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西北师范大学第一届趣味化学实验设计大赛


附件一:
序号:

西北师范大学第一届趣味化学实验设计大赛

参赛作品申报书

作品名称: 单位名称: 第一作者:

神圣的化学光环—振荡反应

王彤彤

A.申报者情况

名 称

神圣的化学光环—振荡反应

( )A、教师及研究生组 (√ )B、本科生组 ( )C、中学生组

作 品 情 况

组 别
标记(√)

类 别
标记(√)

(√ )Ⅰ、演示类 ( )Ⅱ、参与类 出生 年月 学历(年级) 固定 电话 邮箱

姓 名 第 一 作 者 情 况 专 业
(C 组可不填)

性 别

民族

所在单位 手 机

通讯地址及邮编 姓 名 其 他 作 者 情 况 王彤彤 性别 男 年龄 18 学历(年级) 二年级 科学学院 所在单位 地理与环境

B.参赛作品 作品名称:神圣的化学光环—振荡反应
摘要:化学实验是最直观,最生动,最现实的科教素材。本实验的设计是在前人的研究基础 上, 用两组实验方案, 十分明显的对比了振荡现象, 其精彩的时间变化和空间变化引人入胜。

【设计意图】 化学振荡是指有些自催化反应有可能使反应体系中某些物种的浓度随时间 或空间发生周期性的变化。 这种周期性变化是发生在非平衡态时的现象。其广泛 存在于化学、物理学、生物学等领域中,因此化学振荡反应的研究是一个多学课 交叉点的前沿课题,其研究对解决矿物勘探、大气动力学、化学过程分析等重要 理论和实际问题都有可能产生重大的影响。目前,在药物分析、生命科学等许多 领域都有广泛的研究和应用,并已取得了重要的进展。 本实验采用两套方案旨在产生对比, 将复杂的化学振荡机理清楚的展现在大 众面前。了解化学振荡的机理,探索实验乐趣。 【实验原理】 早在 1921 年, Bray 就报道了在 I2-HIO3 作催化剂的条件下 H2O2 的催化分解在 某些条件下呈现出明显的振荡现象。1958 年,苏联化学家 Belousov 在硫酸介质 中以铈离子作催化剂用溴酸盐氧化柠檬酸,1964 年, Zhabotinsky 报道了其它体 系都出现了时空有序的振荡现象。因而后人称他们的研究为 B-Z 反应。目前已经 发现不但在许多化学系统而且在生物化学系统中,都广泛存在着化学振荡现象。 这种现象引起了化学工作者以及物理、生物等学科工作者的浓厚兴趣。 方案一:过氧化氢在 Mn2 十催化下分别跟碘酸钾、单质碘的振荡 在一定条件下,过氧化氢既可以作为还原剂,又可以作为氧化剂。在本实验 条件下(室温,淀粉溶液),过氧化氢在 Mn2 十催化下分别跟碘酸钾、单质碘发生 振荡反应, 使溶液的颜色呈现周期性的变化(无色→琥珀色→蓝色),直至过氧化 氢完全反应,溶液的颜色才不会再变化。上述颜色变化的反应机理很复杂,有人 认为,可能反应机理是: 2KIO3+5H2O2+H2SO4=I2+K2SO4+6H2O+5O2↑(在 Mn2 十催化下)使淀粉溶液蓝 (1) I2+5H2O2+K2SO4=2KIO3+4H2O+H2SO4 (使蓝色淀粉溶液褪色) I2+CH2(COOH)2→ICH(COOH)2+I-+H+ I2+ICH(COOH)2→CI2(COOH)2+I-+H+ (2) (3) (4)

I-+I2=I3- 方案二:铈离子和溴离子的振荡

(5)

图 1:B-Z 体系典型铈离子和溴离子浓度的振荡曲线

关于 B-Z 反应的机理,目前为人们普遍接受的是关于在硫酸介质中以金属 铈离子作催化剂的条件下,丙二酸被溴酸氧化的机理,简称为 FKN 机理。其主要 的反应步骤及各步骤的速率或速率系数归纳如下: FKN 机理 序号 (1) (2) 机理步骤 速率或速率常数

HOBr ? Br ? ? H ?

