均相化学振荡反应
物化实验报告_综合实验二B-Z振荡
B-Z振荡反应的研究【摘要】本实验通过丙二酸-溴酸钾-硫酸-硫酸铈铵体系，对B-Z振荡的发生条件如温度、浓度、添加顺序和改变某种物质，影响因素和机理，进行了一些研究，并发现了另外几种能发生振荡的体系。
【关键词】非线性振荡诱导时间起振条件自催化振荡周期Research of the B-Z Chemical VibrationAbstract:This experiment explores the chemical vibration in the system of KBrO3 reacting with CH2(COOH)2. We changed some of the reagent, the temperature of the reaction, the concentration of the solution and the order of adding the reagents then compared the vibration cycle and the inducement time in different conditions, that we can analyze the reacting mechanism of the chemical vibration.Keyword:Non-linear Chemistry, Vibration, Abduction Time, Conditions for Vibration, Self-catalysis, Vibration Period1. 前言非平衡非线性问题是自然界普遍存在的问题,大量研究工作正在进行。
研究的主要问题是：体系在远离平衡态下，由于本身的非线性动力学机制而产生宏观时空有序结构，称为耗散结构。
最典型的耗散结构是BZ 体系的时空有序结构，所谓BZ 体系是指由溴酸盐，有机物在酸性介质中，在有（或无）金属离子催化剂催化下构成的体系，它是由苏联科学家Belousov 发现，后经Zhabotingski 发现而得名。
物理化学实验报告 BZ振荡反应
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 266Br -的再生过程：()++-++++−→−+++6H3CO 4Ce2Br HOBr O H COOH BrCH 4Ce 23K 2247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。
4.5反应将自催化产生达到准定态时，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。
均相反应和非均相反应
均相反应和非均相反应引言均相反应和非均相反应是化学反应中常见的两种类型。
均相反应指的是反应物和产物处于相同的物理状态，如气体相与气体相、液体相与液体相、固体相与固体相。
而非均相反应指的是反应物和产物处于不同的物理状态，如气体相与溶液相、气体相与固体相、气体相与液体相。
本文将从均相反应和非均相反应的定义、特点、速率、催化剂以及应用等方面进行探讨。
一、均相反应1. 定义均相反应是指反应物和产物处于相同的物理状态。
在均相反应中，反应物和产物分子之间的碰撞是随机的，反应速率受反应物浓度和温度的影响。
2. 特点•反应速率快均相反应中，反应物分子之间的碰撞频率较高，反应速率相对较快。
•反应物浓度变化随着反应进行，反应物浓度会逐渐降低，直到达到平衡状态。
•反应机理简单均相反应中，反应物和产物属于相同的物理状态，反应机理相对较为简单。
3. 速率与催化剂•速率均相反应的速率可以通过反应物浓度的变化来衡量，速率与反应物浓度之间存在一定的关系。
并且，随着反应温度的升高，反应速率也会增加。
•催化剂均相反应中，催化剂可以通过降低反应的活化能来增加反应速率。
4. 应用举例•燃烧反应燃烧反应是一种常见的均相反应，其中燃料和氧气以气体相的形式进行反应，生成二氧化碳和水。
•酸碱反应酸碱反应也属于均相反应，其中酸和碱以溶液相的形式进行反应，生成盐和水。
二、非均相反应1. 定义非均相反应是指反应物和产物处于不同的物理状态。
在非均相反应中，反应物之间的碰撞受限制，因此反应速率相对较慢。
