物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告燃燒熱的測(cè)定苯甲酸萘

1、華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng) 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 燃燒熱的測(cè)定 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹棵鞔_燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的區(qū)別。掌握量熱技術(shù)的基本原理，學(xué)會(huì)測(cè)定奈的燃燒熱。了解氧彈卡計(jì)主要部件的作用，掌握氧彈量熱計(jì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。學(xué)會(huì)雷諾圖解法校正溫度改變值?！緦?shí)驗(yàn)原理】燃燒熱是指1摩爾物質(zhì)完全燃燒時(shí)所放出的熱量。在恒容條件下測(cè)得的燃燒熱稱(chēng)為恒容燃燒熱（Ov），恒容燃燒熱這個(gè)過(guò)程的內(nèi)能變化（U）。在恒壓條件下測(cè)得的燃燒熱稱(chēng)為恒壓燃燒熱（Qp），恒壓燃燒熱等于這個(gè)過(guò)程的熱焓變化（H）。若把參加反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成的氣體作為理想氣體處理，則有下列關(guān)系式： DcHm = QpQv nRT 

2、       （1）     本實(shí)驗(yàn)采用氧彈式量熱計(jì)測(cè)量蔗糖的燃燒熱。測(cè)量的基本原理是將一定量待測(cè)物質(zhì)樣品在氧彈中完全燃燒，燃燒時(shí)放出的熱量使卡計(jì)本身及氧彈周?chē)橘|(zhì)（本實(shí)驗(yàn)用水）的溫度升高。 氧彈是一個(gè)特制的不銹鋼容器（如圖）為了保證化妝品在若完全燃燒，氧彈中應(yīng)充以高壓氧氣（或者其他氧化劑），還必須使燃燒后放出的熱量盡可能全部傳遞給量熱計(jì)本身和其中盛放的水，而幾乎不與周?chē)h(huán)境發(fā)生熱交換。    但是，熱量的散失仍然無(wú)法完全避免，這可以是同于環(huán)境向量熱計(jì)輻射

3、進(jìn)熱量而使其溫度升高，也可以是由于量熱計(jì)向環(huán)境輻射出熱量而使量熱計(jì)的溫度降低。因此燃燒前后溫度的變化值不能直接準(zhǔn)確測(cè)量，而必須經(jīng)過(guò)作圖法進(jìn)行校正。放出熱(樣品+點(diǎn)火絲)吸收熱 (水、氧彈、量熱計(jì)、溫度計(jì))量熱原理能量守恒定律在盛有定水的容器中，樣品物質(zhì)的量為n摩爾，放入密閉氧彈充氧，使樣品完全燃燒，放出的熱量傳給水及儀器各部件，引起溫度上升。設(shè)系統(tǒng)（包括內(nèi)水桶，氧彈本身、測(cè)溫器件、攪拌器和水）的總熱容為C（通常稱(chēng)為儀器的水當(dāng)量，即量熱計(jì)及水每升高1K所需吸收的熱量），假設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有熱交換，燃燒前、后的溫度分別為T(mén)1、T2，則此樣品的恒容摩爾燃燒熱為: （2）式中，Qvm為樣品的恒容摩爾

4、燃燒熱(J·mol-1)；n為樣品的摩爾數(shù)（mol)；C為儀器的總熱容(J·K-1或J / oC)。上述公式是最理想、最簡(jiǎn)單的情況。 圖 1 氧彈量熱計(jì)構(gòu)造示意圖圖 2 氧彈構(gòu)造示意圖 1、氧彈 1厚壁圓筒；2彈蓋2、內(nèi)水桶（量熱容器） 3螺帽； 4進(jìn)氣孔3、電極 4、溫度計(jì) 5排氣孔；6電極5、攪拌器 6、恒溫外套 8電極（也是進(jìn)氣管）但是，由于（1）：氧彈量熱計(jì)不可能完全絕熱，熱漏在所難免。因此，燃燒前后溫度的變化不能直接用測(cè)到的燃燒前后的溫度差來(lái)計(jì)算，必須經(jīng)過(guò)合理的雷諾校正才能得到準(zhǔn)確的溫差變化。（2）多數(shù)物質(zhì)不能自燃，如本實(shí)驗(yàn)所用萘，必須借助電流引燃點(diǎn)火絲，再引起萘

