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產(chǎn)品型號：BZOAS-IIS

產(chǎn)品編號：BZOAS-IIS

BZ振蕩反應(yīng)

1 實驗?zāi)康?/span>

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

2）觀察化學(xué)振蕩現(xiàn)象。

3）練習(xí)用微機處理實驗數(shù)據(jù)和作圖。

2 實驗原理

所謂化學(xué)振蕩，就是反應(yīng)系統(tǒng)中某些物理量（如某組分的濃度）隨時間作周期性的變化。BZ體系是指由溴酸鹽，有機物在

酸性介質(zhì)中，在有（或無）金屬離子催化劑作用下構(gòu)成的體系。它是由蘇聯(lián)科學(xué)家

Belousov發(fā)現(xiàn)，后經(jīng)Zhabotinski發(fā)現(xiàn)而得名。

R.J.Fiela、E.Koros、R.Noyes等人通過實驗對BZ振蕩反應(yīng)作出了解釋，稱為FKN機理。下面以BrO ~ Ce⁺⁴ ~ CH₂(COOH)₂ ~

H₂SO₄體系為例加以說明。該體系的總反應(yīng)為

           （C21.A）

體系中存在著下面的反應(yīng)過程。

過程A：

                      （C21.B）

（C21.C）

過程B：

                      （C21.D）

                          （C21.E）

                                 （C21.F）

Br^- 的再生過程：

                         （C21.G）

當(dāng)[Br^-]足夠高時，主要發(fā)生過程A，其中反應(yīng)C21.B是速率控制步驟，研究表明，當(dāng)達到準(zhǔn)定態(tài)時，有

。

當(dāng)[Br^-]低時，發(fā)生過程B，Ce⁺³被氧化。反應(yīng)C21.D是速度控制步驟，反應(yīng)經(jīng)C21.D、C21.E將自催化產(chǎn)生HbrO₂，達到準(zhǔn)定態(tài)時，有。

由反應(yīng)C21.C和C21.D可以看出：Br^- 和BrO

是競爭HbrO₂的。當(dāng)K₃ [Br^- ]>K₄[BrO]時，自催化過程C21.D不可能發(fā)生。自催化是BZ振蕩反應(yīng)中的步驟。否則該振蕩不能發(fā)生。研究表明，Br^-的臨界濃度為：

             （C21.1）

若已知實驗的初始濃度[BrO]，可由式C21.1估算[Br^- ]_crit。

通過反應(yīng)C21.G實現(xiàn)Br^- 的再生。

體系中存在著兩個受溴離子濃度控制的過程A和過程B，當(dāng)[Br^- ]高于臨界濃度[Br^- ]_crit時發(fā)生過程A，當(dāng)[Br^- ]低于[Br^-]_crit時發(fā)

生過程B。也就是說[Br^- ]起著開關(guān)作用，它控制著從過程A到過程B，再由過程B到過程

A的轉(zhuǎn)變。在過程A，由于化學(xué)反

應(yīng)，[Br^- ]降低，當(dāng)[Br^-]到達[Br^- ]_crit時，過程B發(fā)生。在過程B中，Br^- 再生， [Br^- ]增加，當(dāng)[Br^- ]達到[Br^- ]_crit時，過程A發(fā)

生，這樣體系就在過程A、過程B間往復(fù)振蕩。

在反應(yīng)進行時，系統(tǒng)中[Br^- ]、[HbrO₂]、[Ce⁺³]、[Ce⁺⁴]都隨時間作周期性的變化，實驗中，可以用溴離子選擇電極測定[Br^-

]，用鉑絲電極測定[Ce⁺⁴]、[Ce⁺³]隨時間變化的曲線。溶液的顏色在黃色和無色之間振

蕩，若再加入適量的FeSO₄鄰菲咯啉

溶液，溶液的顏色將在藍色和紅色之間振蕩。

從加入硫酸鈰銨到開始振蕩的時間為t_誘 ，誘導(dǎo)期與反應(yīng)速率成反比，即

，并得到

                                  （C21.2）

作圖，根據(jù)斜率求出表觀活化能。

本實驗使用BZOAS-IIS型BZ反應(yīng)數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)（一體化）含磁力攪拌，反應(yīng)器及專用電極，南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所

