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(xiàn)象。 3）練習用微機處理實驗數(shù)據(jù)和作圖。 2 實驗原理 所謂化學振蕩，就是反應系統(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振蕩反應作出了解釋，稱為FKN機理。下面以 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： 
過程B： 
Br- 的再生過程：  （C21.G） 當[Br-]足夠高時，主要發(fā)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(tài)時，有  。
當[Br-]低時，發(fā)生過程B，Ce+3被氧化。反應C21.D是速度控制步驟，反應經(jīng)C21.D、C21.E將自催化產(chǎn)生HbrO2，達到準定態(tài)時，有 。 由反應C21.C和C21.D可以看出：Br- 和BrO 是競爭HbrO2的。當K3 [Br- ]>K4[BrO ]時，自催化過程C21.D不可能發(fā)生。自催化是BZ振蕩反應中必不可少的步驟。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[Br- ]高于臨界濃度[Br- ]crit時發(fā)生過程A，當[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，由于化學反 應，[Br- ]降低，當[Br-]到達[Br- ]crit時，過程B發(fā)生。在過程B中，Br- 再生， [Br- ]增加，當[Br- ]達到[Br- ]crit時，過程A發(fā) 生，這樣體系就在過程A、過程B間往復振蕩。 在反應進行時，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 ，并得到 ，誘導期與反應速率成反比，即
本實驗使用BZOAS-IIS型BZ反應數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)（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(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
南京大學應用物理研究所BZ反應數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng)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(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(shè)定。功能按鈕： 確定；退出。 橫坐標極值：用于設(shè)置繪圖區(qū)的橫坐標范圍，單位為秒。 縱坐標極值：用于設(shè)置繪圖區(qū)的縱坐標最大值，單位為毫伏。 縱坐標零點：用于設(shè)置實驗繪圖區(qū)的縱坐標零點，單位為毫伏。 起波閾值：當發(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)。 目標溫度：設(shè)定實驗的反應溫度。 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。“使 用當前實驗數(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http://www.nyscl.com.cn/product_view.asp?id=49 www.iapnju.com/_d269356547.htm BZOAS-IIS型BZ反應數(shù)據(jù)采集接口系統(tǒng) 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(shè)定至25.0℃。接通BZOAS-IIS型BZ振蕩反應數(shù)據(jù)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?yún)?shù)設(shè)置菜單。設(shè)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(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。 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(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振蕩反應即時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，每個溫度下都需要輸入相應的數(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(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。 13) 恒溫5min后，單擊“開始實驗”鍵，根據(jù)提示輸入BZ振蕩反應即時數(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(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)文件的最后一行記錄的是溫度和。測量軟件系統(tǒng)判斷的可能不準確?？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(shè)備造成腐蝕。 7 思考題 1）什么是化學振蕩現(xiàn)象？產(chǎn)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官方網(wǎng)站。 | 
