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BZ振荡反应一体化实验装置
产品型号:BZOAS-IIS
产品编号:11
 产品详细介绍:

BZ振荡反应

1 实验目的

1)了解BZBelousov-Zhabotinski)反应的基本原理。

 

2)观察化学振荡现象。

 

3)练习用微机处理实验数据和作图。

2 实验原理

所谓化学振荡,就是反应系统中某些物理量(如某组分的浓度)随时间作周期性的变化。BZ体系是指由溴酸盐,有机物在

 

酸性介质中,在有(或无)金属离子催化剂作用下构成的体系。它是由苏联科学家

 

Belousov发现,后经Zhabotinski发现而得名。

 

R.J.FielaE.KorosR.Noyes等人通过实验对BZ振荡反应作出了解释,称为FKN机理。下面以BrO ~ Ce+4 ~ CH2(COOH)2 ~

 

H2SO4体系为例加以说明。该体系的总反应为

           (C21.A

体系中存在着下面的反应过程。

过程A

                      C21.B

                                   C21.C

过程B

                      C21.D

                          C21.E

                                 C21.F

Br- 的再生过程:

                         C21.G

 

[Br-]足够高时,主要发生过程A,其中反应C21.B是速率控制步骤,研究表明,当达到准定态时,有

 

[Br-]低时,发生过程BCe+3被氧化。反应C21.D是速度控制步骤,反应经C21.DC21.E将自催化产生HbrO2,达到准定态时,有

 

由反应C21.CC21.D可以看出:Br- BrO是竞争HbrO2的。当K3 [Br- ]>K4[BrO]时,自催化过程C21.D不可能发生。自催化是BZ振荡反应中必不可少的步骤。否则该振荡不能发生。研究表明,Br-的临界浓度为:

             C21.1

 

若已知实验的初始浓度[BrO ],可由式C21.1估算[Br- ]crit

通过反应C21.G实现Br- 的再生。

 

体系中存在着两个受溴离子浓度控制的过程A和过程B,当[Br- ]高于临界浓度[Br- ]crit时发生过程A,当[Br- ]低于[Br-]crit时发

 

 

生过程B。也就是说[Br- ]起着开关作用,它控制着从过程A到过程B,再由过程B到过程

 

A的转变。在过程A,由于化学反

 

 

 

应,[Br- ]降低,当[Br-]到达[Br- ]crit时,过程B发生。在过程B中,Br- 再生, [Br- ]增加,当[Br- ]达到[Br- ]crit时,过程A

 

 

生,这样体系就在过程A、过程B间往复振荡。

在反应进行时,系统中[Br- ][HbrO2][Ce+3][Ce+4]都随时间作周期性的变化,实验中,可以用溴离子选择电极测定[Br-

 

],用铂丝电极测定[Ce+4][Ce+3]随时间变化的曲线。溶液的颜色在黄色和无色之间振

荡,若再加入适量的FeSO4邻菲咯啉

 

溶液,溶液的颜色将在蓝色和红色之间振荡。

从加入硫酸铈铵到开始振荡的时间为t ,诱导期与反应速率成反比,即

,并得到

                                  C21.2

作图 ,根据斜率求出表观活化能

 

本实验使用BZOAS-IISBZ反应数据采集接口系统(一体化)含磁力搅拌,反应器及专用电极,南京大学应用物理研究所

 

BZ振荡专用软件及超级恒温水浴HK-2A,并与微型计算机相连。通过接口系统测定电极(Pt与甘汞电极)的电势信号,经

 

通讯口传送到PC。自动采集处理数据。如图C21.1所示。

 

BZOAS-IISBZ反应数据采集接口系统仪器的前面板上有2个输入通道,用于输入BZ振荡电压信号和温度传感器信号,和一

 

个通断输出控制通道,可用于控制恒温槽。温度传感器用于测温。仪器的后面板上有电源开关、保险丝座和串行口接口插

 

座。具体接线方法:铂电极接电压输入正端(+),参比电极接电压输入负端(-)。将仪器后面板上的串行口接计算机的

 

串行口一(必须串行口一)。

                                         

                                   C21.1 实验装置示意图

南京大学应用物理研究所BZ反应数据采集接口系统软件:

