化学振荡B-Z反应
实验14 B-Z振荡反应 操作步骤
实验14 B-Z 振荡反应注意事项：1. 为了防止参比电极中离子对实验的干扰，以及溶液对参比电极的干扰，所用的饱和甘汞电极与溶液之间必须用1 mol/L H 2SO 4盐桥隔离。
2. 所使用的电解池、电极和一切与溶液相接触的器皿是否干净是本实验成败的关键，故每次实验完毕后必须将所有用具冲洗干净。
3. 大多数反应在所研究的一定温度范围内是符合阿累尼乌斯公式的，包括基元反应和一些复杂反应。
只是复杂反应的活化能是组成该反应各基元步骤的活化能的代数和。
通常，称复杂反应的活化能为表观活化能。
实验步骤：1. 配制溶液分别用蒸馏水配制0.004 mol/L 硫酸高铈(必须在0.2 mol/L 硫酸介质中配制)、0.4 mol/L 丙二酸、0.2 mol/L 溴酸钾、3 mol/L 硫酸各100 mL 。
2. 准备工作（1）测量线路如图14-1所示。
（Pt 电极连接绿色接线，参比电极连接白色接线）【注意：所用的饱和甘汞电极与溶液之间必须用1 mol/L H 2SO 4盐桥隔离。
】 （2）打开电化学工作站电源预热十分钟；同时开启超级恒温水槽的“循环”开关和“加热”开关。
（3）调节超级恒温水槽的温度为30 0C （或比当时的室温高3~5 0C ）完后再按，完成温度设置。
【注意：带有循环水夹层的小烧杯放置在磁力加热搅拌器上，但只用其搅拌功能，不使用其加热功能！烧杯内溶液温度，靠循环水控制。
】 （4）将配好的硫酸铈铵、丙二酸和硫酸溶液各10 mL 放入已洗干净的电解池中，同时也将10 mL 溴酸钾溶液在恒温槽中恒温。
开启电磁搅拌的电源使溶液在设定的温度下恒温至少10分钟。
在以下系列实验过程中尽量使搅拌子的位置和转速保持一致。
（5）通过计算机使电化学分析仪进入Windows 工作界面，在工具栏里通过鼠标点击“T”（实验技术），此时屏幕上显示一系列实验技术的菜单；点击“Open Circuit Potential-Time”（即应用“开路电位-时间”技术），点击“OK”；再点击工具栏里的参数设置键，在对话框中填入适当的“数值”：*Run Time (sec) = “800” (在实验过程中根据需要可随时终图14-1 振荡反应测量线路图图14-2 化学振荡反应的电位-时间曲线止实验。
B-Z化学振荡反应
B-Z化学振荡反应B-Z 化学振荡反应⼀、实验⽬的:1、了解Belousov-Zhabotinsky 反应（简称BZ 反应）的基本原理及研究化学震荡反应的⽅法；2、掌握在硫酸介质中以⾦属铈离⼦作催化剂时，丙⼆酸别溴酸氧化体系的基本原理；3、了解化学震荡反应的表观活化能计算⽅法。
⼆、实验原理:BZ 振荡反应是⽤⾸先发现这类反应的前苏联科学家Belousov 及Zhabotinsky 的名字⽽命名。
该反应由三个主过程组成：322322234223243222A 1)22)2B3)24)5)2C6)4()2436Br BrO H HBrO HBrO Br HBrO H HBrO HBrO BrO H BrO H O BrO Ce H HBrO Ce HBrO BrO H HBrO Ce BrCH COOH H O HBrO Br Ce CO H --+-+-++++-++-++++→+++→++→+++→+→+++++→+++过程过程过程总反应为322222223()2()3+4CeH Br CH COOH BrCH COOH CO H O ++-++→+根据公式ln1/t 诱=-E 诱/RT+C 可计算出表观活化能E 诱三、实验试剂与仪器BZOAS-IIS 型BZ 反应数据采集接⼝系统、微型计算机、HK-2A 型恒温槽、反应器、磁⼒搅拌器；丙⼆酸0.45mol ·dm-3、溴酸钾0.25 mol ·dm-3、硫酸3.00 mol ·dm-3、硫酸铈铵4×10-3 mol ·dm-3。
四、实验步骤1、连接好仪器，打开超级恒温⽔浴，将温度调节⾄35±0.1℃；2、打开电脑，双击打开bzl ﹒exe 系统软件，选择“设置参数”选项进⾏参数设置：横坐标极值：1000s 纵坐标极值：1200mv纵坐标零点：700mv 起始阀值：6 “画图起始点”选择“从测量开始即画”；3、在反应器中加⼊已配好的丙⼆酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各10ml ，恒温搅拌10min后，加⼊硫酸铈铵溶液10ml，迅速插⼊电极，点击“开始实验”。
B-Z振荡反应操作步骤
BZ化学振荡反应操作步骤参数矫正温度校正:1. 把温度传感器和水银温度计插入超级恒温槽中; 开启电源和循环水泵, 不加热;2. 待传感器的信号稳定后, 输入水银温度计指示的当前温度, 按下“低点”部位的“确定”键。
