介紹一個(gè)研究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)
——KBrO3與CH2（COOH）2體系的BZ振蕩反應(yīng)

李 晨，王 焆

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南 232001）

介紹一個(gè)研究性化學(xué)實(shí)驗(yàn)
——KBrO3與CH2（COOH）2體系的BZ振蕩反應(yīng)

李 晨，王 焆

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南 232001）

通過(guò)對(duì)KBrO3與CH2(COOH)2反應(yīng)體系的化學(xué)振蕩現(xiàn)象進(jìn)行探討，加深對(duì)研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理方法的理解。實(shí)驗(yàn)用濃硫酸作反應(yīng)介質(zhì)，硫酸鈰銨作催化劑，運(yùn)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法分析了化學(xué)振蕩反應(yīng)機(jī)理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)條件及可振蕩物質(zhì)的選取做了研究。

B-Z振蕩；溴酸鉀丙二酸；誘導(dǎo)時(shí)間；振蕩周期

1958年，俄國(guó)化學(xué)家別洛索夫（Belousov）和扎鮑廷斯基（Zhabotinskii）首次報(bào)道了以金屬鈰作催化劑，檸檬酸在酸性條件下被溴酸鉀氧化時(shí)可呈現(xiàn)化學(xué)振蕩現(xiàn)象：溶液在無(wú)色和淡黃色兩種狀態(tài)間進(jìn)行著規(guī)則的周期振蕩。該反應(yīng)即被稱(chēng)為Belousov-Zhabotinskii反應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)B-Z反應(yīng)[1-3]。

化學(xué)振蕩反應(yīng)是在開(kāi)放體系中進(jìn)行的遠(yuǎn)離平衡的一類(lèi)反應(yīng)。體系與外界環(huán)境交換物質(zhì)和能量的同時(shí)，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)挠行蚪Y(jié)構(gòu)狀態(tài)耗散環(huán)境傳來(lái)的物質(zhì)和能量。這類(lèi)反應(yīng)與通常的化學(xué)反應(yīng)不同，它并非總是趨向于平衡態(tài)[4]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

（1）了解B-Z（Belousov-Zhabotinski）反應(yīng)的基本原理。

（2）觀察化學(xué)振蕩現(xiàn)象。

（3）選取合適的實(shí)驗(yàn)條件及可振蕩物質(zhì)。

（4）運(yùn)用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法分析化學(xué)振蕩反應(yīng)機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 B-Z(Belousov-Zhabotinski)反應(yīng)的基本原理

關(guān)于B-Z振蕩反應(yīng)的機(jī)理，前人已做了大量的研究，并取得了一些結(jié)果。目前為人們普遍接受的是由Field、和Noyes提出的關(guān)于在硫酸介質(zhì)中以金屬鈰離子作催化劑的條件下，丙二酸被溴酸氧化的機(jī)理，簡(jiǎn)稱(chēng)FKN機(jī)理[5]。具體說(shuō)來(lái)，在此反應(yīng)體系中，由于[BrO3-/Br-]比值的不同可分為兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程，文獻(xiàn)[6]中給出了詳細(xì)的過(guò)程：

過(guò)程A：當(dāng)[Br-]足夠大時(shí)，體系按這個(gè)過(guò)程進(jìn)行：

這就是[Br-]的“控制”作用。另外，之所以能發(fā)生振蕩現(xiàn)象，是由于存在一個(gè)反應(yīng)（6），Ce4+使得Br-又再生，這就是[Ce4+]的“再生”作用。

2.2 合適反應(yīng)條件及反應(yīng)物質(zhì)的選取

改變反應(yīng)的條件：如溫度、濃度及加入順序，比較反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間及振蕩周期；用硫酸錳代替硫酸鈰銨，用檸檬酸，乳酸代替丙二酸；分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察是否振蕩，周期性如何。對(duì)比結(jié)果，選擇最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件。

2.3 反應(yīng)機(jī)理的探討

改變反應(yīng)體系的反應(yīng)物、催化劑，用同性質(zhì)的物質(zhì)替代，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探討B(tài)-Z振蕩反應(yīng)的機(jī)理。

3 儀器與藥品

3.1 儀器

BZOAS型BZ振蕩反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置(南京南大萬(wàn)和科技有限公司)

