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技術文章

BZ振蕩反應實驗-實驗報告-所用儀器南大萬和BZOAS-IISBZ振蕩反應一體化實驗裝置

閱讀:88發布時間:2022-8-26

5.jpg

產品型號:BZOAS-IIS

產品編號:BZOAS-IIS



   






產品詳細介紹:

BZ振蕩反應

1 實驗目的

1)了解BZ(Belousov-Zhabotinski)反應的基本原理。

2)觀察化學振蕩現象。

3)練習用微機處理實驗數據和作圖。

2 實驗原理

所謂化學振蕩,就是反應系統中某些物理量(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

酸性介質中,在有(或無)金屬離子催化劑作用下構成的體系。它是由蘇聯科學家

Belousov發現,后經Zhabotinski發現而得名。

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

H2SO4體系為例加以說明。該體系的總反應為

           (C21.A

體系中存在著下面的反應過程。

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[Br-]足夠高時,主要發生過程A,其中反應C21.B是速率控制步驟,研究表明,當達到準定態時,有


當[Br-]低時,發生過程B,Ce+3被氧化。反應C21.D是速度控制步驟,反應經C21.D、C21.E將自催化產生HbrO2,達到準定態時,有

由反應C21.C和C21.D可以看出:Br- BrO

是競爭HbrO2的。當K3 [Br- ]>K4[BrO]時,自催化過程C21.D不可能發生。自催化是BZ振蕩反應中的步驟。否則該振蕩不能發生。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C21.G實現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[Br- ]高于臨界濃度[Br- ]crit時發生過程A,當[Br- ]低于[Br-]crit時發

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

A的轉變。在過程A,由于化學反

應,[Br- ]降低,當[Br-]到達[Br- ]crit時,過程B發生。在過程B中,Br- 再生, [Br- ]增加,當[Br- ]達到[Br- ]crit時,過程A

生,這樣體系就在過程A、過程B間往復振蕩。

在反應進行時,系統中[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 ,誘導期與反應速率成反比,即

,并得到

                                  (C21.2

作圖,根據斜率求出表觀活化能


本實驗使用BZOAS-IIS型BZ反應數據采集接口系統(一體化)含磁力攪拌,反應器及專用電極,南京大學應用物理研究所

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。通過接口系統測定電極(Pt與甘汞電極)的電勢信號,經

通訊口傳送到PC。自動采集處理數據。如圖C21.1所示。

BZOAS-IIS型BZ反應數據采集接口系統儀器的前面板上有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、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)。

                                         

                                   C21.1 實驗裝置示意圖


南京大學應用物理研究所BZ反應數據采集接口系統軟件:

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

主菜單:有如下菜單項:參數矯正 ;參數設置 ;開始實驗 ;數據處理 ;退出。

參數校正菜單:兩個子菜單項,‘溫度參數校正’和‘電壓參數校正’。電壓參數一般情況下不需校正。如需要進行溫度

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

菜單,觀察傳感器送來的信號,待信號穩定后,輸入當前溫度值(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定后,輸入當前溫度值(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 數據采集窗口                    圖C21.3 數據處理窗口

參數設置菜單:有子菜單:橫坐標極值;縱坐標極值;縱坐標零點;起波閾值;目標溫度;畫圖起始點設定。功能按鈕:

確定;退出。

橫坐標極值:用于設置繪圖區的橫坐標范圍,單位為秒。

縱坐標極值:用于設置繪圖區的縱坐標值,單位為毫伏。

縱坐標零點:用于設置實驗繪圖區的縱坐標零點,單位為毫伏。

起波閾值:當發現起波時間識別不正確時,可以調節起波閾值。可在1-20毫伏范圍內調節。

目標溫度:設定實驗的反應溫度。

畫圖起始點:設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。

數據處理菜單:有三個子菜單:使用當前實驗數據進行數據處理;從數據文件中讀取數據;打印。功能按鈕:退出。“使

用當前實驗數據進行數據處理"可將界面上的數據進行處理,或對輸入的數據進行處理,畫出ln(1/t)~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反應數據采集接口系統        微型計算機

HK-2A型恒溫槽                                                 反應器

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,將恒溫水通入反應器,將恒溫槽溫度設定至25.0℃。接通BZOAS-IIS型BZ振蕩反應數據采集接口裝置

電源。啟動微機。運行BZ振蕩反應實驗軟件,進入主菜單。

3)    進入參數設置菜單。設置橫坐標極值800s;縱坐標極值1220mV;縱坐標零點800mV;起波閾值6mV(默認設置為6mV,一

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

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

5)     在反應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,并調節好攪拌速度,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,根據提示,選擇“保存實驗波形",輸入BZ振蕩反應即時數據存儲文件名,使用

默認的文件擴展名(.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

驗數據,每個溫度下都需要輸入相應的數據存儲文件名,全部實驗數據將存在6個數據文件(****.dat)中,實驗操作結束

后要對數據文件中存儲的數據進行處理。因此所取文件名應采用編號加以區別,以免文件名重名,后面的數據文件將前面

的數據文件覆蓋。例如劉姓同學將6個溫度下的數據文件取名為liu25.dat、liu30.dat、…、liu50.dat

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

信號。

8)     觀察反應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,倒掉反應器中的溶液,注意酸性溶液有腐蝕性!用自來水清洗反應器,用去離子水涮洗反應


器。


10) 單擊“修改目標溫度"鍵,設置溫度為30.0。將恒溫槽溫度設定至30.0。軟件系統等待溫度到達設定值。

11) 在反應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定值30.0,并在軟件窗口出現提示,確認。

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

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

14) 觀察反應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,倒掉反應器中的溶液,注意酸性溶液有腐蝕性!用自來水清洗反應器,用去離子水涮洗反應

器。

16) 重復10~15步驟,改變溫度為35、40、45、50,重復實驗。

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

驗數據文件名",輸入文件名后再單擊“yes",將此次實驗的不同反應溫度下的起波時間保存入文件。

18) 關閉儀器(接口裝置、磁力攪拌器、恒溫槽)電源。

19) 在微機上處理實驗數據。

5 數據處理

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,也可利用通用數據處理軟件,例如Origin

Excel等,根據各個溫度下數據文件中記錄的數據,作出各個溫度下的電位~時間圖。取用數據時注意各個數據文件的行記錄的是溫度和。測量軟件系統判斷的可能不準確。可以自己重新判斷確定每個溫度下的

2)     作圖 ,根據斜率求出表觀活化能:作圖有2種方法:a. 進入BZ振蕩反應軟件,進入“數據處理"菜單,

對實驗數據進行處理。b. 利用通用數據處理軟件完成,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)所使用的反應容器一定要清洗干凈,攪拌子位置及攪拌速度都應加以控制。

2)小心使用硫酸溶液,避免對實驗者和儀器設備造成腐蝕。

7 思考題

1)什么是化學振蕩現象?產生化學振蕩需要什么條件?

2)本實驗中直接測定的是什么量?目的是什么?

參考文獻:南京大學出版社 物理化學實驗,復旦大學物化實驗教材,山東大學物化實驗教材,南京南大萬和科技有限公司網站。



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