2. 特点•反应速率慢非均相反应中，反应物之间的碰撞受限制，反应速率较均相反应相对较慢。
•反应物浓度变化由于反应物处于不同的物理状态，其浓度变化的方式也会有所不同。
•反应机理复杂非均相反应中，反应物和产物处于不同的物理状态，反应机理相对较为复杂。
3. 速率与催化剂•速率非均相反应的速率受反应物之间的接触面积和温度的影响，增大接触面积和提高温度可以提高反应速率。
化学反应工程-1-第一章-均相反应动力学
nk 0 nk nk 1 定义： xk nk 0 nk 0
k组分反应量和初始量之比。 二、反应程度
例4：现有如下基元反应组：
A 2 B C (1) 2 A C D (2)
试写出个组分生成速率与浓度之间的关系。
rB1 2 rC1 k1C A C B k1' CC 解： r1 rA1 2
n kCm C A B
2、速率常数k
Ea k k 0 exp RT
Ea的含义：反映了反应速率对温度的敏感程度。 活化能：40—400KJ/mol。 1 1 当 Ea 40KJ mol ，反应瞬间完成；当 Ea 100KJ mol ，须加热 才能进行。 二、双曲函数型 通常由所设定的机理而导出的，如：
aA bB rR sS
1
化学计量方程：
1 A1 2 A2 i Ai K AK S AS 0(2)
以生成物为正值，反应物为负值。
1.1.2反应转化率和反应程度
1 A1 2 A2 i Ai K AK S AS 0
1.1 基本概念与术语
1.1.1化学反应式和化学反应计量式 ①均相反应：参与反应的各化学组分处于同一相（气相或液 相）内进行化学反应，称为均相反应。 术语: ②化学反应式：描述反应物经化学反应生成产物过程的定量 关系式。 ③化学反应计量式：表示反应物、生成物在化学反应过程中 量的变化关系。 化学反应式 ：
南京大学物化实验系列BZ振荡反应
南京大学化学化工学院
物理化学实验教案
邱金恒
曲线斜率分别得到表观活化能 Eu 和 Ez，同时也可得到经验常数 Au 和 Az。 三．仪器与药品 反应器 100mL1 只，超级恒温槽 1 台，磁力搅拌器 1 台，数字电压表 1 台。 丙二酸 （A.R） 溴酸钾（G.R）硝酸铈铵（A.R） 浓硫酸（A.R） 。 四．实验步骤 1. 按图 3 联好仪器，打开超级恒温槽，将温度调节至 25.0。 2. 配 置 0.45mol/L 丙 二 酸 100mL ， 0.25mol/L 溴 酸 钾 100mL （ 需 水 浴 加 热 溶 解 ） ， 硫酸 3.00mol/L100mL，4×10-3mol/L 硝酸铈铵 100mL（在 0.20mol/L 硫酸介质中配制） 。 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 15mL，恒温 5min 后加 入硝酸铈铵溶液 15mL，观察溶液颜色的变化，由显示的电势曲线到达第一个峰值时记下相 应的诱导时间 t 诱。 4. 用上述方法改变温度为 30℃，35℃，40℃，45℃，50℃重复试验（后三个温度需做两次 取均值） 。 五．注意事项 1．实验中溴酸钾纯度要求高。 2．217 型甘汞电极用 1mol/L 硫酸作液接。 3．配制 0.004mol/L 硫酸铈铵溶液时，一定要在 0.20mol/L 硫酸介质中配制，防止发生水解 呈混浊。溴酸钾溶解度小，需用热水浴加热溶解。 4．反应容器一定要冲洗干净；电极要插入液面下；转子位置和速度要加以控制，不能碰到 电极。 5．反应溶液（包括硫酸铈铵溶液）需预热。
1
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邱金恒
图 1 [X]和[Y]随时间的周期性变化
图 2 反应轨迹曲线
