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B-Z 振荡反应条件与机理探究
Research of B-Z oscillationreaction conditions and mechanism
摘要：本实验对CH2(COOH)2－KBrO3化学振荡体系进行研究，通过对实验条件的控制和反应物质的选取，探讨化学振荡反应的起振条件和机理，加深对振荡反应的理解和对体系远离平衡状态下的复杂行为的认识。
关键词：B-Z振荡 起振条件 振荡周期
Abstract:
In this study, B-Z chemical oscillating reaction Of CH2(COOH)2-KBrO3system was exploited to study the Chemical Oscillating Reaction. By controlling the experimental conditions and the selection of reaction materials, studying the mechanism of oscillating chemical reaction,to deepen the cognition of oscillating reactions and the understanding of the complex behavior of the system far from equilibrium state.
Keywords:
B-Z oscillating; Oscillation condition; Oscillation period;
前言
化学振荡即化学反应系统中的某些物理量随时间周期变化，是一个十分复杂的反应，包含了大量的化学反应物质，如反应物、生成物、中间体和催化剂，属于非线性动力学范畴。B-Z化学振荡是一类机理非常复杂的化学过程，Field、Koros、Noyes三位科学家经过四年的共同努力，于1972年提出著名的FKN机理用来解释B-Z振荡反应的具体反应历程，随后又简化出Oregonator模型。在1921年，Bray报道了在I2-HIO3作催化剂的条件下H2O2的催化分解在某些条件下呈现出明显的振荡现象，1958年，Belousov在硫酸介质中以铈离子作催化剂用溴酸盐氧化柠檬酸出现振荡反应，1964年，Zhabotinsky报道了其它体系中时空有序的振荡现象。因而后人称他们的研究为B-Z反应。目前在许多化学系统、生物化学系统中都发现了化学振荡现象。这种现象引起了各学科工作者的浓厚兴趣。
自20世纪50年代以来，化学振荡在各个方面的应用日益广泛。1995年，Perez-Bendito D及其合作者报道了利用被测物质对化学振荡体系的脉冲扰动进行分析测定，使化学振荡现象步入了分析检测实用阶段。而后发展起来的电化学振荡更广泛地运用于理论研究和实践，如仿生学、临床医学等。此外，在食品检测与控制、环境保护等领域具有广阔的应用前景。本实验对CH2(COOH)2－KBrO3反应体系的化学振荡进行研究，通过对实验条的控制和反应物质的选取，探讨化学振荡反应的机理，加深对振荡反应的理解和对体系远离平衡状态下的复杂行为的认识。
实验部分
仪器与试剂：
0.45M丙二酸， 0.20M溴酸钾，
3M浓硫酸，4×10-3M硫酸铈铵， 蒸馏水
乳酸(分析纯)， 丁二酸(分析纯), 乙二酸(分析纯)， 柠檬酸(分析纯)， 碘化钾(分析纯)， 硫酸锰(分析纯)， 硫酸铁(分析纯)，
JB－1B型磁力搅拌器 上海雷磁新泾仪器有限公司；
N2000双通道色谱工作站 浙江大学智能信息工程研究所； HS－4精密恒温浴槽 成都仪器厂
实验步骤：
1. 不同反应物加入顺序对反应的影响：
调节恒温槽使温度恒定在35°C，通恒温水于玻璃恒温夹套反应皿中，将丙二酸(10mL)、溴酸钾(10mL)、浓硫酸(10mL)、蒸馏水(10mL)、硫酸铈铵(10mL)中的三种物质先移入，开动搅拌器，恒温10分钟。再将剩下的一种物质迅速加入反应皿中，从刚加入一半最后一种试剂时开始采集数据。观察是否产生振荡，测出振荡周期和诱导时间。 2. 温度对振荡反应的影响：
固定反应物加入顺序和用量，改变体系的温度(25°C,30°C,35°C,40°C，45°C)，考察其对诱导时间和振荡周期的影响。 3. 反应物浓度对振荡反应的影响：
在40°C恒温条件以及相同的加入顺序下，分别改变丙二酸、溴酸钾、浓硫酸、硫酸铈铵的浓度（体积用量按7mL,10mL,13mL,16mL变化），考察诱导时间和振荡周期的变化。 4. 反应机理的探讨： 改变反应体系的反应物，催化剂，用其它试剂替代，观察化学振荡是否依然发生，周期如何，探讨BZ振荡反应的机理。用0.45M丁二酸、0.45M乙二酸、0.45M乳酸、0.45M苹果酸、0.45M柠檬酸代替丙二酸，用0.20M碘酸钾、溴酸钠代替溴酸钾，用硫酸锰、硫酸铁溶液代替硫酸铈铵，分别进行实验，观察是否发生振荡。
注意事项：
1. 实验对溴酸钾纯度的要求很高，因此一定要冲洗干净； 2. 搅拌器磁子的位置、转速、稳定性要实时控制；
3. 在加入最后一项反应物时，注意加到一半时即开始计时；
4. 必须使电极被溶液浸没，过程中溶液不足要加蒸馏水保证溶液体积50mL； 5. 加入前三种溶液后，要恒温7—10min，混合均匀；
6. 采集数据，峰数不能太少要5个以上。
实验结果与数据分析
实验结果： 1.实验顺序：
（每次均加入10ml去离子水） 加入顺序 1 2 3 4 诱导时间t/min 振荡周期T/min 图像如下：
一 溴酸钾 硫酸铈铵 硫酸 丙二酸 3.634 0.732 硫酸 丙二酸 硫酸铈铵 3.607 0.727 二 溴酸钾 硫酸 丙二酸 硫酸铈铵 溴酸钾 3.770 0.780 三 四 丙二酸 硫酸铈铵 溴酸钾 硫酸 2.630 0.796
从图中可以看出：在这四种情况下，体系均可以产生化学振荡，但是诱导时间和振荡周期略
有差别。其中，第二组的体系振荡周期最短，第四组的诱导周期最短。从理想的反应体系分析，振荡的发生和振荡周期应该与反应物质的加入顺序基本无关，因而基本相同，加入顺序主要会影响到反应的诱导时间，但从实验结果看，虽然四组反应振荡周期和诱导时间基本一致，但是又略有差别，忽略反应偶然因素分析认为：
四组的细微差别可以佐证四组试剂在反应体系中地位的差别，结合CH2(COOH)2－KBrO3体系的振荡反应的机理（此处仅分析FKN理论），不难解释其原因：硫酸在体系中主要提供一个酸环境，在加入前反应体系的主要参与者均已完成加入和混合，丙二酸提供的部分氢离子可以使反应极为缓慢的略有进行，并且硫酸铈铵溶液中本身含有酸成分，因此加入硫酸后所需诱导时间最短。硫酸铈铵在体系中起到催化剂作用并作为化学振荡中电子传递的媒介之一，因此最后加入时反应体系振荡周期最短。
综上，在以后的实验中将采用第二组的加入顺序进行研究，即溴酸钾、硫酸、丙二酸、硫酸铈铵。这是相对最佳的方式。
2.温度对反应的影响： 35 诱导时间/min 振荡周期/min 40 3.066 0.587 45 2.160 0.415 50 1.630 0.291 55 1.315 0.208 4.136 0.828 图像如下：