基于課堂演示的BZ振蕩反應(yīng)改進(jìn)＊

伍星宇

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基于課堂演示的BZ振蕩反應(yīng)改進(jìn)＊

伍星宇

（珠海市第一中學(xué)高三（18）班，廣東 珠海 519000）

化學(xué)振蕩反應(yīng)呈現(xiàn)周期性變化，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)別羅索夫和扎鮑廷斯基發(fā)現(xiàn)的B-Z反應(yīng)配方的改進(jìn)，使振蕩反應(yīng)的速率可控、反應(yīng)現(xiàn)象明顯、周期縮短，并減少實(shí)驗(yàn)中溴氣的釋放，實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)，適合課堂演示。

BZ振蕩反應(yīng)；課堂演示；實(shí)驗(yàn)配方；反應(yīng)物

化學(xué)振蕩是物理化學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，化學(xué)振蕩反應(yīng)是在開(kāi)放體系中進(jìn)行的遠(yuǎn)離平衡一類反應(yīng)，這類反應(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)。BZ振蕩兼具可觀性和趣味性，如圖1所示，可以呈現(xiàn)出豐富多彩的時(shí)間空振蕩、化學(xué)波等，可是應(yīng)用文獻(xiàn)記載和常用的配方做振蕩實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)振蕩周期過(guò)長(zhǎng)、顏色變化不明顯等不利于課堂演示的問(wèn)題。所以，筆者積極研究了Belousov-Zhabotinsky振蕩反應(yīng)（簡(jiǎn)稱B-Z反應(yīng)）的振蕩體系，期望探究出適宜的教師課堂演示方案。筆者選用的基礎(chǔ)配方是1985年俄國(guó)化學(xué)家別羅索夫和扎鮑廷斯基發(fā)現(xiàn)的，即以金屬鈰作催化劑，檸檬酸在酸性條件下被溴酸鉀氧化而呈現(xiàn)化學(xué)振蕩現(xiàn)象，溶液在無(wú)色和淡黃色兩種狀態(tài)之間進(jìn)行著規(guī)則的周期振蕩。筆者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究法，通過(guò)探究反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物加入順序、不同催化劑的效果，以期找出反應(yīng)最佳配方，用于課堂演示，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。振蕩反應(yīng)現(xiàn)象如圖1所示。

1 振蕩反應(yīng)機(jī)理[1]

1972年，由Field、Kdr6s和Noyes這3位科學(xué)家提出了經(jīng)典的B-Z反應(yīng)振蕩機(jī)理，在硫酸介質(zhì)中，金屬鈰離子（Ce4+/Ce3+）作催化劑的條件下丙二酸被溴酸氧化。FKN機(jī)理分為以下3個(gè)過(guò)程。

當(dāng)[Br-]濃度較大時(shí)，該反應(yīng)占主導(dǎo)地位：BrO3-+5Br--+6H+→3Br2+3H2O（過(guò)程A）.

當(dāng)[Br-]濃度較小時(shí)，發(fā)生HBrO2的自催化反應(yīng)：2Ce3++ BrO3-+ HBrO2+3H+→2Ce4++2HBrO2+H2O.

在自催化反應(yīng)中，HBrO2的濃度以指數(shù)函數(shù)的規(guī)律迅速增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)會(huì)受到以下反應(yīng)的限制：2HBrO2→BrO3-+ HOBr+H+，因此，形成第二個(gè)總反應(yīng)（過(guò)程B），即BrO3-+4Ce3++5H+→HOBr+4Ce4++2H2O（B）.

Br-通過(guò)溴化有機(jī)物被四價(jià)飾離子氧化而再生形成反饋，第三個(gè)總反應(yīng)（過(guò)程C）為：HOBr+4Ce4++Br2-+3H2O→2Br-+ 4Ce3++3CO2+6H+（C）.