BZ振蕩專用軟件及超級恒溫水浴HK-2A，并與微型計算機相連。通過接口系統(tǒng)測定電極（Pt與甘汞電極）的電勢信號，經(jīng)

通訊口傳送到PC。自動采集處理數(shù)據(jù)。如圖C21.1所示。

BZOAS-IIS型BZ反應(yīng)數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)儀器的前面板上有2個輸入通道，用于輸入BZ振蕩電壓信號和溫度傳感器信號，和一

個通斷輸出控制通道，可用于控制恒溫槽。溫度傳感器用于測溫。儀器的后面板上有電源開關(guān)、保險絲座和串行口接口插

座。具體接線方法：鉑電極接電壓輸入正端（+），參比電極接電壓輸入負(fù)端（-）。將儀器后面板上的串行口接計算機的

串行口一（必須串行口一）。

                                   圖C21.1 實驗裝置示意圖

南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所BZ反應(yīng)數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)軟件：

雙擊Windows桌面上BZ振蕩反應(yīng)軟件圖標(biāo)，即進入軟件首頁。如果要進入實驗，單擊繼續(xù)鍵進入主菜單。

主菜單：有如下菜單項：參數(shù)矯正 ；參數(shù)設(shè)置 ；開始實驗 ；數(shù)據(jù)處理 ；退出。

參數(shù)校正菜單：兩個子菜單項，‘溫度參數(shù)校正’和‘電壓參數(shù)校正’。電壓參數(shù)一般情況下不需校正。如需要進行溫度

參數(shù)校正，方法如下：將恒溫槽調(diào)至一特定溫度，例20.0℃，把溫度傳感器插入HK-2A型恒溫槽中。進入溫度參數(shù)矯正子

菜單，觀察傳感器送來的信號，待信號穩(wěn)定后，輸入當(dāng)前溫度值（20.0），單擊低點部位的確定鍵。將恒溫槽溫度升高至

30.0℃，觀察傳感器的信號穩(wěn)定后，輸入當(dāng)前溫度值（30.0），單擊高點部位的確定鍵。再單擊最下方的“確定鍵"。

圖C21.2 數(shù)據(jù)采集窗口                    圖C21.3 數(shù)據(jù)處理窗口

參數(shù)設(shè)置菜單：有子菜單：橫坐標(biāo)極值；縱坐標(biāo)極值；縱坐標(biāo)零點；起波閾值；目標(biāo)溫度；畫圖起始點設(shè)定。功能按鈕：

確定；退出。

橫坐標(biāo)極值：用于設(shè)置繪圖區(qū)的橫坐標(biāo)范圍，單位為秒。

縱坐標(biāo)極值：用于設(shè)置繪圖區(qū)的縱坐標(biāo)值，單位為毫伏。

縱坐標(biāo)零點：用于設(shè)置實驗繪圖區(qū)的縱坐標(biāo)零點，單位為毫伏。

起波閾值：當(dāng)發(fā)現(xiàn)起波時間識別不正確時，可以調(diào)節(jié)起波閾值?？稍?-20毫伏范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

目標(biāo)溫度：設(shè)定實驗的反應(yīng)溫度。

畫圖起始點：設(shè)定實驗一開始就畫圖或起波后開始畫圖；

開始實驗菜單：有五個子菜單：開始實驗；修改目標(biāo)溫度；查看峰谷值；讀入實驗波形；打印。功能按鈕：退出。在此窗

口，采集記錄振蕩曲線。如圖C21.2所示。

數(shù)據(jù)處理菜單：有三個子菜單：使用當(dāng)前實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理；從數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)；打印。功能按鈕：退出?！笆?/span>

