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基于課堂演示的BZ振蕩反應(yīng)改進(jìn)*

2018-11-30 03:16:07伍星宇
科技與創(chuàng)新 2018年21期
關(guān)鍵詞:溴酸菲林丙二酸

伍星宇

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基于課堂演示的BZ振蕩反應(yīng)改進(jìn)*

伍星宇

(珠海市第一中學(xué)高三(18)班,廣東 珠海 519000)

化學(xué)振蕩反應(yīng)呈現(xiàn)周期性變化,是化學(xué)動力學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。通過對別羅索夫和扎鮑廷斯基發(fā)現(xiàn)的B-Z反應(yīng)配方的改進(jìn),使振蕩反應(yīng)的速率可控、反應(yīng)現(xiàn)象明顯、周期縮短,并減少實(shí)驗(yàn)中溴氣的釋放,實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué),適合課堂演示。

BZ振蕩反應(yīng);課堂演示;實(shí)驗(yàn)配方;反應(yīng)物

化學(xué)振蕩是物理化學(xué)中一個重要的研究領(lǐng)域,化學(xué)振蕩反應(yīng)是在開放體系中進(jìn)行的遠(yuǎn)離平衡一類反應(yīng),這類反應(yīng)與通常的化學(xué)反應(yīng)不同,它并非總是趨向于平衡態(tài)。BZ振蕩兼具可觀性和趣味性,如圖1所示,可以呈現(xiàn)出豐富多彩的時間空振蕩、化學(xué)波等,可是應(yīng)用文獻(xiàn)記載和常用的配方做振蕩實(shí)驗(yàn)時,往往會出現(xiàn)振蕩周期過長、顏色變化不明顯等不利于課堂演示的問題。所以,筆者積極研究了Belousov-Zhabotinsky振蕩反應(yīng)(簡稱B-Z反應(yīng))的振蕩體系,期望探究出適宜的教師課堂演示方案。筆者選用的基礎(chǔ)配方是1985年俄國化學(xué)家別羅索夫和扎鮑廷斯基發(fā)現(xiàn)的,即以金屬鈰作催化劑,檸檬酸在酸性條件下被溴酸鉀氧化而呈現(xiàn)化學(xué)振蕩現(xiàn)象,溶液在無色和淡黃色兩種狀態(tài)之間進(jìn)行著規(guī)則的周期振蕩。筆者運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究法,通過探究反應(yīng)物濃度、反應(yīng)物加入順序、不同催化劑的效果,以期找出反應(yīng)最佳配方,用于課堂演示,增強(qiáng)學(xué)生對化學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。振蕩反應(yīng)現(xiàn)象如圖1所示。

1 振蕩反應(yīng)機(jī)理[1]

1972年,由Field、Kdr6s和Noyes這3位科學(xué)家提出了經(jīng)典的B-Z反應(yīng)振蕩機(jī)理,在硫酸介質(zhì)中,金屬鈰離子(Ce4+/Ce3+)作催化劑的條件下丙二酸被溴酸氧化。FKN機(jī)理分為以下3個過程。

當(dāng)[Br-]濃度較大時,該反應(yīng)占主導(dǎo)地位:BrO3-+5Br--+6H+→3Br2+3H2O(過程A).

當(dāng)[Br-]濃度較小時,發(fā)生HBrO2的自催化反應(yīng):2Ce3++ BrO3-+ HBrO2+3H+→2Ce4++2HBrO2+H2O.

在自催化反應(yīng)中,HBrO2的濃度以指數(shù)函數(shù)的規(guī)律迅速增長,但增長會受到以下反應(yīng)的限制:2HBrO2→BrO3-+ HOBr+H+,因此,形成第二個總反應(yīng)(過程B),即BrO3-+4Ce3++5H+→HOBr+4Ce4++2H2O(B).

Br-通過溴化有機(jī)物被四價(jià)飾離子氧化而再生形成反饋,第三個總反應(yīng)(過程C)為:HOBr+4Ce4++Br2-+3H2O→2Br-+ 4Ce3++3CO2+6H+(C).