中间产物 X、Y（它们同时也是反应物）的浓度的周期性变化可解释为：反应开始时其 速率可能并不快，但由于反应（1）生成了 X，而 X 又能自催化反应（1） ，所以 X 骤增，随 着 X 的生成，使反应（2）发生。开始 Y 的量可能是很少的，故反应（2）较慢，但反应（2） 生成的 Y 又能自催化反应（2） ，使 Y 的量骤增。但是增加 Y 的同时是要消耗 X 的，则反应 （1）的速率下降，生成 X 的量下降，而 X 量的下降又导致反应（2）速率变慢。随着 Y 量 变少，消耗 X 的量也减少，从而使 X 的量再次增加，如此反复进行，表现为 X、Y 浓度的 周期变化。浓度最高值、最低值所在的点对应着两个准定态。 3．非平衡非线性理论和耗散结构 非平衡非线性问题是自然科学领域中普遍存在的问题。化学的基本规律是非平衡的， 这容易理解， 因为处于平衡态的化学反应系统不会发生宏观的化学变化。 化学的基本规律又 是非线性的。 非线性是相对于线性而言的， 而线性是指因变量与自变量满足线性关系的函数 特性。 化学中涉及的许多函数关系都是非线性的： 例如化学反应速率通常是参加反应的各种 组分的浓度的非线性函数，等等。 传统化学热力学理论（平衡理论）和动力学理论（线性理论）不能解释一些现象，如 某些反应系统中自发产生时间上或空间上高度有序状态的现象（自组织现象） ，而这可以用 非平衡非线性理论加以解释。 自上世纪 60 年代以来， 非平衡非线性理论引起了人们的重视。 非平衡非线性理论研究的主要问题就是耗散结构。 耗散结构论认为：一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定 条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态。形成的新 的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的，称为“耗散结构” 。 耗散结构是在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中通过 内部的非线性动力学机制来耗散环境传来的能量与物质从而形成和维持宏观时空有序的结 构。 4．BZ 振荡反应 BZ 体系是指在酸性介质中，有机物在有（或无）金属离子催化的条件下，被溴酸盐氧 化构成的体系。这个体系在反应过程中某些中间组分的浓度发生周期性变化，外观表现为 反应溶液呈黄色和无色的交替变化，即发生化学振荡现象。BZ 化学振荡反应具有耗散结构 的特征，是最典型的耗散结构，它是在 1958 年由苏联科学家别诺索夫（Belousov）和柴伯 廷斯基（Zhabotinski）发现而得名。
B-Z振荡化学反应及其影响因素
B-Z振荡化学反应及其影响因素刘颖;巴晓微;柳翱;庄蒙蒙【摘要】利用ZD-BZ振荡实验装置对B-Z化学振荡反应的影响因素进行研究,确定了最佳反应条件.通过振荡体系的振荡波形、诱导时间和振荡周期求得动力学参数表观活化能.同时研究了抗坏血酸和间苯二酚对B-Z振荡反应的影响.结果表明,抗坏血酸和间苯二酚的加入,明显地改变了振荡体系的振幅和周期.【期刊名称】《长春工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】9页(P512-520)【关键词】化学振荡;B-Z振荡化学反应;表观活化能【作者】刘颖;巴晓微;柳翱;庄蒙蒙【作者单位】长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春 130012;长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春 130012;长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春 130012;长春工业大学化学与生命科学学院,吉林长春 130012【正文语种】中文【中图分类】O643.1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[1]。
产生化学振荡现象的反应称为化学振荡反应，它包含了大量的化学反应物质，如反应物、生成物、中间体和催化剂，是在开放体系中进行的远离平衡的一类反应。
体系与外界环境交换物质和能量的同时，通过采用适当的有序结构状态耗散环境传来的物质和能量。
这类反应与通常的化学反应不同，它并非总是趋向于平衡态。
发生振荡反应必须满足以下条件[2]：1)反应体系必须是敞开系统；2)远离平衡态；3)反应历程中应有自催化的步骤；4)系统必须有两个稳态存在，即具有双稳定性。
在化学振荡反应中，研究最多的是由溴酸盐、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，简称B-Z振荡反应体系。
1972年，R.J.Fiela、E.Koros和R.Noyes三位学者提出了关于在硫酸介质中以金属铈离子做催化剂的条件下丙二酸被溴酸盐氧化的反应机理，简称FKN机理[3]。