 

双击Windows桌面上BZ振荡反应软件图标,即进入软件秒速飞艇官网。如果要进入实验,单击继续键进入主菜单。

 

主菜单:有如下菜单项:参数矫正 ;参数设置 ;开始实验 ;数据处理 ;退出。

 

参数校正菜单:两个子菜单项,‘温度参数校正’和‘电压参数校正’。电压参数一般情况下不需校正。如需要进行温度

 

参数校正,方法如下:将恒温槽调至一特定温度,例20.0,把温度传感器插入HK-2A型恒温槽中。进入温度参数矫正子

 

菜单,观察传感器送来的信号,待信号稳定后,输入当前温度值(20.0),单击低点部位的确定键。将恒温槽温度升高至

 

30.0,观察传感器的信号稳定后,输入当前温度值(30.0),单击高点部位的确定键。再单击最下方的“确定键”。

 

C21。2 数据采集窗口                    C21.3 数据处理窗口

参数设置菜单:有子菜单:横坐标极值;纵坐标极值;纵坐标零点;起波阈值;目标温度;画图起始点设定。功能按钮:

 

确定;退出。

 

横坐标极值:用于设置绘图区的横坐标范围,单位为秒。

 

纵坐标极值:用于设置绘图区的纵坐标最大值,单位为毫伏。

 

纵坐标零点:用于设置实验绘图区的纵坐标零点,单位为毫伏。

 

起波阈值:当发现起波时间识别不正确时,可以调节起波阈值。可在1-20毫伏范围内调节。

 

目标温度:设定实验的反应温度。

 

画图起始点:设定实验一开始就画图或起波后开始画图;

 

开始实验菜单:有五个子菜单:开始实验;修改目标温度;查看峰谷值;读入实验波形;打印。功能按钮:退出。在此窗

 

口,采集记录振荡曲线。如图C21.2所示。

 

数据处理菜单:有三个子菜单:使用当前实验数据进行数据处理;从数据文件中读取数据;打印。功能按钮:退出。“使

 

用当前实验数据进行数据处理”可将界面上的数据进行处理,或对输入的数据进行处理,画出ln(1/t)1/T图并求出表

 

面活化能。如图C21.3所示。

3 仪器与试剂(仪器生产厂家:南京南大万和科技有限公司)详见http://www.xiaoshuo11.com/product_view.asp?id=49     

BZOAS-IISBZ反应数据采集接口系统        微型计算机

 

HK-2A型恒温槽                                                 反应器

 

磁力搅拌器                                                        丙二酸0.45mol·dm-3

 

溴酸钾0.25 mol·dm-3                                        硫酸3.00 mol·dm-3

 

硫酸铈铵4×10-3 mol·dm-3

4 实验步骤

1)    按图示检查仪器连线。铂电极接接口装置电压输入正端(+),参比电极接接口装置电压输入负端(-)。将接口装置

 

的温度传感器探头插入HK-2A型恒温槽的水浴中,并固定好。

 

2)    接通恒温槽电源,将恒温水通入反应器,将恒温槽温度设定至25.0。接通BZOAS-IISBZ振荡反应数据采集接口装置

 

电源。启动微机。运行BZ振荡反应实验软件,进入主菜单。

 

3)    进入参数设置菜单。设置横坐标极值800s;纵坐标极值1220mV;纵坐标零点800mV;起波阈值6mV(默认设置为6mV,一

 

般不需改变);画图起始点设定为实验一开始就画图;目标温度25.0。然后,确定,退出。

 

4)     进入开始实验菜单。等待恒温槽达到设定温度并在软件窗口出现提示,并确认。

 

5)     在反应器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各15ml,打开磁力搅拌器,并调节好搅拌速度,实验过程

 

中不得改变搅拌速度。取硫酸铈铵溶液15ml,放入一锥形瓶中,置于恒温槽水浴中。

 

6)     恒温5min后,单击“开始实验”键,根据提示,选择“保存实验波形”,输入BZ振荡反应即时数据存储文件名,使用

 

默认的文件扩展名(.dat),但此时不要单击输入文件名窗口中的“OK”键。注意:全部实验要测定记录6个温度下的实

 