3. 打开恒温槽的加热开关，使水温上升10度以上。
4. 待传感器的信号稳定后，输入水银温度计指示的当前温度，按下“高点”部位的“确定”键5. 再按最下方的“确定”键.至此, 定标工作完成. 退出. 电压参数一般情况下不需要矫正.参数设置1.横坐标最大值：300秒（即反应时间）2. 纵坐标最大值：1200 mV；3. 纵坐标0 点：700 mV；3.起波阈值：默认值6 mV；4.画图起点：yes : 实验一开始就画图。
要求按“yes”。
5.目标温度即反应试验温度，第一个实验温度为从30 ℃左右（以后每次升高5 ℃左右，至少要做三个温度）。
开始实验电压输出铂电极接“+ ”，参比电极接“—”在反应器中加入:0.25 mol / L溴酸钾溶液0.45 mol / L丙二酸溶液各15 mL待温度到达设定值后(左上角出现图标后, 点击图标)_，再按“开始实验”，当出现对话框“是否保存波形”？，按“是”，取文件名(文件名的后缀为dat, 不能改变, 文件名中，不能带“. ”、“/ ”等非文字符号。
)，注意此时不要按回车键加入15 mL浓度为0.004 mol / L的硫酸铈铵溶液，马上按回车键，反应开始，电脑开始记时。
做完一个温度后，打印图纸, 如果不能打印, 请记下实验温度和起波时间。
然后在目录中点击“修改目标温度”，即下一个实验的温度。
重复第一个温度的操作步骤。
注意，每改变一个温度，都要取一个不同的文件名。
至少做三个温度，能做五个温度最好。
做完三个或五个温度后，按“退出”，退出时也要取一个文件名，（此时文件名的后缀为txt）。
该文件名为整个实验的文件名。
数据处理:按“从数据文件中读取数据”，调出实验中“txt”文件名，在按“使用当前数据进行数据处理”，计算机自动计算，在按“打印”即可。
B-Z化学震荡反应
B-Z 化学振荡反应一、实验目的1.了解BZ 振荡反应的基本原理；体会自催化过程是产生振荡反应的必要条件。
2.初步理解耗散结构系统远离平衡的非线性动力学机制。
3.了解化学振荡反应的表观活化能计算方法二、实验原理BZ 振荡反应是用首先发现这类反应的前苏联科学家Belousov 及Zhabotinsky 的名字而命名。
该反应由三个主过程组成：322322234223243222A 1)22)2B3)24)5)2C6)4()2436Br BrO H HBrO HBrOBr HBrO H HBrOHBrO BrO H BrO H OBrO Ce H HBrO Ce HBrO BrO H HBrOCe BrCH COOH H O HBrO Br Ce CO H --+-+-++++-++-++++→+++→++→+++→+→+++++→+++过程过程过程 总反应为322222223()2()3+4Ce H Br CH COOH BrCH COOH CO H O ++-++−−−→+根据公式ln1/t 诱=-E 诱/RT+C 可计算出表观活化能E 诱 三、实验试剂与仪器BZOAS-IIS 型BZ 反应数据采集接口系统 微型计算机 HK-2A 型恒温槽 反应器 磁力搅拌器 丙二酸0.45mol ·dm-3 溴酸钾0.25 mol ·dm-3 硫酸3.00 mol ·dm-3 硫酸铈铵4×10-3 mol ·dm-3四、实验步骤1.连接好仪器，打开超级恒温水浴，将温度调节至35±0.1℃；2.在反应器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各10ml ；3.打开磁力搅拌器，调节合适速度；4.恒温10min 后，加入硫酸铈铵溶液15ml ，观察溶液颜色的变化，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40℃、45℃、50℃、55℃重复实验，并记下t 诱；10.根据t 诱与温度数据诱作图。
BZ振荡反应
4.选择电压量程为2V（显示为“UL 2V”），将测试线两端短 接，按下“采零”键，清零后将红端接铂电极，黑端接双盐 桥电极。
实验步骤
5.恒温5分钟后加入硝酸铈铵溶液，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（点击 “数据通讯”— “开始绘图”）。
B-Z反应及其机理
目前人们已经发现的化学振荡反应的种类比较多,但最受
人们重视并且被广泛深入研究的是B-Z反应。 对B-Z反应机理的分析，最有代表性的工作是
Field, Koros和Noyes3位科学家完成的，合称 为FNK机理。
简
A BrO3-+2Br-+3CH2(COOH)2 → 3BrCH(COOH)2+3H2O