用當(dāng)前實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理"可將界面上的數(shù)據(jù)進行處理，或?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行處理，畫出ln(1/t_誘)～1/T圖并求出表

面活化能。如圖C21.3所示。

3 儀器與試劑（儀器生產(chǎn)廠家：南京南大萬和科技有限公司）詳見/product_view.asp?id=49   /_d269356547.htm   

BZOAS-IIS型BZ反應(yīng)數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)        微型計算機

HK-2A型恒溫槽                                                 反應(yīng)器

磁力攪拌器                                                        丙二酸0.45mol·dm^-3

溴酸鉀0.25 mol·dm^-3                                        硫酸3.00 mol·dm^-3

硫酸鈰銨4×10^-3 mol·dm^-3

4 實驗步驟

1)    按圖示檢查儀器連線。鉑電極接接口裝置電壓輸入正端（+），參比電極接接口裝置電壓輸入負(fù)端（-）。將接口裝置

的溫度傳感器探頭插入HK-2A型恒溫槽的水浴中，并固定好。

2)    接通恒溫槽電源，將恒溫水通入反應(yīng)器，將恒溫槽溫度設(shè)定至25.0℃。接通BZOAS-IIS型BZ振蕩反應(yīng)數(shù)據(jù)采集接口裝置

電源。啟動微機。運行BZ振蕩反應(yīng)實驗軟件，進入主菜單。

3)    進入?yún)?shù)設(shè)置菜單。設(shè)置橫坐標(biāo)極值800s；縱坐標(biāo)極值1220mV；縱坐標(biāo)零點800mV；起波閾值6mV（默認(rèn)設(shè)置為6mV，一

般不需改變）；畫圖起始點設(shè)定為實驗一開始就畫圖；目標(biāo)溫度25.0℃。然后，確定，退出。

4)     進入開始實驗菜單。等待恒溫槽達到設(shè)定溫度并在軟件窗口出現(xiàn)提示，并確認(rèn)。

5)     在反應(yīng)器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸鉀溶液、硫酸溶液各15ml，打開磁力攪拌器，并調(diào)節(jié)好攪拌速度，實驗過程

中不得改變攪拌速度。取硫酸鈰銨溶液15ml，放入一錐形瓶中，置于恒溫槽水浴中。

6)     恒溫5min后，單擊“開始實驗"鍵，根據(jù)提示，選擇“保存實驗波形"，輸入BZ振蕩反應(yīng)即時數(shù)據(jù)存儲文件名，使用

默認(rèn)的文件擴展名（.dat），但此時不要單擊輸入文件名窗口中的“OK"鍵。注意：全部實驗要測定記錄6個溫度下的實

驗數(shù)據(jù)，每個溫度下都需要輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲文件名，全部實驗數(shù)據(jù)將存在6個數(shù)據(jù)文件（****.dat）中，實驗操作結(jié)束

后要對數(shù)據(jù)文件中存儲的數(shù)據(jù)進行處理。因此所取文件名應(yīng)采用編號加以區(qū)別，以免文件名重名，后面的數(shù)據(jù)文件將前面

的數(shù)據(jù)文件覆蓋。例如劉姓同學(xué)將6個溫度下的數(shù)據(jù)文件取名為liu25.dat、liu30.dat、…、liu50.dat。

7)     將恒溫后的硫酸鈰銨溶液15ml加入到反應(yīng)器中，立即單擊輸入文件名窗口中的“OK"鍵，系統(tǒng)開始采集記錄顯示電位

信號。

8)     觀察反應(yīng)器中溶液顏色變化和記錄的電位曲線，待畫完10個振蕩周期或曲線運行到橫坐標(biāo)最右端后，單擊“停止實

驗"鍵，停止信號采集。此時可以單擊“查看峰谷值"，觀察各波的峰、谷值。

9)     用去離子水淋洗電極，倒掉反應(yīng)器中的溶液，注意酸性溶液有腐蝕性！用自來水清洗反應(yīng)器，用去離子水涮洗反應(yīng)

