物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告-燃燒熱的測(cè)定-苯甲酸-萘

.PAGE9/NUMPAGES9華南師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目燃燒熱的測(cè)定[實(shí)驗(yàn)?zāi)康腯①明確燃燒熱的定義,了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的區(qū)別。②掌握量熱技術(shù)的基本原理,學(xué)會(huì)測(cè)定奈的燃燒熱。③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)。④學(xué)會(huì)雷諾圖解法校正溫度改變值。[實(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)得的燃燒熱稱為恒容燃燒熱〔Ov,恒容燃燒熱這個(gè)過程的內(nèi)能變化〔ΔU。在恒壓條件下測(cè)得的燃燒熱稱為恒壓燃燒熱〔Qp,恒壓燃燒熱等于這個(gè)過程的熱焓變化〔ΔH。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：cHm=Qp＝Qv＋ΔnRT〔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)本身及氧彈周圍介質(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,而幾乎不與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換。但是,熱量的散失仍然無法完全避免,這可以是同于環(huán)境向量熱計(jì)輻射進(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)境之間沒有熱交換,燃燒前、后的溫度分別為T1、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計(jì)算,必須經(jīng)過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-6694.4J/g,T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２-1-2。圖中H相當(dāng)于開始燃燒之點(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Ｔ點(diǎn)作橫坐標(biāo)的平行線,交FHDG線于一點(diǎn),過該點(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T。圖中AA’表示由環(huán)境輻射進(jìn)來的熱量和攪拌引進(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,AC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T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)字式貝克曼溫度計(jì)<一臺(tái)>；0～100℃溫度計(jì)<一支>；萬用電表〔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)時(shí)開關(guān)指向"1分",點(diǎn)火開關(guān)到向"振動(dòng)",開啟電源。約10min后,若溫度變化均勻,開始讀取溫度。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"開關(guān),同時(shí)將計(jì)時(shí)開關(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),記錄燃燒過程中溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。[注意事項(xiàng)]①為避免腐蝕,必須清洗氧彈②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。③每次實(shí)驗(yàn)前均應(yīng)稱量坩堝。[文獻(xiàn)值]恒壓燃燒熱kcal/molkJ/molJ/g測(cè)定條件

苯甲酸

-771.24-3226.9-26410p?,25℃

萘

-1231.8-5153.8-40205p?,25℃Cp,m〔H2Ol＝75.291J/mol?KCp,m〔CO2g＝37.11J/mol?KCp,m〔O2g＝29.36J/mol?KCp,m〔苯甲酸s＝146.8J/mol?KCp,m〔萘s＝165.7J/mol?K[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①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：8.1×10-3g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<℃>17.871810.0922610.55027.874910.1612710.55737.8751010.2202810.56447.8771110.2682910.57057.8801210.3063010.57467.8821310.3403110.57977.8851410.368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)定的數(shù)據(jù)：苯甲酸②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<℃78.1691410.274110.46188.1641510.292210.46798.1671610.311310.472108.1701710.328410.474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①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：7.9×10-3g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<℃>18.100810.3582610.84028.105910.4352710.84638.1091010.4942810.85048.1131110.5412910.85458.1151210.580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<℃>1810.747610.87918.4351910.762710.87728.8452010.774810．87539.2362110.78749.5712210.79059.9682310.807610.1192410.823710.2592510.829[實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理]①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：∴ΔCp,m＝7×Cp,m〔CO2,g＋3×Cp,m〔H2O,l－Cp,m〔苯甲酸,s－Cp,m〔O2,g＝154.6805J/mol?K∴當(dāng)室溫為26.0℃時(shí)苯甲酸的燃燒焓為：△cHm〔26.0℃＝△cHm〔25.0℃+△Cp×△T＝-3226.9＋154.6805×<26.0-25.0>×10-3＝-3225.84kJ/mol則：苯甲酸的恒容摩爾燃燒熱為：QV＝△cUm＝△cHm－RT∑BVB<g>＝-3225.84－8.314×299.15×<7－7.5>×10-3＝-3224.6kJ/mol又：nQV＝-C△T-QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線∴〔Ⅰ苯甲酸①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＝-0.02477kJ＝＝15.517kJ/℃〔Ⅱ苯甲酸②燃燒的數(shù)據(jù)處理：QV點(diǎn)火絲·m點(diǎn)火絲＝-6694.4×10-3×9×10-4＝-6.025×10-3kJ＝＝15.866kJ/℃〔Ⅲ兩次實(shí)驗(yàn)所得水當(dāng)量的平均值為：=<15.517＋15.866÷2＝15.692kJ/℃③計(jì)算萘的恒容摩爾燃燒熱QV,m根據(jù)公式：nQV＝-C△T-QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線則：〔Ⅰ萘①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＝-0.03615kJQV,m＝〔-C△T-QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線/n＝＝－5217.9kJ/mol〔Ⅱ萘②燃燒的數(shù)據(jù)處理：QV點(diǎn)火絲·m點(diǎn)火絲＝-6694.4×10-3×1.7×10-3＝-0.01138kJQV,m＝〔-C△T-QV點(diǎn)火線·m點(diǎn)火線/n＝＝－5178kJ/mol〔Ⅲ萘的恒容摩爾燃燒熱平均值為＝<－5217.9－5178>÷2＝－5197.5kJ/mol④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：∴ΔCp,m＝10×Cp,m〔CO2,g＋4×Cp,m〔H2O,l－Cp,m〔萘,s－12Cp,m〔O2,g＝154.304J/mol?K∴26.0℃時(shí)萘的燃燒焓為：△cHm〔26.0℃＝△cUm＋RT∑BVB<g>＝－5206.63＋8.314×299.15×〔－2×10-3＝－5211.604kJ/mol⑤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＝－5211.604＋154.304×<25.0－26.0>×10-3＝－5211.758kJ/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)=5153.85kJmol1的誤差為1.12%〔小于3%。可見本實(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)生誤差的原因除了儀器誤差之外,主要還有以下幾個(gè)方面：①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)ΔT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。②在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中,夾套水溫也不可能恒定,這會(huì)對(duì)ΔT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。③萘為易揮發(fā)性物質(zhì),壓片稱量后應(yīng)該迅速放入氧彈中,以免因揮發(fā)而損失過多的質(zhì)量,給實(shí)驗(yàn)帶來誤差,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。④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)。⑤若試樣未完全燃燒,造成的影響很大,若有明顯的黑色殘?jiān)?實(shí)驗(yàn)應(yīng)重做。⑥量取3000mL水使用的2000mL量筒的稱量誤差很大。⑦水溫改變帶來的誤差：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圍的介質(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,①與體系、環(huán)境的材質(zhì)有關(guān)；②與體系、環(huán)境的接觸界面積大小有關(guān)；③與體系、環(huán)境的溫差有關(guān),所以要定量準(zhǔn)確地測(cè)量出體系與環(huán)境交換的熱量是比較困難的。如果有凈的熱量交換的話,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)椋孩偃绻鞘褂煤銐喝紵椒?就需要有一個(gè)無摩擦的活塞,這是機(jī)械摩擦的理想境界,是做不到的；②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,帶來實(shí)驗(yàn)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)誤差。[實(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：=1\*GB3①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,棱角無粗粒,使能燃燒又不至于引起爆炸性燃燒殘剩黑糊等狀。=2\*GB3②點(diǎn)火絲與電極接觸電阻要盡可能小,注意電極松動(dòng)和鐵絲碰杯短路問題。=3\*GB3③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。=4\*GB3④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205℃。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