验数据,每个温度下都需要输入相应的数据存储文件名,全部实验数据将存在6个数据文件(****.dat)中,实验操作结束

 

后要对数据文件中存储的数据进行处理。因此所取文件名应采用编号加以区别,以免文件名重名,后面的数据文件将前面

 

的数据文件覆盖。例如刘姓同学将6个温度下的数据文件取名为liu25.datliu30.dat、…、liu50.dat。

 

7)     将恒温后的硫酸铈铵溶液15ml加入到反应器中,立即单击输入文件名窗口中的“OK”键,系统开始采集记录显示电位

 

信号。

 

8)     观察反应器中溶液颜色变化和记录的电位曲线,待画完10个振荡周期或曲线运行到横坐标最右端后,单击“停止实

 

验”键,停止信号采集。此时可以单击“查看峰谷值”,观察各波的峰、谷值。

 

9)     用去离子水淋洗电极,倒掉反应器中的溶液,注意酸性溶液有腐蚀性!用自来水清洗反应器,用去离子水涮洗反应

 

器。

10) 单击“修改目标温度”键,设置温度为30.0。将恒温槽温度设定至30.0。软件系统等待温度到达设定值。

 

11) 在反应器中加入已配好的丙二酸溶液、溴酸钾溶液、硫酸溶液各15ml。取硫酸铈铵溶液15ml,放入一锥形瓶中,置于恒

 

温槽水浴中。

 

12) 等待恒温槽温度达到设定值30.0,并在软件窗口出现提示,确认。

 

13) 恒温5min后,单击“开始实验”键,根据提示输入BZ振荡反应即时数据存储文件名,注意改变文件名中的序号。将恒

 

温后的硫酸铈铵溶液15ml加入到反应器中,立即单击“OK”键,系统开始采集记录显示电位信号。

 

14) 观察反应器中溶液颜色变化和记录的电位曲线,待画完10个振荡周期或曲线运行到横坐标最右端后,单击“停止实

 

验”键,停止信号采集。此时可单击“查看峰谷值”,观察各波的峰、谷值。

 

15) 用去离子水淋洗电极,倒掉反应器中的溶液,注意酸性溶液有腐蚀性!用自来水清洗反应器,用去离子水涮洗反应

 

器。

16) 重复1015步骤,改变温度为35404550,重复实验。

 

17) 实验完成后,单击“退出”键退出,此时会有提示“是否保存实验数据”,单击“yes”,出现对话框“请输入保存实

 

验数据文件名”,输入文件名后再单击“yes”,将此次实验的不同反应温度下的起波时间保存入文件。

 

18) 关闭仪器(接口装置、磁力搅拌器、恒温槽)电源。

 

19) 在微机上处理实验数据。

5 数据处理

1)     作电位~时间图:利用本实验软件“开始实验”→“读入实验波形”作图,也可利用通用数据处理软件,例如Origin

 

Excel等,根据各个温度下数据文件中记录的数据,作出各个温度下的电位~时间图。取用数据时注意各个数据文件的最后一行记录的是温度和 。测量软件系统判断的 可能不准确。可以自己重新判断确定每个温度下的

2)     作图 ,根据斜率求出表观活化能 :作图有2种方法:a. 进入BZ振荡反应软件,进入“数据处理”菜单,

 

对实验数据进行处理。b. 利用通用数据处理软件完成,例如OriginExcel等。

3)     将各个温度下的电位~时间图和图粘贴到一个WORD文档中,写上班号、姓名、实验日期等,在一页纸上打出。

4)     对振荡曲线进行解释。

6 注意事项

1)所使用的反应容器一定要清洗干净,搅拌子位置及搅拌速度都应加以控制。

 

2)小心使用硫酸溶液,避免对实验者和仪器设备造成腐蚀。

7 思考题

1)什么是化学振荡现象?产生化学振荡需要什么条件?

2)本实验中直接测定的是什么量?目的是什么?

 

参考文献:南京大学出版社 物理化学实验,复旦大学物化实验教材,山东大学物化实验教材,南京南大万和科技有限公司官方网站。

 

 


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