言 1.1背景材料 在化学反应中，反应产物本身可作为反应催化剂的化学反应称为催化反应。一般的化学反应最终都能达到平衡状态（组分浓度不随时间而改变），而在自催化反应中，有一类是发生在远离平衡态的体系中，在反应过程中的一些参数（如压力、温度、热效应等）或某些组分的浓度会随时间或空间位置作周期的变化，人们称之为“化学振荡”。由于化学振荡反应的特点，如体系中某组分浓度的规律变化在适当条件下能显示出来时，可形成色彩丰富的时空有序现象（如空间结构、振荡、化学波……等）。这种在开放体系中出现的有序耗散结构也证明负熵流的存在，因为在开放体系中，只有足够的负熵流才能使体系维持有序的结构。化学振荡属于时间上的有序耗散结构。 别洛索夫（Belousov ）在1958年首先报道以金属锌离子作催化剂在柠檬酸介质中被溴酸盐氧化时某中间产物浓度随时间周期性变化的化学振荡现象，扎勃丁斯基（Zhabotinski ）进一步深入研究在1964年证明化学振荡体系还能呈现空间有序周期性变化现象。为纪念他们最早期的研究成果，，将后来发现大量的可呈现化学振荡的含溴酸盐的反应体系称为B-Z 振荡反应[1]。 1.2实验原理 随着研究的深入，发现所有的振荡反应都含有自催化反馈步骤，同时也发现了许多能发生振荡反应的体系（振荡器Dscillator ）尽管如此，但化学振荡的动力学机理，特别是产生时一些有序现象的机理仍不完全清楚。对于B-Z 振荡反应，人们比较认可的FKN 机理，是由Field 、Koros 、Noyes 等完成的[2]对含溴酸盐体系的B －Z 振荡反应进行设计性的探讨。 将溴酸钾、硫酸、丙二酸与硝酸铈溶液混合，由于4+Ce 呈黄色而3+Ce 无色，反应中可以观察到体系在黄色和无色之间作周期性的振荡。 丙二酸在硫酸介质中及金属铈离子的催化作用下被溴酸氧化。在过量丙二酸存在时，净反应过程为： -+3222222BrO + 3CH (COOH)+2H = 2BrCH(COOH) + 3CO + 4H O 根据FKN 机理，B-Z 振荡不少于11个元反应，若抓住其中三个关键物质，2HBrO 、-Br 、4+3+Ce /Ce ，则可以简化为用6个元反应来描述： 实验21 化学振荡——B-Z 反应 一.目的要求 1. 了解Belousov-Zhabotinsky 反应(简称BZ 反应)的基本原理，掌握研究化学振荡反应的一般方法。 2. 掌握硫酸介质中铈离子作催化剂时，丙二酸被溴酸氧化体系的基本原理。 3. 了解化学振荡反应的电势测定方法。 4. 测定硫酸-丙二酸-HBrO 3–硝酸铈铵化学振荡体系振荡反应的诱导期与振荡周期，并求出有关反应的活化能。 二.实验原理 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，并报道了以金属铈离子作催化剂时，柠檬酸被HBrO 3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，人们把这类反应统称为BZ 振荡反应。例如丙二酸在溶有硫酸铈的酸性溶液中被溴酸钾氧化的反应就是一个典型的BZ 振荡反应。典型的BZ 系统中，铈离子和溴离子浓度的振荡曲线如图2-21-2所示。 对于以BZ 反应为代表的化学振荡现象，目前被普遍认同的是Field ，K?r?s 和Noyes 在1972年提出的FKN 机理。FKN 机理提出反应由三个主过程组成: 过程A (1) Br –＋BrO 3–＋2H +→HBrO 2＋HBrO (2) Br –＋HBrO 2＋H +→2HBrO 过程B (3) HBrO 2＋BrO 3–＋H +→2BrO 2＋H 2O (4) BrO 2＋Ce 3+＋H +→HBrO 2＋Ce 4+ (5) 2HBrO 2→BrO 3–＋H +＋HBrO 过程C (6) 4Ce 4++BrCH(COOH)2+H 2O +HBrO →2Br –+4Ce 3++3CO 2+6H + 过程A 是消耗Br -，产生能进一步反应的HBrO 2，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，HBrO 2才按式(3)、(4)进行反应，并使反应不断加速，同时，Ce 3+被氧化为Ce 4+。HBrO 2的累积还受到式(5)的制约。 过程C 为丙二酸溴化为BrCH(COOH)2与Ce 4+反应生成Br –使Ce 4+还原为Ce 3+。 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Ce 3+，反应得以再启动，形成周期性的振荡。 该体系的总反应为 2H ++2 BrO 3–+3CH 2(COOH)2??→?+3Ce 2BrCH(COOH)2+3CO 2+4H 2O 振荡的控制离子是Br -。 由上述可见，产生化学振荡需满足三个条件: 1.反应必须远离平衡态。化学振荡只有在远离平衡态，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，可以长期持续振荡。BZ振荡反应-实验报告
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