基于课堂演示的BZ振荡反应改进＊

伍星宇



基于课堂演示的BZ振荡反应改进＊

伍星宇

（珠海市第一中学高三（18）班，广东 珠海 519000）

化学振荡反应呈现周期性变化，是化学动力学的经典实验。通过对别罗索夫和扎鲍廷斯基发现的B-Z反应配方的改进，使振荡反应的速率可控、反应现象明显、周期缩短，并减少实验中溴气的释放，实现绿色化学，适合课堂演示。

BZ振荡反应；课堂演示；实验配方；反应物

化学振荡是物理化学中一个重要的研究领域，化学振荡反应是在开放体系中进行的远离平衡一类反应，这类反应与通常的化学反应不同，它并非总是趋向于平衡态。BZ振荡兼具可观性和趣味性，如图1所示，可以呈现出丰富多彩的时间空振荡、化学波等，可是应用文献记载和常用的配方做振荡实验时，往往会出现振荡周期过长、颜色变化不明显等不利于课堂演示的问题。所以，笔者积极研究了Belousov-Zhabotinsky振荡反应（简称B-Z反应）的振荡体系，期望探究出适宜的教师课堂演示方案。笔者选用的基础配方是1985年俄国化学家别罗索夫和扎鲍廷斯基发现的，即以金属铈作催化剂，柠檬酸在酸性条件下被溴酸钾氧化而呈现化学振荡现象，溶液在无色和淡黄色两种状态之间进行着规则的周期振荡。笔者运用实验研究法，通过探究反应物浓度、反应物加入顺序、不同催化剂的效果，以期找出反应最佳配方，用于课堂演示，增强学生对化学的学习兴趣。振荡反应现象如图1所示。

1 振荡反应机理[1]

1972年，由Field、Kdr6s和Noyes这3位科学家提出了经典的B-Z反应振荡机理，在硫酸介质中，金属铈离子（Ce4+/Ce3+）作催化剂的条件下丙二酸被溴酸氧化。FKN机理分为以下3个过程。

当[Br-]浓度较大时，该反应占主导地位：BrO3-+5Br--+6H+→3Br2+3H2O（过程A）.

当[Br-]浓度较小时，发生HBrO2的自催化反应：2Ce3++ BrO3-+ HBrO2+3H+→2Ce4++2HBrO2+H2O.

在自催化反应中，HBrO2的浓度以指数函数的规律迅速增长，但增长会受到以下反应的限制：2HBrO2→BrO3-+ HOBr+H+，因此，形成第二个总反应（过程B），即BrO3-+4Ce3++5H+→HOBr+4Ce4++2H2O（B）.

Br-通过溴化有机物被四价饰离子氧化而再生形成反馈，第三个总反应（过程C）为：HOBr+4Ce4++Br2-+3H2O→2Br-+ 4Ce3++3CO2+6H+（C）.

A，B和C反应组成BZ体系的全过程。随着振荡反应的进行，经过足够长时间后，反应物消耗殆尽，体系达到平衡态，导致振荡反应结束。

2 研究过程

要想使反应的速率可控、反应现象明显、振荡周期缩短，则必须探究影响波纹呈现的因素。笔者从反应物的浓度、反应物加入顺序和不同催化剂的影响等方面进行了探究，研究方案、实验数据和结论如下。研究方案一中硫酸浓度对振荡反应的速率的影响如表1所示。

结论：当硫酸的浓度在6 mol时，振荡反应的速率适中。

研究方案二中反应物加入顺序对振荡反应波纹颜色的影响如表2所示。

实验记录如表3所示。

研究方案三中催化剂对振荡反应的影响如表4所示。

表1 研究方案一中硫酸浓度对振荡反应的速率的影响

试剂溴酸钾（0.5 mol/L）丙二酸（0.5 mol/L）溴化钾（0.5 mol/L）硫酸邻菲啰啉（0.5 mol/L）硝酸铈铵（0.5 mol/L）二阶铁（0.5 mol/L）实验结果 16 mL2.5 mL1 mL1.2 mL（5 mol/L）1 mL1 mL1 mL反应速率偏慢 26 mL2.5 mL1 mL1.2 mL（6 mol/L）1 mL1 mL1 mL反应速率适中 36 mL2.5 mL1 mL1.2 mL（7 mol/L）1 mL1 mL1 mL反应速率偏快

表2 研究方案二中反应物加入顺序对振荡反应波纹颜色的影响

反应物溴酸钾丙二酸溴化钾硫酸菲林啰啉硫酸亚铁硝酸铈铵 标量6 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL

