介紹一個研究性化學實驗
——KBrO3與CH2（COOH）2體系的BZ振蕩反應

李 晨，王 焆

（淮南師范學院 化學與化工系，安徽 淮南 232001）

介紹一個研究性化學實驗
——KBrO3與CH2（COOH）2體系的BZ振蕩反應

李 晨，王 焆

（淮南師范學院 化學與化工系，安徽 淮南 232001）

通過對KBrO3與CH2(COOH)2反應體系的化學振蕩現象進行探討，加深對研究化學反應機理方法的理解。實驗用濃硫酸作反應介質，硫酸鈰銨作催化劑，運用化學動力學方法分析了化學振蕩反應機理，并對實驗條件及可振蕩物質的選取做了研究。

B-Z振蕩；溴酸鉀丙二酸；誘導時間；振蕩周期

1958年，俄國化學家別洛索夫（Belousov）和扎鮑廷斯基（Zhabotinskii）首次報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可呈現化學振蕩現象：溶液在無色和淡黃色兩種狀態間進行著規則的周期振蕩。該反應即被稱為Belousov-Zhabotinskii反應，簡稱B-Z反應[1-3]。

化學振蕩反應是在開放體系中進行的遠離平衡的一類反應。體系與外界環境交換物質和能量的同時，通過采用適當的有序結構狀態耗散環境傳來的物質和能量。這類反應與通常的化學反應不同，它并非總是趨向于平衡態[4]。

1 實驗目的

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

（2）觀察化學振蕩現象。

（3）選取合適的實驗條件及可振蕩物質。

（4）運用化學動力學方法分析化學振蕩反應機理。

2 實驗原理

2.1 B-Z(Belousov-Zhabotinski)反應的基本原理

關于B-Z振蕩反應的機理，前人已做了大量的研究，并取得了一些結果。目前為人們普遍接受的是由Field、和Noyes提出的關于在硫酸介質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理，簡稱FKN機理[5]。具體說來，在此反應體系中，由于[BrO3-/Br-]比值的不同可分為兩個反應過程，文獻[6]中給出了詳細的過程：

過程A：當[Br-]足夠大時，體系按這個過程進行：

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

2.2 合適反應條件及反應物質的選取

改變反應的條件：如溫度、濃度及加入順序，比較反應的誘導時間及振蕩周期；用硫酸錳代替硫酸鈰銨，用檸檬酸，乳酸代替丙二酸；分別進行實驗觀察是否振蕩，周期性如何。對比結果，選擇最優化的實驗條件。

2.3 反應機理的探討

改變反應體系的反應物、催化劑，用同性質的物質替代，觀察實驗現象，探討B-Z振蕩反應的機理。

3 儀器與藥品

3.1 儀器

BZOAS型BZ振蕩反應實驗裝置(南京南大萬和科技有限公司)

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、蘋果酸、檸檬酸、碘酸鉀、硫酸錳(均為分析純)

4 實驗步驟

4.1 加樣順序的影響

將各反應物用量固定，調節恒溫槽溫度恒定在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）

分別測定各種加樣順序時B-Z反應的誘導時間和反應的振蕩周期。

4.2 濃度對反應的影響

分別改變反應體系中硫酸溶液、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，分別測定反應的誘導時間和反應振蕩周期。

4.3 溫度對反應的影響

將各反應物用量固定，調節恒溫槽溫度，使反應溫度分別為 298K、303K、308K、313K、318K，測量反應的誘導時間和反應振蕩周期。

4.4 反應機理探討

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，測量反應的誘導時間和反應振蕩周期。

5 數據處理

（1）將所有的數據列入相應的表格。

（2）根據實驗步驟4.3所測量數據，計算出此反應的表觀活化能。

（3）改變反應的條件對反應有何影響。

6 思考題

（1）根據數據和FKN理論給出KBrO3與CH2（COOH）2體系的反應機理，進行化學動力學分析，并討論各反應條件的改變為何引起的反應參數的變化。

（2）通過實驗，總結研究反應機理的一般方法。

（3）還有哪些能夠發生化學振蕩的反應體系。

7 教學討論

從實驗來看，FKN機理所涉及到HBrO3的開關作用、Br－的控制作用、Ce4+的再生作用都得到了很好的證明。此外，實驗還探索了其它一些能夠發生化學振蕩的反應體系，進一步加深了化學振蕩非線性化學現象的認識。

通過本實驗的開設，可以使學生了解反應機理的擬定和驗證的一般過程，加深學生對化學反應動力學分析的理解和掌握。

[1]劉君利.化學振蕩反應研究進展[J].化學通報，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.用自制恒溫反應器測定B-Z振蕩反應[J].鐵道師院學報（自然科學版），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

淮南師范學院教研項目（HSJY200865）

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