主讲教师：詹 拥 共

物理化学实验

湖南大学化学实验教学中心

一、实验目的

1.了解 Belousov－ Zhabotinski反应 ( 简称 BZ反应 ) 的基本原理及研究化学振荡反应的方法。

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。

二、实验原理

过程 A (1) Br- ＋ BrO3- ＋ 2H+ → HBrO2 ＋ HBrO

(2) Br- ＋ HBrO2 ＋ H+ → 2HBrO

过程 B (3) HBrO2 ＋ BrO3- ＋ H+ → BrO2

. ＋H2O (4) BrO2

. ＋ Ce3+ ＋ H+ → HBrO2 ＋ Ce4+

(5) 2HBrO2 → BrO3- ＋ H+ ＋ HBrO

(6) 4Ce4+ ＋ BrCH(COOH)2 ＋ H2O ＋HBrO 2Br- ＋ 4Ce3+ ＋ 3CO2 ＋ 6H+

过程 C →

二、实验原理

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 为丙二酸被溴化为 BrCH(COOH)2 ，与Ce4+ 反应生成 Br- 使 Ce4+ 还原为 Ce3+ 。

二、实验原理

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： 3H++3BrO- 3+5CH2(COOH)2

3Ce 3BrCH(COOH)2+4CO2+5H2O+

2HCOOH

振荡的控制离子是 Br- 。

二、实验原理由上述可见，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。

三、实验仪器与试剂

恒温反应器 50mL 1只；超级恒温槽 1台；磁力搅拌器 1 台；记录仪 1 台；或计算机采集系统一套。

丙二酸（ A.R）；溴酸钾（ G.R）；硫酸铈铵 (A.R)；浓硫酸（ A.R）。

四、实验装置示意图

五、实验步骤

2. 在恒温反应器中加入已配好的丙二酸溶液 10mL，溴酸钾溶液 10mL，硫酸溶液 10mL，恒温 10min后加入硫酸铈铵溶液 10mL，观察溶液的颜色变化，同时记录相应的电势－时间曲线。

3. 用上述方法改变温度为30℃ 、 35℃ 、 40℃ 、 45℃ 、 50℃ ，重复上述实验。

1. 按示意图组装仪器。

五、实验注意事项 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 217 型甘汞电极时要用 1mol·dm-3H2SO4 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。 配制 4×10-3 mol·dm-3 的硫酸铈铵溶液时，一定在 0.20 mol·dm-3 硫酸介质中配制，防止发生水解呈混浊。

实验中溴酸钾试剂纯度要求高，所使用的反应容器一定要冲洗干净，磁力搅拌器中转子位置及速度都必须加以控制。

六、实验数据记录与数据处理

1. 从 E－ 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 振和 T 的数据，作 ln （ 1/t

诱）－ 1/T 和 ln1/t1 振－ 1/T 直线的斜率求出表观活化能 E 诱和 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.在 BZ振荡反应试验中，如果用溴离子选择电极和甘汞电极组成电池电极，则实验中测定的是什么离子的电势数据？测定出的曲线是什么形状？

3. 如果用铂电极测量丙二酸的电极曲线，形状应该是怎样的？

4.在 BZ振荡反应试验中，我们是通过测定什么数据来观察反应的振荡现象的？

5. 在 BZ振荡反应实验中，将体系中的哪些物质改变，就可使用饱和氯化钾填充的甘汞电极？

八、其他事项说明

1. 实验结束后将数据记录交老师查验是否科学合理后方可整理仪器设备。

2. 将所有实验设备按要求清洁整理，登记实验操作情况后方可离开实验室。

3. 实验结束后一周之内上交实验报告。