三、试剂与仪器
试剂：丙二酸；硫酸；溴酸钾；硝酸 铵。
仪器：ZD-BZ振荡实验装置 1台
联想电脑
1台
SYC-15超级恒温水浴 1台
213型铂电极
1只
双盐桥甘汞电极 1只
磁子
1个
四、实验步骤
1. 先打开实验仪器，再打开计算机，启动程序，设置串行口、 坐标系和采样时间。
2.将红、黑两测试线按“红”+、“黑”—接入被测线压输 入口。按图连接好仪器，按照超级恒温水浴的使用方法，将 温度控制在25℃±0.1 ℃，待温度稳定后接通循环水。
但之后很长时间内人们一直无法从热力学的角度来解 释化学振荡反应产生的原因。造成了化学振荡反应被人 们冷落了很长时间。
20世纪50年代末B-Z反应的发现之后，研究步伐大大 提高，至今余热不减。
化学振荡和自组织现象
化学振荡B-Z反应
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 ，Körös 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。
B-Z振荡反应实验报告
B-Z振荡反应条件探究PB12030008 崔常松中国科学技术大学12级14系摘要：本次实验为探究B-Z振荡反应的各反应条件，反应主体为：溴酸钾-丙二酸-硫酸铈铵-硫酸体系，主要研究了反应物加入顺序、反应温度、反应物浓度以及一些离子的加入对该B-Z 振荡反应体系的影响。
以溶液的电极电位为考察点，探究因素包括B-Z振荡反应的诱导时间，振荡周期和振荡反应发生的条件等。
最后探究了B-Z振荡反应的反应机理。
关键词：B-Z振荡反应诱导时间振荡周期化学振荡Factors influencing the B-Z oscillation reactionPB12030008 cui changsong(The university of science and technology of china, Hefei, 230026) Abstracts：In this experiment, we study the factors which influence the starting, induction time and the oscillation cycle. Specifically, we take four steps to study it. First, change the order of reactants adding to the system. Second, change the reaction temperature from 25℃to 45℃. And third, change the concentration of four reactants. Finally, we study the influence of other reductions, such as, Propionate, Succinate and Glucose. Key words: B-Z oscillation reaction induction time oscillation cycle¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯前言：化学振荡反应是具有非线性动力学微分速率方程的一类反应，是在开放体系中进行的远离平衡的一类反应。
B-Z振荡反应
图1 仪器装置
四、实验步骤
1.观察体系的颜色变化，记录相应的电势曲线。 按图1连接好仪器装置。接通计算机，打开超级恒温 槽，设定温度在25.0±0.1℃。在100mL干净的反应 器中加入浓度为0.5mol·dm-3 的丙二酸10.5mL、浓度 为 0.2mol·dm-3的KBrO3 22.5mL、浓度为 0.8mol·dm-3 的硫酸27mL，开启搅拌。打开数据采集软件，设置 好 参 数 ， 待 溶 液 恒 温 5min 后 ， 加 入 6mL 浓 度 为 0.02mol·dm-3硫酸铈铵溶液，单击开始实验，观察溶 液颜色变化及相应的电势变化曲线。
七、思考题 思考题
• 1. 本实验记录的电势主要代表了什么意思？ 它于Nernst方程求得的电势有何不同？为什 么？ • 2. 为什么B-Z反应有诱导期？反应何时进入 振荡期？ • 3．影响诱导期的主要因素有哪些？ • 4.体系中什么样的反应步骤行为最为关键？
时间振荡反应
溶液a： 丙二酸 溶液 ：3 g丙二酸 ＋ 3 ml浓硫酸 浓硫酸 蒸馏水＋ ＋ 47 ml蒸馏水＋ 0.2 g Ce(SO4)2 蒸馏水 溶液b： 溶液 ：2.7 g KBrO3 ＋ 50 ml蒸馏水 蒸馏水 ＋ 2 ml 试亚铁灵
