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