5、的燃燒，因此，等式（2）左邊必須把點(diǎn)火絲燃燒所放熱量考慮進(jìn)去就如等式（3）： （3）式中：m點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的質(zhì)量，Q點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的燃燒熱，為-6694.4 J / g，DT為校正后的溫度升高值。儀器熱容的求法是用已知燃燒焓的物質(zhì)(如本實(shí)驗(yàn)用苯甲酸)，放在量熱計(jì)中燃燒，測(cè)其始、末溫度，經(jīng)雷諾校正后，按上式即可求出C。 雷諾校正：消除體系與環(huán)境間存在熱交換造成的對(duì)體系溫度變化的影響。方法：將燃燒前后歷次觀察的貝氏溫度計(jì)讀數(shù)對(duì)時(shí)間作圖，聯(lián)成FHDG線如圖-1-2。圖中H相當(dāng)于開(kāi)始燃燒之點(diǎn)，D點(diǎn)為觀察到最高溫度讀數(shù)點(diǎn)，將H所對(duì)應(yīng)的溫度T1，D所對(duì)應(yīng)的溫度T2，計(jì)算其平均溫度，過(guò)點(diǎn)作橫坐標(biāo)的平行線，交

6、FHDG線于一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)作橫坐標(biāo)的垂線a,然后將FH線和GD線外延交a線于A、C兩點(diǎn),A點(diǎn)與C點(diǎn)所表示的溫度差即為欲求溫度的升高DT。圖中AA表示由環(huán)境輻射進(jìn)來(lái)的熱量和攪拌引進(jìn)的能量而造成卡計(jì)溫度的升高，必須扣除之。CC表示卡計(jì)向環(huán)境輻射出熱量和攪拌而造成卡計(jì)溫度的降低，因此，需要加上，由此可見(jiàn)，AC兩點(diǎn)的溫度差是客觀地表示了由于樣品燃燒使卡計(jì)溫度升高的數(shù)值有時(shí)卡計(jì)的絕熱情況良好，熱漏小，而攪拌器功率大，不斷稍微引進(jìn)熱量，使得燃燒后的最高點(diǎn)不出現(xiàn)，如圖2-1-3，這種情況下DT仍可以按同法校正之。【實(shí)驗(yàn)儀器與藥品】 儀器：外槽恒溫式氧彈卡計(jì)(一個(gè))；氧氣鋼瓶(一瓶)；壓片機(jī) (2臺(tái))；數(shù)字式貝

7、克曼溫度計(jì)(一臺(tái))；0100溫度計(jì)(一支)；萬(wàn)用電表（一個(gè)）；扳手（一把）； 藥品：萘（A .R）；苯甲酸（A.R或燃燒熱專(zhuān)用）；鐵絲（10cm長(zhǎng)）；【實(shí)驗(yàn)步驟】一、量熱計(jì)常數(shù)K的測(cè)定。1、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質(zhì)量棉線，稱(chēng)取潔凈坩堝放置樣片前后質(zhì)量W1和W2 。2、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質(zhì)量棉線，稱(chēng)取潔凈坩堝放置樣片前后質(zhì)量W1和W2 。3、把盛有苯甲酸片的坩堝放于氧彈內(nèi)的坩堝架上，連接好點(diǎn)火絲和助燃棉線。4、蓋好氧彈，與減壓閥相連，充氣到彈內(nèi)壓力為1.2MPa為止。6、把氧彈放入量熱容器中，加入3000ml水。7、插入數(shù)顯貝克曼溫度計(jì)的溫度探頭。8、接好電路，計(jì)

