BZ振荡反应实验-实验报告-所用仪器南大万和BZOAS-IISBZ振荡反应一体化实验装置

产品型号：BZOAS-IIS

产品编号：BZOAS-IIS

BZ振荡反应

1 实验目的

1）了解BZ（Belousov-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.Fiela、E.Koros、R.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）

当[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

。

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

由反应C21.C和C21.D可以看出：Br^- 和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发

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 ，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-IIS型BZ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-IIS型BZ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）。

                                   图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，即进入软件首页。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”。

图C21.2 数据采集窗口                    图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_诱)～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/product_view.asp?id=49   /_d269356547.htm   

BZOAS-IIS型BZ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-IIS型BZ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.dat、liu30.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10～15步骤，改变温度为35℃、40℃、45℃、50℃，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Origin、Excel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网站。