第二章 均相反应动力学 ppt课件
=(
dcA dt
)1
斜率=k
t
f（cA)
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2.2 等温恒容过程
2.2-2 复合反应
（1）平行反应
动力学方程用幂函数型式表示，主副反应均为一级。 A
k1 P k2 S
则(rA）
dcA dt
k1cA
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2.2 等温恒容过程
2.2-2 复合反应
（1）平行反应
k1 P A k2 S
平行反应的产物分布
由 rP
dcP dt
k1cAa1 ,
rS
dcS dt
k2cAa2
得：rP rS
dcP dcS
k1 a1 a2 cA
k2
(2 38)
讨论：1）若a1>a2，则cA应维持在一个较高的水平； 2）若a1<a2，则cA应维持在一个较低的水平； 3）若a1=a2，则rP/rS与cA无关，此时只有通过调节温度来改变k2/k1的值。
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26
习题2-4
高温下将乙烷热裂解生产乙烯，其ur反应s及u 速率方
程如下：C H 26
1.2922 x10-3
6
172.3
60.9
0.3030
1.5157 x10-3
7
164.9
68.3
0.3470
1.7761 x10-3
8
159.2
74.0
0.3820
1.9932 x10-3
均相反应和非均相反应
均相反应和非均相反应1. 引言化学反应是物质之间发生变化的过程，根据反应参与物质的相态可以将化学反应分为均相反应和非均相反应。
均相反应指的是反应中所有参与物质都处于同一相态，而非均相反应则是指反应中参与物质处于不同的相态。
本文将详细介绍均相反应和非均相反应的特点、机理和相关实例。
2. 均相反应均相反应是指在化学反应中，所有参与物质都处于同一相态，通常为气体、液体或溶液。
这种类型的化学反应具有以下特点：•速率快：由于所有参与物质都能直接接触到彼此，分子之间的碰撞频率较高，因此均相反应通常具有较快的速率。
•热量传导方便：在均相系统中，热量可以通过传导迅速平衡，从而保持系统温度稳定。
•溶剂起催化作用：在溶液中进行的均相反应，溶剂可以起到催化作用，加速化学反应进程。
•易于控制：由于所有参与物质处于同一相态，均相反应的条件易于控制，有利于实验操作。
2.1 均相反应的机理均相反应的机理主要包括以下几个步骤：1.反应物的扩散：在均相系统中，反应物分子通过扩散作用互相接近，增加碰撞机会。
2.碰撞与活化：当反应物分子发生碰撞时，必须具备一定的能量以克服活化能垒，使得分子结构发生改变。
3.中间体生成：在反应过程中，可能会生成一些中间体或过渡态，这些物质在后续步骤中进一步转化为产物。
4.产物生成：经过一系列反应步骤后，最终形成产物，并释放出能量。
2.2 均相反应的实例2.2.1 氧化还原反应氧化还原反应是常见的均相反应类型之一。
铁和氧气在高温下发生氧化还原反应：2Fe + O₂ → 2FeO在这个反应中，铁和氧气都处于气体相态，反应快速进行。
2.2.2 酸碱中和反应酸碱中和反应也是均相反应的一种。
盐酸和氢氧化钠在水溶液中发生中和反应：HCl + NaOH → NaCl + H₂O在这个反应中，盐酸和氢氧化钠都处于溶液相态，水起到了溶剂催化作用。
3. 非均相反应非均相反应是指在化学反应中，参与物质处于不同的相态，例如气体与固体、液体与固体之间的反应。
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均相化学振荡反应
Ⅰ．目的要求
一、通过对Belousov-Zhabotinskii反应现象的定性观察和对其诱导期、
平均周期以及寿命的测定，了解均相化学振荡反应的一般规律。
二、学习台式自动记录仪使用方法。
Ⅱ．基本原理
通常的化学反应各组分的浓度总是随时间单调地变化，最后达到平衡
状态。然而在某些化学反应体系中，有些组分的浓度却随时间周期性地变化，
这些现象称为化学振荡。反应若是在溶液中进行，则称均相化学振荡反应。
由于化学振荡反应现象直观地展现了自然界普遍存在的非平衡态非