8、時(shí)開(kāi)關(guān)指向“1分”，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)到向“振動(dòng)”，開(kāi)啟電源。約10min后，若溫度變化均勻，開(kāi)始讀取溫度。讀數(shù)前5s振動(dòng)器自動(dòng)振動(dòng)，兩次振動(dòng)間隔1min，每次振動(dòng)結(jié)束讀數(shù)。9、在第10min讀數(shù)后按下“點(diǎn)火”開(kāi)關(guān)，同時(shí)將計(jì)時(shí)開(kāi)關(guān)倒向“半分”，點(diǎn)火指示燈亮。加大點(diǎn)火電流使點(diǎn)火指示燈熄滅，樣品燃燒。燈滅時(shí)讀取溫度。10、溫度變化率降為0.05°C·min-1后，改為1min計(jì)時(shí)，在記錄溫度讀數(shù)至少10min，關(guān)閉電源。先取出貝克曼溫度計(jì)，再取氧彈，旋松放氣口排除廢氣。11、稱(chēng)量剩余點(diǎn)火絲質(zhì)量。清洗氧彈內(nèi)部及坩堝。二、萘的恒容燃燒熱的測(cè)定1、取萘0.6g壓片，重復(fù)上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄燃

9、燒過(guò)程中溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)?！咀⒁馐马?xiàng)】為避免腐蝕，必須清洗氧彈點(diǎn)火成敗是實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵。應(yīng)仔細(xì)安裝點(diǎn)火絲和坩堝。點(diǎn)火絲不應(yīng)與彈體內(nèi)壁接觸，坩堝支持架不應(yīng)與另一電極接觸。每次實(shí)驗(yàn)前均應(yīng)稱(chēng)量坩堝?！疚墨I(xiàn)值】恒壓燃燒熱 kcal/mol kJ/mol J/g測(cè)定條件  苯甲酸   -771.24 -3226.9 -26410p,25    萘   -1231.8 -5153.8 -40205p,25Cp，m（H2Ol） 75.291 J/molKCp，m（CO2g） 37.11 J/molKCp，m（O2g） 29.36 J/molKCp，m

10、（苯甲酸s）146.8 J/molKCp，m（萘s） 165.7 J/molK【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理】實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)第一組測(cè)定的數(shù)據(jù)：苯甲酸點(diǎn)火絲：0.0121g苯甲酸+點(diǎn)火絲（精測(cè)）：1.5072g點(diǎn)火后剩余：0.0040g苯甲酸凈含量：1.4951g點(diǎn)火絲消耗質(zhì)量：8.1×10-3 g時(shí)間/t(60s每次)溫度/T()時(shí)間/t(15s每次)溫度/T()時(shí)間/t(15s每次)溫度/T()17.871810.0922610.55027.874910.1612710.55737.8751010.2202810.56447.8771110.2682910.57057.8801210.306301

11、0.57467.8821310.3403110.57977.8851410.368時(shí)間/t(60s每次）溫度/T()87.8861510.394110.58397.8901610.418210.600107.8911710.439310.608時(shí)間/t(15s每次)溫度/T（）1810.456410.61118.3641910.472510.61428.6722010.486610.61339.0742110.501710.61249.3772210.513810.61059.6382310.523910.60869.8342410.5321010.60679.9832510.542第二組測(cè)定

12、的數(shù)據(jù)：苯甲酸點(diǎn)火絲：0.0120g苯甲酸+點(diǎn)火絲（精測(cè)）：1.2750g點(diǎn)火后剩余：0.0088g苯甲酸凈含量：1.2630g點(diǎn)火絲消耗質(zhì)量：3.2×10-3g時(shí)間/t(60s每次)溫度/T()時(shí)間/t(30s每次溫度/T()時(shí)間/t(30s每次)溫度/T()18.128810.0712610.42128.136910.1152710.42838.1431010.1542810.43348.1491110.1912910.43758.1541210.2143010.45068.1561310.248時(shí)間/t(60s每次)溫度/T(78.1691410.274110.46188.16