Br2 ? H2O

k1 ? 8 ? 109 m ol?2 ? dm6 ? s ?1 k ?1 ? 110s ?1
k 2 ? 2 ?109 mol?2 ? dm6 ? s ?1

k2 HBrO2 ? Br ? ? H ? ? ?? 2HOBr

(3)

k3 ? BrO3 ? Br ? ? 2H ? ? ?? HBrO2 ? HOBr

k3 ? 2.1mol?3 ? dm9 ? s ?1
k 4 ? 4 ?107 mol?1 ? dm3 ? s ?1

(4) (5) (6) (7) (8)

k4 ? 2HBrO2 ? ?? BrO3 ? HOBr ? H ?

BrO 3? ? HBrO 2 ? H ?

k5 k ?5

2 BrO 2 ? H 2 O

k 5 ? 1.0 ? 104 m ol?2 ? dm6 ? s ?1 k ?5 ? 2 ? 107 m ol?1 ? dm3 ? s ?1
快速

k6 BrO2 ? Ce 3? ? H ? ? ?? HBrO2 ? Ce 4? k7 Br2 ? MA ? ?? BrMA ? Br ? ? H ?
k8 6Ce4? ? MA ? 2H 2O ?? ?

k7 ? 1.3 ?10?2 [ H ? ][MA]
8.8 ? 10?2 [Ce 4? ][MA] k8 ? 0.53 ? [ MA]

6Ce3? ? HCOOH ? 2CO2 ? 6 H ?

(9)

k9 4Ce 4? ? BrMA ? 2 H 2 O ? ??

4Ce 3? ? Br ? ? HCOOH ? 2CO2 ? 5H ?

k9 ?

1.7 ? 10?2 [Ce 4? ][BrMA] 0.20 ? [ BrMA]

k10 ?? 2Br ? ? CO2 ? 2H ? (10) Br2 ? HCOOH ?

k10 ?

7.5 ? 10?3 [ Br2 ][HCOOH] [H ? ]

注:ki 代表第 i 个反应步骤的速率,MA 和 BrMA 分别为 CH2(COOH)2 和 BrCH(COOH)2 的缩写。

【实验用品】 方案一:30%的双氧水溶液;KIO3(C.P); 2mol/L 的硫酸溶液; 0.03 g 可溶性淀粉(C. P); 蒸馏水(可用自来水代替); 丙二酸(C.P); 硫酸锰品体(C. P)。 250mL 烧杯 3 只;50 mL 量筒 3 只;150 mL 量筒 1 只;10 mL 量筒 1 只;台称 1 台;玻璃棒 1 支;酒精灯 1 盏;石棉网 1 块;白纸片 1 张;防水手电 1 个;洗瓶 1 个。 方案二:0.02mol·dm-3 硝酸铈铵;0.5mol·dm-3 丙二酸;0.2mol·dm-3 溴酸 钾;0.8mol·dm-3 硫酸;0.4MKBrO3;1.0MKBr;硫酸亚铁(0.025M)-邻菲罗啉 (0.083M)溶液。 10 mL 量筒 1 只;20 mL 量筒 1 只;2mL 移液管 1 只;50mL 烧杯 1 只;洗瓶 1 个; 玻璃棒 1 支;酒精灯 1 盏;石棉网 1 块;白纸片 1 张;防水手电 1 个;试管若干; 温度计 1 支。 【实验操作步骤】 方案一: A.取 102.5ml30%的双氧水溶液稀释至 250ml,用玻璃棒搅拌均匀。 B.取 10.7gKIO3 加 10ml 2mol/l 的硫酸,稀释至 250ml,用玻璃棒搅拌均匀。 C. 取 0.075g 淀粉溶于少量热水并加 3.9g 丙二酸和 0.845g 硫酸锰稀释至 250ml, 用玻璃棒搅拌均匀。 D.用三支量筒分别量取 A、B、C 各 50ml,同时加入至洁净的 250ml 烧杯,用玻 璃棒略搅拌后静置。 E.手持防水手电,将手电筒头部置于溶液中观察。 方案二: A. 分别取 7ml 丙二酸、15ml 溴酸钾、18ml 硫酸溶液于干净的 50mL 烧杯,玻璃 棒略搅拌后静置,用移液管加入 2ml 硝酸铈铵溶液。 。