线性现象，近年来其理论和实验研究都得以普遍的重视，成为化学科学新的
前沿领域。
均相化学振荡反应中研究得最为广泛最为深入的是
Belousov-Zhabotinskii 反应。
Belousov-Zhabotinskii 反应是丙二酸在Ce3+（或Mn2+）催化作用下的
溴氧化反应：
5CH2(COOH)2+3H++3BrO
3
-43/CeCe
3BrCH(COOH)2+2HCOOH+4CO2+5H2O
根据FKN机理,该 反应存在三个过程:
过程A
BrO3-+2Br--+3CH2(COOH)2+3H+→3BrCH(COOH)2+3H2O
过程B
BrO3-+4Ce3++5H+→HOBr+4Ce4++2H2O
过程C
HOBr+4Ce4++BrCH(COOH)2+H2O
→2Br
-+4Ce3++3CO2+6H+
当系统中[Br-]足够大时，反应按A过程进行，[Br-]不断下降，到达其
临界值时，B过程启动，Ce3+被氧化为Ce4+，再通过C过程，Ce4+被还原为
Ce3+，Br-再生，系统中[Br-]不断增大，达到其临界值时又启动A过程，周
而复始形成振荡。
反应系统中[Br-]和[Ce3+]/[Ce4+]随时间周期性变化，由于水溶液中Ce
4+
呈黄色，Ce3+呈无色，因此反应就在黄色和无色之间振荡。
如果在上述溶液中加入适量的邻菲罗啉亚铁离子溶液，那么反应液就
会在蓝色与红色之间振荡。这是由于亚铁离子与邻菲罗啉会形成络合离子，
它和铈离子一起对该振荡反应起催化作用，[Fe(phen)32+]/[Fe(phen)33+]也随时
间周期性变化。
Ⅲ．仪器 试剂
台式记录仪 1台
超级恒温槽（公用） 1台
硫酸亚汞电极 1支
铂电极 1支
培养皿 1只
量筒 50ml、10ml 各1只
烧杯 1000ml 1只
100ml 2只
50ml 2只
搅棒 2只
滴管 2只
台称、电炉 （公用）
试剂：丙二酸、硝酸铈铵、硫酸锰、溴酸钾、硫酸、硫酸亚铁、邻菲罗
啉等。
Ⅳ．实验步骤
一、观察化学振荡现象
1．溶液的配制
A液：称取3克丙二酸置于100ml烧杯中，注入47ml去离水，搅拌
溶解后，加入3ml浓硫酸，然后加入0.2克硝酸铈铵,搅拌溶解。
B液：称取2.5克溴酸钾于100ml烧杯中,注入50ml去离水,搅拌并稍
稍加热溶解之。
邻菲罗啉亚铁溶液配制：称取0.35克硫酸亚铁,0.2克邻菲罗啉于50ml
烧杯中,加入50ml去离子水,搅拌溶解。（此溶液配好后可供公用）
2. 观察现象
用量筒分别量取10ml A液与10ml B液倒入50ml烧杯中混匀静置，
待一会儿可看到溶液颜色由无色变黄色，又从黄色变无色，周期约1分钟。
在上述溶液中，再加入10滴邻菲罗啉亚铁溶液批示剂，以看到溶液
颜色在红色与蓝色之间周期性变化。
在上述溶液中再加入2.5ml邻菲罗啉亚铁溶液批示剂,充分搅拌后倒
入培养皿中,将培养皿水平置于桌子上,下衬一白纸,可以观察到培养皿中
溶液先呈红色,片刻后出现蓝点,并成圆环渐渐扩大,形成各种图案。
二、测定B-Z反应的振荡诱导期、周期和寿命
1．调节好超级恒温槽至水温30±0.5℃。
2．溶液的配制
A液：配制100ml
[CH2(COOH)2]=5.8×10-2mol/dm3 0.6g
[MnSO4]=6.6×10-3mol/dm3 0.1g
[H2SO4]=1.0mol/dm3 8ml
B液: 配制100ml
[KBrO3]=4.8×10-2mol/dm3 0.8g
3. 调好记录仪，走纸速度为4~8mm/min，注意记录笔出水良好，选择
合适的电位零点位置和量程范围。
4. 洗净反应器和电极，将铂电极和硫酸亚汞电极接到记录上。加入
30ml A液于反应器中，开动搅拌机。
5. 一切正常后，加入30ml B液，以此作为反应开始时间。
6. 观察记录仪，从反应开始至振荡出现一段时间称为诱导期，一个完
整的振荡所需的时间为振荡周期，由于在振荡过程中周期会发生改
变，故可取10个周期求平均周期。自振荡开始出现至振荡结束一
段称为振荡寿命。
Ⅴ. 数据处理
一、化学振荡现象的定性观察。用表记录溶液从黄色变无色和从红色变蓝色
的周期。
二、由记录纸上据走纸速度算出振荡的诱导期、平均周期和寿命。
Ⅵ. 提问思考
一、B-Z反应为什么会出现化学振荡现象？
二、振荡反应的诱导期、周期与寿命和哪些因素有关？