13、41510.292210.46798.1671610.311310.472108.1701710.328410.474時(shí)間/t(15s每次)溫度/T()1810.341510.47418.5401910.357610.47528.9252010.368710.47439.3272110.379810.47249.5772210.390910.47159.7892310.3981010.47069.9152410.406710.0072510.415第三組測(cè)定的數(shù)據(jù)：萘點(diǎn)火絲：0.0140g萘+點(diǎn)火絲（精測(cè)）：1.0051g點(diǎn)火后剩余：0.0061g萘凈含量：0.9911g點(diǎn)火絲消耗質(zhì)量：7.9

14、×10-3 g時(shí)間/t(60s每次)溫度/T()時(shí)間/t(30s每次溫度/T()時(shí)間/t(30s每次)溫度/T()18.100810.3582610.84028.105910.4352710.84638.1091010.4942810.85048.1131110.5412910.85458.1151210.580時(shí)間/t(60s每次)溫度/T(68.1191310.615110.86578.1211410.643210.87288.1241510.669310.87798.1271610.691410.878108.1301710.713510.878時(shí)間/t(15s每次)溫度/T(

15、)1810.747610.87918.4351910.762710.87728.8452010.77481087539.2362110.78749.5712210.790 59.9682310.807610.1192410.823710.2592510.829 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理雷諾校正作圖 計(jì)算卡計(jì)的熱容C，并求出兩次實(shí)驗(yàn)所得水當(dāng)量的平均值。苯甲酸的燃燒反應(yīng)方程式為：根據(jù)基爾霍夫定律：Cp，m 7×Cp，m（CO2,g）3×Cp，m（H2O,l）Cp，m（苯甲酸,s）Cp，m（O2,g）154.6805 J/molK 當(dāng)室溫為26.0 時(shí)苯甲酸的燃燒焓為：cHm（26.0）c

16、Hm（25.0）+Cp×T -3226.9154.6805×(26.0-25.0)×10-3 -3225.84 kJ/mol則：苯甲酸的恒容摩爾燃燒熱為：QV cUmcHm RTBVB(g) -3225.848.314×299.15×(77.5) ×10-3 -3224.6 kJ/mol又：nQV-CT -QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線（）苯甲酸燃燒的數(shù)據(jù)處理：QV點(diǎn)火絲·m點(diǎn)火絲 -6694.4×10-3×3.7×10-3 -0.02477 kJ15.517 kJ/（）苯甲酸燃燒的數(shù)據(jù)處理：Q

17、V點(diǎn)火絲·m點(diǎn)火絲 -6694.4×10-3×9×10-4 -6.025×10-3 kJ15.866 kJ/（）兩次實(shí)驗(yàn)所得水當(dāng)量的平均值為：=(15.51715.866）÷215.692 kJ/計(jì)算萘的恒容摩爾燃燒熱QV，m根據(jù)公式：nQV-CT -QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線則：（）萘燃燒的數(shù)據(jù)處理：QV點(diǎn)火絲·m點(diǎn)火絲 -6694.4×10-3×5.4×10-3 -0.03615 kJQV，m（-CT -QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線）/n5217.9 kJ/mol（）萘燃燒的數(shù)據(jù)處理：

18、QV點(diǎn)火絲·m點(diǎn)火絲 -6694.4×10-3×1.7×10-3 -0.01138 kJQV，m（-CT -QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線）/n5178 kJ/mol（）萘的恒容摩爾燃燒熱平均值為(5217.95178) ÷25197.5 kJ/mol求萘的恒壓摩爾燃燒熱Qp，m（即cHm）萘燃燒的化學(xué)方程式為： ，根據(jù)基爾霍夫定律：Cp，m 10×Cp，m（CO2,g）4×Cp，m（H2O,l）Cp，m（萘,s）12Cp，m（O2,g）154.304 J/molK26.0 時(shí)萘的燃燒焓為：cHm （26.0）cUm RTB