A，B和C反應(yīng)組成BZ體系的全過(guò)程。隨著振蕩反應(yīng)的進(jìn)行，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間后，反應(yīng)物消耗殆盡，體系達(dá)到平衡態(tài)，導(dǎo)致振蕩反應(yīng)結(jié)束。

2 研究過(guò)程

要想使反應(yīng)的速率可控、反應(yīng)現(xiàn)象明顯、振蕩周期縮短，則必須探究影響波紋呈現(xiàn)的因素。筆者從反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)物加入順序和不同催化劑的影響等方面進(jìn)行了探究，研究方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論如下。研究方案一中硫酸濃度對(duì)振蕩反應(yīng)的速率的影響如表1所示。

結(jié)論：當(dāng)硫酸的濃度在6 mol時(shí)，振蕩反應(yīng)的速率適中。

研究方案二中反應(yīng)物加入順序?qū)φ袷幏磻?yīng)波紋顏色的影響如表2所示。

實(shí)驗(yàn)記錄如表3所示。

研究方案三中催化劑對(duì)振蕩反應(yīng)的影響如表4所示。

表1 研究方案一中硫酸濃度對(duì)振蕩反應(yīng)的速率的影響

試劑溴酸鉀（0.5 mol/L）丙二酸（0.5 mol/L）溴化鉀（0.5 mol/L）硫酸鄰菲啰啉（0.5 mol/L）硝酸鈰銨（0.5 mol/L）二階鐵（0.5 mol/L）實(shí)驗(yàn)結(jié)果 16 mL2.5 mL1 mL1.2 mL（5 mol/L）1 mL1 mL1 mL反應(yīng)速率偏慢 26 mL2.5 mL1 mL1.2 mL（6 mol/L）1 mL1 mL1 mL反應(yīng)速率適中 36 mL2.5 mL1 mL1.2 mL（7 mol/L）1 mL1 mL1 mL反應(yīng)速率偏快

表2 研究方案二中反應(yīng)物加入順序?qū)φ袷幏磻?yīng)波紋顏色的影響

反應(yīng)物溴酸鉀丙二酸溴化鉀硫酸菲林啰啉硫酸亞鐵硝酸鈰銨 標(biāo)量6 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL

表3 實(shí)驗(yàn)記錄

方案用量反應(yīng)物加入順序：從左至右依次加入波紋顏色 1標(biāo)量溴酸鉀→丙二酸→溴化鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨紅藍(lán) 2標(biāo)量溴酸鉀→溴化鉀→丙二酸→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨紅藍(lán) 3標(biāo)量溴化鉀→溴酸鉀→丙二酸→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨綠紅 4標(biāo)量溴化鉀→丙二酸→溴酸鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨無(wú) 5標(biāo)量丙二酸→溴化鉀→溴酸鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨綠紅 6標(biāo)量丙二酸→溴酸鉀→溴化鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨綠紅（近粉） 7標(biāo)量溴酸鉀→丙二酸→溴化鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅 8標(biāo)量溴酸鉀→溴化鉀→丙二酸→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵紫綠 9標(biāo)量溴化鉀→丙二酸→溴酸鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅 10標(biāo)量溴化鉀→溴酸鉀→丙二酸→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紫 11標(biāo)量丙二酸→溴化鉀→溴酸鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅 12標(biāo)量丙二酸→溴酸鉀→溴化鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅

表4 研究方案三中催化劑對(duì)振蕩反應(yīng)的影響

試劑溴酸鉀（0.5 mol/L）丙二酸（0.5 mol/L）溴化鉀（0.5 mol/L）硫酸（6 mol/L）鄰菲啰啉（0.005 mol/L）硝酸鈰銨（0.005 mol/L）催化劑（0.005 mol/L）實(shí)驗(yàn)結(jié)果 16 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的FeSO4反應(yīng)速率適宜，且呈現(xiàn)周期性變化 26 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的Fe2（SO4）3不發(fā)生反應(yīng) 36 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的CuSO4反應(yīng)較慢且在波紋出現(xiàn)后逐漸停止，只有1個(gè)周期 46 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的KCl不發(fā)生反應(yīng)