A,B和C反應(yīng)組成BZ體系的全過程。隨著振蕩反應(yīng)的進(jìn)行,經(jīng)過足夠長時間后,反應(yīng)物消耗殆盡,體系達(dá)到平衡態(tài),導(dǎo)致振蕩反應(yīng)結(jié)束。

2 研究過程

要想使反應(yīng)的速率可控、反應(yīng)現(xiàn)象明顯、振蕩周期縮短,則必須探究影響波紋呈現(xiàn)的因素。筆者從反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)物加入順序和不同催化劑的影響等方面進(jìn)行了探究,研究方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論如下。研究方案一中硫酸濃度對振蕩反應(yīng)的速率的影響如表1所示。

結(jié)論:當(dāng)硫酸的濃度在6 mol時,振蕩反應(yīng)的速率適中。

研究方案二中反應(yīng)物加入順序?qū)φ袷幏磻?yīng)波紋顏色的影響如表2所示。

實(shí)驗(yàn)記錄如表3所示。

研究方案三中催化劑對振蕩反應(yīng)的影響如表4所示。

表1 研究方案一中硫酸濃度對振蕩反應(yīng)的速率的影響

試劑溴酸鉀(0.5 mol/L)丙二酸(0.5 mol/L)溴化鉀(0.5 mol/L)硫酸鄰菲啰啉(0.5 mol/L)硝酸鈰銨(0.5 mol/L)二階鐵(0.5 mol/L)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 16 mL2.5 mL1 mL1.2 mL(5 mol/L)1 mL1 mL1 mL反應(yīng)速率偏慢 26 mL2.5 mL1 mL1.2 mL(6 mol/L)1 mL1 mL1 mL反應(yīng)速率適中 36 mL2.5 mL1 mL1.2 mL(7 mol/L)1 mL1 mL1 mL反應(yīng)速率偏快

表2 研究方案二中反應(yīng)物加入順序?qū)φ袷幏磻?yīng)波紋顏色的影響

反應(yīng)物溴酸鉀丙二酸溴化鉀硫酸菲林啰啉硫酸亞鐵硝酸鈰銨 標(biāo)量6 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL

表3 實(shí)驗(yàn)記錄

方案用量反應(yīng)物加入順序:從左至右依次加入波紋顏色 1標(biāo)量溴酸鉀→丙二酸→溴化鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨紅藍(lán) 2標(biāo)量溴酸鉀→溴化鉀→丙二酸→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨紅藍(lán) 3標(biāo)量溴化鉀→溴酸鉀→丙二酸→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨綠紅 4標(biāo)量溴化鉀→丙二酸→溴酸鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨無 5標(biāo)量丙二酸→溴化鉀→溴酸鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨綠紅 6標(biāo)量丙二酸→溴酸鉀→溴化鉀→硫酸→菲林啰啉→硫酸亞鐵→硝酸鈰銨綠紅(近粉) 7標(biāo)量溴酸鉀→丙二酸→溴化鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅 8標(biāo)量溴酸鉀→溴化鉀→丙二酸→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵紫綠 9標(biāo)量溴化鉀→丙二酸→溴酸鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅 10標(biāo)量溴化鉀→溴酸鉀→丙二酸→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紫 11標(biāo)量丙二酸→溴化鉀→溴酸鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅 12標(biāo)量丙二酸→溴酸鉀→溴化鉀→硫酸→硝酸鈰銨→菲林啰啉→硫酸亞鐵藍(lán)綠紅

表4 研究方案三中催化劑對振蕩反應(yīng)的影響

試劑溴酸鉀(0.5 mol/L)丙二酸(0.5 mol/L)溴化鉀(0.5 mol/L)硫酸(6 mol/L)鄰菲啰啉(0.005 mol/L)硝酸鈰銨(0.005 mol/L)催化劑(0.005 mol/L)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 16 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的FeSO4反應(yīng)速率適宜,且呈現(xiàn)周期性變化 26 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的Fe2(SO4)3不發(fā)生反應(yīng) 36 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的CuSO4反應(yīng)較慢且在波紋出現(xiàn)后逐漸停止,只有1個周期 46 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的KCl不發(fā)生反應(yīng)