19、VB(g) 5206.638.314×299.15×（2）×10-3 5211.604 kJ/mol由基爾霍夫定律將cHm （T）換成cHm （298.15K），并與文獻(xiàn)比較cHm（25.0）cHm（26.0）Cp×T 5211.604154.304×(25.026.0) ×10-3 5211.758 kJ/mol 相對(duì)誤差：=1.12%【實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論】實(shí)驗(yàn)求得萘的燃燒熱QP,實(shí)與文獻(xiàn)值QP，標(biāo)=-5153.85 kJ×mol-1的誤差為1.12%（小于3%）?？梢?jiàn)本實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)萘的燃燒焓值影響很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確。產(chǎn)生誤

20、差的原因除了儀器誤差之外，主要還有以下幾個(gè)方面：使用雷諾圖解法時(shí)，要做切線，切線分別表示正常溫度上升和量熱系統(tǒng)溫度降低，切線擬合的結(jié)果對(duì)T的影響很大，此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果很大程度上取決于這一步數(shù)據(jù)處理。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，夾套水溫也不可能恒定，這會(huì)對(duì)T的求算造成影響。但是夾套中水很多，且為了調(diào)零水溫只比夾套水溫1K左右，所以此誤差可以忽略，這也是步驟中調(diào)整水溫的原因。萘為易揮發(fā)性物質(zhì)，壓片稱(chēng)量后應(yīng)該迅速放入氧彈中，以免因揮發(fā)而損失過(guò)多的質(zhì)量，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。氧彈內(nèi)可能存在少量空氣，空氣中N2的氧化會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。若試樣未完全燃燒，造成的影響很大，若有明顯的黑色殘?jiān)?，?shí)驗(yàn)應(yīng)重做。量取3000

21、mL水使用的2000mL量筒的稱(chēng)量誤差很大。水溫改變帶來(lái)的誤差：由于此次實(shí)驗(yàn)是測(cè)量的內(nèi)桶的水溫，且總的波動(dòng)不超過(guò)3，所以水溫的改變會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大影響。 熱量交換很難測(cè)量，溫度或溫度變化卻很容易測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定法，根據(jù)能量守恒原理，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸燃燒放出的熱量全部被氧彈及周?chē)慕橘|(zhì)等吸收，使得測(cè)量體系的溫度變化，標(biāo)定出氧彈卡計(jì)的熱容。再進(jìn)行奈的燃燒熱測(cè)量和計(jì)算。測(cè)量體系與環(huán)境之間有熱量的交換，因?yàn)槔硐氲慕^熱條件是不可能達(dá)到的。同時(shí)影響熱量的交換量大小的因素也比較多，與體系、環(huán)境的材質(zhì)有關(guān)；與體系、環(huán)境的接觸界面積大小有關(guān)；與體系、環(huán)境的溫差有關(guān)，所以要定量準(zhǔn)確地測(cè)量

22、出體系與環(huán)境交換的熱量是比較困難的。如果有凈的熱量交換的話(huà)，將會(huì)增大實(shí)驗(yàn)的測(cè)量誤差。在本實(shí)驗(yàn)中采用的是恒容方法先測(cè)量恒容燃燒熱，然后再換算得到恒壓燃燒熱。原因?yàn)椋喝绻鞘褂煤銐喝紵椒ǎ托枰幸粋€(gè)無(wú)摩擦的活塞，這是機(jī)械摩擦的理想境界，是做不到的；做燃燒熱實(shí)驗(yàn)需要盡可能達(dá)到完全燃燒，恒壓燃燒方法難于使另一反應(yīng)物“氧氣”的壓力（或濃度）達(dá)到高壓，會(huì)造成燃燒不完全，帶來(lái)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)誤差?！緦?shí)驗(yàn)評(píng)注與拓展】（1）實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵：點(diǎn)火成功、試樣完全燃燒是實(shí)驗(yàn)成敗關(guān)鍵，可以考慮以下幾項(xiàng)技術(shù)措施：試樣應(yīng)進(jìn)行磨細(xì)、烘干、干燥器恒重等前處理，潮濕樣品不易燃燒且有誤差。壓片緊實(shí)度：一般硬到表面有較細(xì)密的光潔度，棱角

