南京大学物化实验系列BZ振荡反应VIP专享

南京大学化学化工学院 物理化学实验教案 邱金恒 1 BZ 振荡反应 一．实验目的及要求 1. 了解 Belou sov -Zhabotinsli 反应的基本原理。 2. 初步理解自然界中普遍存在的非平衡非线性问题。 二．教学提问 1．什么是非平衡非线性原理？什么是耗散结构？ 2．BZ 体系由那些物种构成？振荡的控制物种是什么？ 3．配制溶液过程中，要注意那些问题？ 4．温度与诱导时间的关系如何？ 二．实验原理 1．自催化反应 在给定条件下的反应体系，反应开始后逐渐形成并积累了某种产物或中间体，这些产物具有催化功能，使反应经过一段诱导期后出现大大加速的现象，这种作用称为自（动）催化作用。其特征之一是存在着初始的诱导期。 大多数自动氧化过程都存在自催化作用。油脂腐败，橡胶变质以及塑料制品的老化均属于包含链反应的自动氧化过程，反应开始进行很慢，但都被其所产生的自由基所加速。 2．化学振荡 有些自催化反应有可能使反应体系中某些物质的浓度随时间（或空间）发生周期性的变化，即发生化学振荡，而化学振荡反应的必要条件之一是该反应必须是自催化反应。化学振荡现象的发生必须满足如下几个条件：（1）反应必须是敞开体系且远离平衡态，即△rGm为较负的值。（2）反应历程中应包含自催化的步骤。（3）体系中必须能有两个准定态存在。 曾经提出过不少模型来研究化学振荡的反应机理，下面介绍洛特卡（Lotka）－沃尔特拉（Voltella）的自催化模型。 (1) A+X 1k2X r1=－ [ ]d Adt =k1[A][X] (2) X+Y 2k 2Y r2=－ []d Xdt=k2[X][Y] (3) Y 3k E r3= [ ]d Edt = k3[Y] 其净反应是 A  E。对这一组微分方程求解得： k2[X]－k3ln[X]+ k2[Y]+ k1[A]ln[Y]=常数 这一方程的具体解可用两种方法表示，一种是用[X]和[Y]对 t 作图，如图 1，其浓度随时间呈周期性变化；另一种是以[X]对[Y]，得反应轨迹曲线，如图 2，为一封闭椭圆曲线。反应轨迹曲线为封闭曲线，则 X 和 Y 的浓度就能沿曲线稳定地周期变化，反应变呈振荡现象。 南京大学化学化工学院 物理化学实验教案 邱金恒 2 图 1 [X]和[Y]随时间的周期性变化 图 2 反应轨迹曲线 中间产物 X、Y（它们同时也是反应物）的浓度的周期性变化可解释为：反应开始时其速率可能并不快，但由于反应（1）生成了 X，而 X 又能自催化反应（1），所以 X 骤增，随着 X 的生成，使反应（2）发生。开始 Y 的量可能...