3 研究成果

振蕩反應(yīng)最佳配方、操作步驟及反應(yīng)現(xiàn)象如下。

3.1 配方一

在燒杯中先加入6 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴酸鉀溶液,再依次加入2.5 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的丙二酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴化鉀溶液、1.2 mL質(zhì)量濃度為6 mol/L的硫酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的鄰菲啰啉試劑、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硫酸亞鐵溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硝酸鈰銨溶液,用玻璃棒攪拌均勻,在恒溫磁力攪拌儀上振蕩,將速度調(diào)到最大。

該配方中會出現(xiàn)紅色和藍(lán)色的波紋。

3.2 配方二

在燒杯中,先加入1 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴化鉀溶液,再依次加入6 mL 質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴酸鉀溶液、2.5 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的丙二酸溶液、1.2 mL質(zhì)量濃度為6 mol/L的硫酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的鄰菲啰啉試劑、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硫酸亞鐵溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硝酸鈰銨溶液,用玻璃棒攪拌均勻,在恒溫磁力攪拌儀上振蕩,將速度調(diào)到最大。

該配方中會出現(xiàn)紅色和綠色的波紋。

3.3 配方三

在燒杯中,先加入6 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴酸鉀溶液,再依次加入2.5 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的丙二酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.5 mol/L的溴化鉀溶液、1.2 mL質(zhì)量濃度為6 mol/L的硫酸溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的鄰菲啰啉試劑、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硝酸鈰銨溶液、1 mL質(zhì)量濃度為0.005 mol/L的硫酸亞鐵溶液,用玻璃棒攪拌均勻,在恒溫磁力攪拌儀上振蕩,將速度調(diào)到最大。

該配方中會出現(xiàn)紫色和綠色的波紋。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

振蕩反應(yīng)周期短,便于教師課堂演示;反應(yīng)現(xiàn)象明顯,色彩豐富,可觀性強(qiáng);操作簡便,便于中學(xué)生掌握;較傳統(tǒng)配方反應(yīng)中的溴氣釋放少,實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)。

[1]葛春華.自由基控制的BZ振蕩反應(yīng)研究[D].上海:上海師范大學(xué),2005.

教師點(diǎn)評:BZ振蕩反應(yīng)是筆者在人教版(化學(xué)選修6)中藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中加入的一個拓展實(shí)驗(yàn),學(xué)生伍星宇對它產(chǎn)生了濃厚的興趣,查閱了大量文獻(xiàn)學(xué)習(xí)研究,在學(xué)??萍脊?jié)的化學(xué)廣場中向全校同學(xué)展示了這個富有趣味性的化學(xué)動力學(xué)的BZ振蕩反應(yīng)。多次實(shí)踐過程中,伍星宇同學(xué)發(fā)現(xiàn)經(jīng)典的BZ振蕩反應(yīng)的配方有以下不足:反應(yīng)周期過長、反應(yīng)現(xiàn)象的波紋不明顯、溴單質(zhì)污染較大,并不適合作為課堂的演示實(shí)驗(yàn),因此他設(shè)計(jì)了研究方案,做了大量的比較試驗(yàn),最終在反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)物加入順序和催化劑的選擇等方面找突破口,摸索出最佳配方。他的研究成果在教學(xué)應(yīng)用中獲得了肯定。

點(diǎn)評:廣東省珠海市第二中學(xué)陳軍

指導(dǎo)教師:廣東省珠海市第二中學(xué)陳軍

*本文系廣東省珠海市教育科研“十三五”規(guī)劃課題“基于學(xué)生核心素養(yǎng)的中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課題內(nèi)容建構(gòu)與教學(xué)的研究”(編號:2017KTZ03-GZ204)、廣東省珠海市教育科研“十三五”規(guī)劃微課題“以藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)為載體培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新核心素養(yǎng)的研究”(編號:2018ZHktw007)的研究成果

2095-6835(2018)21-0043-02

O648.17

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.043

〔編輯:張思楠〕

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