介绍一个研究性化学实验——KBrO3与CH2（COOH）2体系的BZ振荡反应

李 晨，王 焆

（淮南师范学院 化学与化工系，安徽 淮南 232001）

介绍一个研究性化学实验
——KBrO3与CH2（COOH）2体系的BZ振荡反应

李 晨，王 焆

（淮南师范学院 化学与化工系，安徽 淮南 232001）

通过对KBrO3与CH2(COOH)2反应体系的化学振荡现象进行探讨，加深对研究化学反应机理方法的理解。实验用浓硫酸作反应介质，硫酸铈铵作催化剂，运用化学动力学方法分析了化学振荡反应机理，并对实验条件及可振荡物质的选取做了研究。

B-Z振荡；溴酸钾丙二酸；诱导时间；振荡周期

1958年，俄国化学家别洛索夫（Belousov）和扎鲍廷斯基（Zhabotinskii）首次报道了以金属铈作催化剂，柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化时可呈现化学振荡现象：溶液在无色和淡黄色两种状态间进行着规则的周期振荡。该反应即被称为Belousov-Zhabotinskii反应，简称B-Z反应[1-3]。

化学振荡反应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[4]。

1 实验目的

（1）了解B-Z（Belousov-Zhabotinski）反应的基本原理。

（2）观察化学振荡现象。

（3）选取合适的实验条件及可振荡物质。

（4）运用化学动力学方法分析化学振荡反应机理。

2 实验原理

2.1 B-Z(Belousov-Zhabotinski)反应的基本原理

关于B-Z振荡反应的机理，前人已做了大量的研究，并取得了一些结果。目前为人们普遍接受的是由Field、和Noyes提出的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FKN机理[5]。具体说来，在此反应体系中，由于[BrO3-/Br-]比值的不同可分为两个反应过程，文献[6]中给出了详细的过程：

过程A：当[Br-]足够大时，体系按这个过程进行：

这就是[Br-]的“控制”作用。另外，之所以能发生振荡现象，是由于存在一个反应（6），Ce4+使得Br-又再生，这就是[Ce4+]的“再生”作用。

2.2 合适反应条件及反应物质的选取

改变反应的条件：如温度、浓度及加入顺序，比较反应的诱导时间及振荡周期；用硫酸锰代替硫酸铈铵，用柠檬酸，乳酸代替丙二酸；分别进行实验观察是否振荡，周期性如何。对比结果，选择最优化的实验条件。

2.3 反应机理的探讨

改变反应体系的反应物、催化剂，用同性质的物质替代，观察实验现象，探讨B-Z振荡反应的机理。

3 仪器与药品

3.1 仪器

BZOAS型BZ振荡反应实验装置(南京南大万和科技有限公司)

3.2 药品

0.2 M溴酸钾、0.45M 丙二酸、3M浓硫酸、0.004M硫酸铈铵、蒸馏水、乳酸、苹果酸、柠檬酸、碘酸钾、硫酸锰(均为分析纯)

4 实验步骤

4.1 加样顺序的影响

将各反应物用量固定，调节恒温槽温度恒定在298K，改变加样的顺序：

（1）最后加入丙二酸（15ml硫酸铈铵+15ml硫酸+15ml溴酸钾+15mL丙二酸）

（2）最后加入硫酸（15ml丙二酸+15ml硫酸铈铵+15ml溴酸钾+15ml硫酸）

（3）最后加入硫酸铈铵（15ml丙二酸+15ml溴酸钾+15ml硫酸+15ml硫酸铈铵）

（4）最后加入溴酸钾（15ml丙二酸+15ml硫酸+15ml硫酸铈铵+15ml溴酸钾）

分别测定各种加样顺序时B-Z反应的诱导时间和反应的振荡周期。

4.2 浓度对反应的影响

分别改变反应体系中硫酸溶液、丙二酸溶液、硫酸铈铵溶液和溴酸钾溶液的用量，将其他溶液的用量固定为15ml，分别测定反应的诱导时间和反应振荡周期。

4.3 温度对反应的影响

将各反应物用量固定，调节恒温槽温度，使反应温度分别为 298K、303K、308K、313K、318K，测量反应的诱导时间和反应振荡周期。

4.4 反应机理探讨

分别以丁二酸代替丙二酸，硫酸锰替代硫酸铈铵，硫酸亚铁铵替代硫酸铈铵，硫代硫酸钠替代硫酸亚铁铵，柠檬酸替代丙二酸，氯酸钾代替溴酸钾，测量反应的诱导时间和反应振荡周期。

5 数据处理

（1）将所有的数据列入相应的表格。

（2）根据实验步骤4.3所测量数据，计算出此反应的表观活化能。

（3）改变反应的条件对反应有何影响。

6 思考题

（1）根据数据和FKN理论给出KBrO3与CH2（COOH）2体系的反应机理，进行化学动力学分析，并讨论各反应条件的改变为何引起的反应参数的变化。

（2）通过实验，总结研究反应机理的一般方法。

（3）还有哪些能够发生化学振荡的反应体系。

7 教学讨论

从实验来看，FKN机理所涉及到HBrO3的开关作用、Br－的控制作用、Ce4+的再生作用都得到了很好的证明。此外，实验还探索了其它一些能够发生化学振荡的反应体系，进一步加深了化学振荡非线性化学现象的认识。

通过本实验的开设，可以使学生了解反应机理的拟定和验证的一般过程，加深学生对化学反应动力学分析的理解和掌握。

[1]刘君利.化学振荡反应研究进展[J].化学通报，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]赵凯元，王育梅.用自制恒温反应器测定B-Z振荡反应[J].铁道师院学报（自然科学版），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

淮南师范学院教研项目（HSJY200865）

李晨（1978-），男，安徽宣城人，淮南师范学院化学与化工系助教，研究方向：物理化学。