3.2 藥品

0.2 M溴酸鉀、0.45M 丙二酸、3M濃硫酸、0.004M硫酸鈰銨、蒸餾水、乳酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸、碘酸鉀、硫酸錳(均為分析純)

4 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1 加樣順序的影響

將各反應(yīng)物用量固定，調(diào)節(jié)恒溫槽溫度恒定在298K，改變加樣的順序：

（1）最后加入丙二酸（15ml硫酸鈰銨+15ml硫酸+15ml溴酸鉀+15mL丙二酸）

（2）最后加入硫酸（15ml丙二酸+15ml硫酸鈰銨+15ml溴酸鉀+15ml硫酸）

（3）最后加入硫酸鈰銨（15ml丙二酸+15ml溴酸鉀+15ml硫酸+15ml硫酸鈰銨）

（4）最后加入溴酸鉀（15ml丙二酸+15ml硫酸+15ml硫酸鈰銨+15ml溴酸鉀）

分別測(cè)定各種加樣順序時(shí)B-Z反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間和反應(yīng)的振蕩周期。

4.2 濃度對(duì)反應(yīng)的影響

分別改變反應(yīng)體系中硫酸溶液、丙二酸溶液、硫酸鈰銨溶液和溴酸鉀溶液的用量，將其他溶液的用量固定為15ml，分別測(cè)定反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間和反應(yīng)振蕩周期。

4.3 溫度對(duì)反應(yīng)的影響

將各反應(yīng)物用量固定，調(diào)節(jié)恒溫槽溫度，使反應(yīng)溫度分別為 298K、303K、308K、313K、318K，測(cè)量反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間和反應(yīng)振蕩周期。

4.4 反應(yīng)機(jī)理探討

分別以丁二酸代替丙二酸，硫酸錳替代硫酸鈰銨，硫酸亞鐵銨替代硫酸鈰銨，硫代硫酸鈉替代硫酸亞鐵銨，檸檬酸替代丙二酸，氯酸鉀代替溴酸鉀，測(cè)量反應(yīng)的誘導(dǎo)時(shí)間和反應(yīng)振蕩周期。

5 數(shù)據(jù)處理

（1）將所有的數(shù)據(jù)列入相應(yīng)的表格。

（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟4.3所測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出此反應(yīng)的表觀活化能。

（3）改變反應(yīng)的條件對(duì)反應(yīng)有何影響。

6 思考題

（1）根據(jù)數(shù)據(jù)和FKN理論給出KBrO3與CH2（COOH）2體系的反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)行化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，并討論各反應(yīng)條件的改變?yōu)楹我鸬姆磻?yīng)參數(shù)的變化。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)研究反應(yīng)機(jī)理的一般方法。

（3）還有哪些能夠發(fā)生化學(xué)振蕩的反應(yīng)體系。

7 教學(xué)討論

從實(shí)驗(yàn)來(lái)看，F(xiàn)KN機(jī)理所涉及到HBrO3的開(kāi)關(guān)作用、Br－的控制作用、Ce4+的再生作用都得到了很好的證明。此外，實(shí)驗(yàn)還探索了其它一些能夠發(fā)生化學(xué)振蕩的反應(yīng)體系，進(jìn)一步加深了化學(xué)振蕩非線性化學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，可以使學(xué)生了解反應(yīng)機(jī)理的擬定和驗(yàn)證的一般過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析的理解和掌握。

[1]劉君利.化學(xué)振蕩反應(yīng)研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，1987，(11):1

[2]Alexander S.Mikhailov and Kenneth Showalter. Controlofwaves，patterns and turbulence in chemical systems[J].Physics Reports，2006，42（5）: 79-194

[3]R.J.Field and M.Burger.Oscillationsand Travelling waves in Chemical Systems[M].New York：Wiley，1985

[4]趙凱元，王育梅.用自制恒溫反應(yīng)器測(cè)定B-Z振蕩反應(yīng)[J].鐵道師院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1995，12（4）:52

[5]R.M.Noyes，R.Field，E.Koros.Oscillation in chemical systems.I.Detailed mechanism in a system showingtemporal oscillations [J].J.Am. Chem.Soc.1972，94（4）:1394-1395

[6]L Gyorgyi and R.J.Field.Simple models of deterministic chaos in the Belousov-Zhabotinskii reaction[J].J.Phys.Chem.1991，95(17):6594-6602

O6-33

A

1009-9530（2010）05-0003-02

2010-05-11

淮南師范學(xué)院教研項(xiàng)目（HSJY200865）

李晨（1978-），男，安徽宣城人，淮南師范學(xué)院化學(xué)與化工系助教，研究方向：物理化學(xué)。