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 1k2X 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...