23、無(wú)粗粒，使能燃燒又不至于引起爆炸性燃燒殘剩黑糊等狀。點(diǎn)火絲與電極接觸電阻要盡可能小，注意電極松動(dòng)和鐵絲碰杯短路問(wèn)題。充足氧(2MPa)并保證氧彈不漏氧，保證充分燃燒。燃燒不完全，還時(shí)常形成灰白相間如散棉絮狀。注意點(diǎn)火前才將二電極插上氧彈再按點(diǎn)火鈕，否則因儀器未設(shè)互鎖功能，極易發(fā)生（按攪拌鈕或置0時(shí)）誤點(diǎn)火，樣品先已燃燒的事故。(2) 氧彈內(nèi)預(yù)滴幾滴水，使氧彈為水汽飽和，燃燒后氣態(tài)水易凝結(jié)為液態(tài)水。試樣在氧彈中燃燒產(chǎn)生的壓力可達(dá)14MPa，長(zhǎng)期使用，可能引起彈壁的腐蝕，減少其強(qiáng)度。故氧彈應(yīng)定期進(jìn)行20MPa水壓檢查，每年一次。氧彈、量熱容器、攪拌器等，在使用完畢后，應(yīng)用干布擦去水跡，保持表面清潔

24、干燥。恒溫外套（即外筒）內(nèi)的水，應(yīng)采用軟水。長(zhǎng)期不使用時(shí)應(yīng)將水倒掉。氧彈以及氧氣通過(guò)的各個(gè)部件，各聯(lián)接部分不允許有油污，更不允許使用潤(rùn)滑油，在必須潤(rùn)滑時(shí)，可用少量的甘油。(3)儀器應(yīng)置放在不受陽(yáng)光直射的單獨(dú)一間試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行工作。室內(nèi)溫度和濕度應(yīng)盡可能變化小。最適宜的溫度是20±5。每次測(cè)定時(shí)室溫變化不得大于1。因此。室內(nèi)禁止使用各種熱源，如電爐、火爐、暖氣等。(4) 如用貝克曼溫度計(jì)，其調(diào)節(jié)可以歸納為倒立連接、設(shè)定溫度、正立震斷和校驗(yàn)四步，注意別讓水銀過(guò)多地流向彎曲貯管，導(dǎo)致因水銀重而在正立時(shí)，玻管擴(kuò)張?zhí)帓觳蛔?。也絕不允許放在電爐上烤等驟冷驟熱情況出現(xiàn)。在精密的測(cè)量中，應(yīng)進(jìn)行貝克曼溫度計(jì)的校正。改進(jìn)后的本實(shí)驗(yàn)普遍采用熱敏電阻溫度計(jì)、鉑電阻溫度計(jì)或者熱電堆等，相應(yīng)配以電橋、指示mV值，實(shí)際已轉(zhuǎn)換為溫度 (數(shù)顯溫度計(jì)) 的儀器，能自動(dòng)記錄溫度，精密度可達(dá)10-410-5K。國(guó)產(chǎn)型號(hào)為半自動(dòng)HR15A(B)數(shù)顯微機(jī)型或WHR15全自動(dòng)微機(jī)型氧彈式熱量計(jì)。進(jìn)入了全面啟用電腦處理數(shù)據(jù)的新時(shí)代。(5)苯甲酸和萘燃燒產(chǎn)物的熱容差別因?yàn)楫a(chǎn)物量小而儀器熱容的基數(shù)相對(duì)較大而可以忽略。(6)量熱方法和儀器多種多樣，可參閱復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)