器。

10) 單擊“修改目標(biāo)溫度"鍵，設(shè)置溫度為30.0℃。將恒溫槽溫度設(shè)定至30.0℃。軟件系統(tǒng)等待溫度到達設(shè)定值。

11) 在反應(yīng)器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸鉀溶液、硫酸溶液各15ml。取硫酸鈰銨溶液15ml，放入一錐形瓶中，置于恒

溫槽水浴中。

12) 等待恒溫槽溫度達到設(shè)定值30.0℃，并在軟件窗口出現(xiàn)提示，確認(rèn)。

13) 恒溫5min后，單擊“開始實驗"鍵，根據(jù)提示輸入BZ振蕩反應(yīng)即時數(shù)據(jù)存儲文件名，注意改變文件名中的序號。將恒

溫后的硫酸鈰銨溶液15ml加入到反應(yīng)器中，立即單擊“OK"鍵，系統(tǒng)開始采集記錄顯示電位信號。

14) 觀察反應(yīng)器中溶液顏色變化和記錄的電位曲線，待畫完10個振蕩周期或曲線運行到橫坐標(biāo)最右端后，單擊“停止實

驗"鍵，停止信號采集。此時可單擊“查看峰谷值"，觀察各波的峰、谷值。

15) 用去離子水淋洗電極，倒掉反應(yīng)器中的溶液，注意酸性溶液有腐蝕性！用自來水清洗反應(yīng)器，用去離子水涮洗反應(yīng)

器。

16) 重復(fù)10～15步驟，改變溫度為35℃、40℃、45℃、50℃，重復(fù)實驗。

17) 實驗完成后，單擊“退出"鍵退出，此時會有提示“是否保存實驗數(shù)據(jù)"，單擊“yes"，出現(xiàn)對話框“請輸入保存實

驗數(shù)據(jù)文件名"，輸入文件名后再單擊“yes"，將此次實驗的不同反應(yīng)溫度下的起波時間保存入文件。

18) 關(guān)閉儀器（接口裝置、磁力攪拌器、恒溫槽）電源。

19) 在微機上處理實驗數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)處理

1)     作電位～時間圖：利用本實驗軟件“開始實驗"→“讀入實驗波形"作圖，也可利用通用數(shù)據(jù)處理軟件，例如Origin、

Excel等，根據(jù)各個溫度下數(shù)據(jù)文件中記錄的數(shù)據(jù)，作出各個溫度下的電位～時間圖。取用數(shù)據(jù)時注意各個數(shù)據(jù)文件的行記錄的是溫度和。測量軟件系統(tǒng)判斷的可能不準(zhǔn)確?？梢宰约褐匦屡袛啻_定每個溫度下的。

2)     作圖 ，根據(jù)斜率求出表觀活化能：作圖有2種方法：a. 進入BZ振蕩反應(yīng)軟件，進入“數(shù)據(jù)處理"菜單，

對實驗數(shù)據(jù)進行處理。b. 利用通用數(shù)據(jù)處理軟件完成，例如Origin、Excel等。

3)     將各個溫度下的電位～時間圖和圖粘貼到一個WORD文檔中，寫上

班號、姓名、實驗日期等，在一頁紙上打出。

4)     對振蕩曲線進行解釋。

6 注意事項

1）所使用的反應(yīng)容器一定要清洗干凈，攪拌子位置及攪拌速度都應(yīng)加以控制。

2）小心使用硫酸溶液，避免對實驗者和儀器設(shè)備造成腐蝕。

7 思考題

1）什么是化學(xué)振蕩現(xiàn)象？產(chǎn)生化學(xué)振蕩需要什么條件？

2）本實驗中直接測定的是什么量？目的是什么？

參考文獻：南京大學(xué)出版社 物理化學(xué)實驗，復(fù)旦大學(xué)物化實驗教材，山東大學(xué)物化實驗教材，南京南大萬和科技有限公司網(wǎng)站。