二、实验原理
• 上式表明HBrO2 的生成具有自催化的特点， HBrO2的增长要受到2HBrO2 →BrO3- +HOBr +H+ 的限制，因此B过程的总反应为 • [BrO3-]+ 4Ce3+ +5H+ → HOBr + 4Ce4++2H2O ， • Br-的再生可通过下列过程实现： • 4Ce4+ + BrCH(COOH)2 + H2O + HOBr → 2Br+4Ce3+ +3CO2+6H+ k6(6) 体系的总反应为：2H+ + 2BrO3- +2CH2(COOH)2 → 2BrCH(COOH)2 + 3CO2 + 4H2O
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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 ，Körös 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。
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HBrO 2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，测定吸光度随时间的变化，测定电势随时间的变化等。
按在FKN 机理基础上建立的俄勒冈模型，推导可得振荡周期t 与过程C 即反应步骤(6)的速率系数及有机物浓度呈反比关系，比例常数还与其他步骤的速率系数有关。
如测定不同温度下的振荡周期，并近似地忽略比例常数随温度的变化，则可应
用公式 I RT
E t +-=诱诱1ln (2-21-1) 'ln I RT
E t +-=振振1 (2-21-2) 可估算过程C 即反应步骤(6)的表观活化能E 诱、E 振。
另一方面，随着反应的进行，有机物浓度逐渐减少，振荡周期将逐渐增大，并最终停止振荡，反应终止。
本实验采用电动势法测量反应过程中离子浓度的变化。
以甘汞电极作为参比电极，用铂电极测定不同价位铈离子浓度的变化，用离子选择性溴电极测定溴离子浓度的变化。
本实验通过测定离子选择性电极上的电势(U)随时间(t )变化的U-t 曲线来观察BZ 反应的振荡现象，同时测定不同温度对振荡反应的影响。
根据U -t 曲线，得到诱导期(t 诱)和振荡周期(t 1振，t 2振，…)。
三.仪器试剂
超级恒温槽 1台 磁力搅拌器 1台
双笔记录仪 1台 玻璃恒温反应器(100mL) 1只
溴离子离子选择性电极 1支 铂电极 1支
饱和甘汞电极 1支 容量瓶(100mL) 1只
丙二酸(0.45 mol·L –1) 溴酸钾(0.25 mol·L –1)
硫酸(3.0 mol·L –1)
硫酸铈铵(0.004 mol·L –1含0.20 mol·L –1硫酸)
四.实验步骤
1. 按图2-21-1连接好仪器，打开超级恒温槽，将温度调节到(25.0℃±0.1)℃。
铂电极所连接的记录笔灵敏度设为25 mV ⋅cm -1，与溴离子选择性电极连接的记录笔灵敏度设为50 mV ⋅cm -1，走纸速率设为60 cm ⋅h -1。
2. 在恒温反应器中分别加入已配好的丙二酸溶液10mL 、溴酸钾溶液10mL 和硫酸溶液10mL ，开启磁力搅拌器;将盛有硫酸铈铵溶液的容量瓶放入恒温器中恒温，待恒温15min 后取恒温的硫酸铈铵溶液10 mL 加入反应器中，同时打开记录仪记录相应的电势－时间曲线，并观察溶液的颜色变化。
3. 用上述方法改变温度为30℃、35℃、40℃，重复上述实验。
五.注意事项
1. 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。
2. 配制4×10-3mol·L–1的硫酸铈铵溶液时，一定要在0.20 mol·L–1硫酸介质中配制，防止发生水解呈混浊。
六.数据处理
1. 从U-t曲线中得到诱导期和第一、二振荡周期。
2. 根据t诱、t1振、t2振与T的数据，作ln(1/t诱)-1/T和ln(1/t1振)-1/T图，由直线的斜率求出表观活化能E诱、E振。
七.思考题
1. 影响诱导期和振荡周期的主要因素有哪些?
2. 简述一下你所了解的振荡反应过程。
参考文献
[1] 北京大学化学学院物理化学实验教学组编. 物理化学实验，北京：北京大学出版社，2002年4月第4版
[2] 复旦大学等编.庄继华等修订.物理化学实验.北京：高等教育出版社，2004年6月第3版
[3] 傅献彩，沈文霞，姚天扬，侯文华编.物理化学(下册).北京:高等教育出版社，2005年7月第5版
[4] 金丽萍，邬时清，陈大勇编.物理化学实验.上海：华东理工大学出版社，2005年1月第2版。