表3 实验记录

方案用量反应物加入顺序：从左至右依次加入波纹颜色 1标量溴酸钾→丙二酸→溴化钾→硫酸→菲林啰啉→硫酸亚铁→硝酸铈铵红蓝 2标量溴酸钾→溴化钾→丙二酸→硫酸→菲林啰啉→硫酸亚铁→硝酸铈铵红蓝 3标量溴化钾→溴酸钾→丙二酸→硫酸→菲林啰啉→硫酸亚铁→硝酸铈铵绿红 4标量溴化钾→丙二酸→溴酸钾→硫酸→菲林啰啉→硫酸亚铁→硝酸铈铵无 5标量丙二酸→溴化钾→溴酸钾→硫酸→菲林啰啉→硫酸亚铁→硝酸铈铵绿红 6标量丙二酸→溴酸钾→溴化钾→硫酸→菲林啰啉→硫酸亚铁→硝酸铈铵绿红（近粉） 7标量溴酸钾→丙二酸→溴化钾→硫酸→硝酸铈铵→菲林啰啉→硫酸亚铁蓝绿红 8标量溴酸钾→溴化钾→丙二酸→硫酸→硝酸铈铵→菲林啰啉→硫酸亚铁紫绿 9标量溴化钾→丙二酸→溴酸钾→硫酸→硝酸铈铵→菲林啰啉→硫酸亚铁蓝绿红 10标量溴化钾→溴酸钾→丙二酸→硫酸→硝酸铈铵→菲林啰啉→硫酸亚铁蓝绿紫 11标量丙二酸→溴化钾→溴酸钾→硫酸→硝酸铈铵→菲林啰啉→硫酸亚铁蓝绿红 12标量丙二酸→溴酸钾→溴化钾→硫酸→硝酸铈铵→菲林啰啉→硫酸亚铁蓝绿红

表4 研究方案三中催化剂对振荡反应的影响

试剂溴酸钾（0.5 mol/L）丙二酸（0.5 mol/L）溴化钾（0.5 mol/L）硫酸（6 mol/L）邻菲啰啉（0.005 mol/L）硝酸铈铵（0.005 mol/L）催化剂（0.005 mol/L）实验结果 16 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的FeSO4反应速率适宜，且呈现周期性变化 26 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的Fe2（SO4）3不发生反应 36 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的CuSO4反应较慢且在波纹出现后逐渐停止，只有1个周期 46 mL2.5 mL1 mL1.2 mL1 mL1 mL1 mL的KCl不发生反应

3 研究成果

振荡反应最佳配方、操作步骤及反应现象如下。

3.1 配方一

在烧杯中先加入6 mL质量浓度为0.5 mol/L的溴酸钾溶液，再依次加入2.5 mL质量浓度为0.5 mol/L的丙二酸溶液、1 mL质量浓度为0.5 mol/L的溴化钾溶液、1.2 mL质量浓度为6 mol/L的硫酸溶液、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的邻菲啰啉试剂、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的硫酸亚铁溶液、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的硝酸铈铵溶液，用玻璃棒搅拌均匀，在恒温磁力搅拌仪上振荡，将速度调到最大。

该配方中会出现红色和蓝色的波纹。

3.2 配方二

在烧杯中，先加入1 mL质量浓度为0.5 mol/L的溴化钾溶液，再依次加入6 mL 质量浓度为0.5 mol/L的溴酸钾溶液、2.5 mL质量浓度为0.5 mol/L的丙二酸溶液、1.2 mL质量浓度为6 mol/L的硫酸溶液、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的邻菲啰啉试剂、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的硫酸亚铁溶液、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的硝酸铈铵溶液，用玻璃棒搅拌均匀，在恒温磁力搅拌仪上振荡，将速度调到最大。

该配方中会出现红色和绿色的波纹。

3.3 配方三

在烧杯中，先加入6 mL质量浓度为0.5 mol/L的溴酸钾溶液，再依次加入2.5 mL质量浓度为0.5 mol/L的丙二酸溶液、1 mL质量浓度为0.5 mol/L的溴化钾溶液、1.2 mL质量浓度为6 mol/L的硫酸溶液、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的邻菲啰啉试剂、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的硝酸铈铵溶液、1 mL质量浓度为0.005 mol/L的硫酸亚铁溶液，用玻璃棒搅拌均匀，在恒温磁力搅拌仪上振荡，将速度调到最大。

该配方中会出现紫色和绿色的波纹。

4 创新点

振荡反应周期短，便于教师课堂演示；反应现象明显，色彩丰富，可观性强；操作简便，便于中学生掌握；较传统配方反应中的溴气释放少，实现了绿色化学。

［1］葛春华.自由基控制的BZ振荡反应研究［D］.上海：上海师范大学，2005.

教师点评：BZ振荡反应是笔者在人教版（化学选修6）中蓝瓶子实验的教学设计中加入的一个拓展实验，学生伍星宇对它产生了浓厚的兴趣，查阅了大量文献学习研究，在学校科技节的化学广场中向全校同学展示了这个富有趣味性的化学动力学的BZ振荡反应。多次实践过程中，伍星宇同学发现经典的BZ振荡反应的配方有以下不足：反应周期过长、反应现象的波纹不明显、溴单质污染较大，并不适合作为课堂的演示实验，因此他设计了研究方案，做了大量的比较试验，最终在反应物的浓度、反应物加入顺序和催化剂的选择等方面找突破口，摸索出最佳配方。他的研究成果在教学应用中获得了肯定。

点评：广东省珠海市第二中学陈军

指导教师：广东省珠海市第二中学陈军

＊本文系广东省珠海市教育科研“十三五”规划课题“基于学生核心素养的中学化学实验课题内容建构与教学的研究”（编号：2017KTZ03-GZ204）、广东省珠海市教育科研“十三五”规划微课题“以蓝瓶子实验为载体培养学生实践创新核心素养的研究”（编号：2018ZHktw007）的研究成果

2095－6835（2018）21－0043－02

O648.17

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.043

〔编辑：张思楠〕