B. 升高温度 3~5℃,直到 35℃左右。 C. 向反应器中加入 6ml 0.4M KBrO3 + 0.5ml 1.0MKBr,混合后产生红褐色溴溶 液,再迅速加入 1ml 1M 丙二酸,等待约 5 分钟后红褐色褪去。再加入 4 滴 硫酸亚铁(0.025M)-邻菲罗啉(0.083M)溶液。摇晃一下后平放,观察现象。 D. 手持防水手电,将手电筒头部置于溶液中观察。 【实验现象】 方案一:溶液的颜色在无色→琥珀色→蓝色之间振荡。 方案二:本实验系统的颜色在黄色和无色之间振荡,如果再加入适量的 FeSO4+邻菲咯啉
溶液,那么溶液的颜色会在蓝色和红色之间振荡,这样更便于观察。

【实验结果】 方案一:系统中[I-]、[I2]和[CH2(COOH)2]都随时间作周期性的变化。 方案二:系统中[Br-]、[HBrO2]和[Ce4+]/[Ce3+]都随时间作周期性的变化。 【其他附带效果】 两个实验方案都因为手电筒的置入,有着强烈的空间变化效果。 【注意事项】 方案一: (1)本实验成功的标志是溶液的颜色由“无色→琥珀色→蓝色”反复循环变 色,它与溶液的浓度是否准确有关,并且混合时 3 种溶液的体积要相同。因此, 一定要配准、量准 3 种溶液。否则,看不出 3 种颜色反复循环变化的现象,只能 看到溶液的颜色由 “无色→琥珀色”反复循环变色或溶液的颜色只出现蓝色或无 色溶液不发生颜色变化中的一种。 (2)振荡周期的长短可以由硫酸的浓度来控制。硫酸的浓度愈低,振荡的周 期愈长。在硫酸浓度较低时,在开始的 2 min 左右的时间内振荡不会出现蓝色。 (3)温度对该反应是有一定影响的。温度低时反应速率较慢,一般溶液温度 应在 25℃左右。 (4)改变 H2O2 或 IO3-的浓度会改变振荡的性质与周期。 (5)混合溶液搅拌与否,对振荡周期有一定的影响。 方案二:

(1)各个组分的混合顺序对体系的振荡行为有影响。应在丙二酸、溴酸钾、 硫酸混合均匀后,再加入硝酸铈铵溶液。 (2)实验中溴酸钾试剂纯度要求高。 (3)配制硝酸铈铵溶液时候,一定要在硫酸介质中配制,防止发生水解呈 浑浊。 (4) 所使用的反应容器一定要冲洗干净。 【附件材料】 20 世纪 60 年代,普利高津(I.Prigogine)领导下的布鲁塞尔学派在非线性 非平衡态热力学研究中取得重大突破, 提出了著名的耗散结构理论。 该理论指出: 某些远离平衡态的系统, 通过耗散能量和物质,有可能达到一种时间或空间有序 的状态, 他们称这种状态为耗散结构。这样就从热力学上证明了化学振荡反应的 发生是可能的。 耗散结构理论的建立为振荡反应提供了理论基础,从此振荡反应 赢得了重视,研究迅速发展。同时,Prigogine 等人还给出了产生振荡的条件: (1)远离平衡态;(2)有反馈存在;(3)有多复位态存在;(4)开放系统。 近二三十年来, 对化学振荡的研究则更多,研究内容包含了有关化学振荡的 许多问题如化学振荡反应的热力学因素,动力学因素,用数学方法和程序软件来 研究化学振荡反应, 以及如何进行反馈和寻找新的振荡器等,并且不断在寻找研 究化学振荡的新方法。 有些化学反应体系(如 B-Z 反应体系)在某些确定的外部条件下并不发展到 不随时间变化的定态或平衡态, 而是发展到其状态量(如某些中间物组分的浓度) 随时间周期变化的状态。 化学反应体系中某些状态量随时间周期变化的状态称为 化学振荡,有时也称为化学钟。
参考文献: [1]B-Z 振荡反应.http;//baike. baidu. com/view/97108. htm [2]石丰.普里高津:耗散结构理论.http://goutong. bokee.com/3830006.html [3]熊言林. 一个奇妙的化学振荡实验新设计[M].化学教育.2008.10 [4]江光奇.趣味化学实验设计浅谈[M].贵州化工.2001.03

C.学校评审委员会评审意见
评审意见

评审委员会评委签名








西北师范大学第一届趣味化学实验设计大赛

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