3 研究成果

振蕩反應(yīng)最佳配方、操作步驟及反應(yīng)現(xiàn)象如下。

3.1 配方一

在燒杯中先加入6 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴酸鉀溶液，再依次加入2.5 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的丙二酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴化鉀溶液、1.2 mL質(zhì)量濃度為6 mol/L的硫酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的鄰菲啰啉試劑、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硫酸亞鐵溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硝酸鈰銨溶液，用玻璃棒攪拌均勻，在恒溫磁力攪拌儀上振蕩，將速度調(diào)到最大。

該配方中會(huì)出現(xiàn)紅色和藍(lán)色的波紋。

3.2 配方二

在燒杯中，先加入1 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴化鉀溶液，再依次加入6 mL 質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴酸鉀溶液、2.5 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的丙二酸溶液、1.2 mL質(zhì)量濃度為6 mol/L的硫酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的鄰菲啰啉試劑、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硫酸亞鐵溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硝酸鈰銨溶液，用玻璃棒攪拌均勻，在恒溫磁力攪拌儀上振蕩，將速度調(diào)到最大。

該配方中會(huì)出現(xiàn)紅色和綠色的波紋。

3.3 配方三

在燒杯中，先加入6 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴酸鉀溶液，再依次加入2.5 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的丙二酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴化鉀溶液、1.2 mL質(zhì)量濃度為6 mol/L的硫酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的鄰菲啰啉試劑、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硝酸鈰銨溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硫酸亞鐵溶液，用玻璃棒攪拌均勻，在恒溫磁力攪拌儀上振蕩，將速度調(diào)到最大。

該配方中會(huì)出現(xiàn)紫色和綠色的波紋。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

振蕩反應(yīng)周期短，便于教師課堂演示；反應(yīng)現(xiàn)象明顯，色彩豐富，可觀性強(qiáng)；操作簡(jiǎn)便，便于中學(xué)生掌握；較傳統(tǒng)配方反應(yīng)中的溴氣釋放少，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)。

［1］葛春華.自由基控制的BZ振蕩反應(yīng)研究［D］.上海：上海師范大學(xué)，2005.

教師點(diǎn)評(píng)：BZ振蕩反應(yīng)是筆者在人教版（化學(xué)選修6）中藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中加入的一個(gè)拓展實(shí)驗(yàn)，學(xué)生伍星宇對(duì)它產(chǎn)生了濃厚的興趣，查閱了大量文獻(xiàn)學(xué)習(xí)研究，在學(xué)校科技節(jié)的化學(xué)廣場(chǎng)中向全校同學(xué)展示了這個(gè)富有趣味性的化學(xué)動(dòng)力學(xué)的BZ振蕩反應(yīng)。多次實(shí)踐過(guò)程中，伍星宇同學(xué)發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的BZ振蕩反應(yīng)的配方有以下不足：反應(yīng)周期過(guò)長(zhǎng)、反應(yīng)現(xiàn)象的波紋不明顯、溴單質(zhì)污染較大，并不適合作為課堂的演示實(shí)驗(yàn)，因此他設(shè)計(jì)了研究方案，做了大量的比較試驗(yàn)，最終在反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)物加入順序和催化劑的選擇等方面找突破口，摸索出最佳配方。他的研究成果在教學(xué)應(yīng)用中獲得了肯定。

點(diǎn)評(píng)：廣東省珠海市第二中學(xué)陳軍

指導(dǎo)教師：廣東省珠海市第二中學(xué)陳軍

＊本文系廣東省珠海市教育科研“十三五”規(guī)劃課題“基于學(xué)生核心素養(yǎng)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課題內(nèi)容建構(gòu)與教學(xué)的研究”（編號(hào)：2017KTZ03-GZ204）、廣東省珠海市教育科研“十三五”規(guī)劃微課題“以藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)為載體培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新核心素養(yǎng)的研究”（編號(hào)：2018ZHktw007）的研究成果

2095－6835（2018）21－0043－02

O648.17

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.043

〔編輯：張思楠〕