燃燒熱-物化實驗報告

./燃燒熱的測定：憨家豪學號：2012012026班級：材23同組人：曉慧實驗日期：20XX4月19日提交報告日期：20XX4月20日實驗老師：郭勛1引言實驗目的〔1熟悉彈式量熱計的原理、構造及使用方法；〔2明確恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別及相互關系；〔3掌握溫差測量的實驗原理和技術；〔4學會用雷諾圖解法校正溫度改變值；實驗原理在指定溫度及一定壓力下,1mol物質完全燃燒時的定壓反應熱,稱為該物質在此溫度下的摩爾燃燒熱,記作△cHm。通常,完全燃燒是指C→CO2〔g,H2→H2O〔l,S→SO2〔g,而N、鹵素、銀等元素變?yōu)橛坞x狀態(tài)。由于在上述條件下△H＝Qp,因此△cHm也就是該物質燃燒反應的等壓熱效應Qp。在實際測量中,燃燒反應在恒容條件下進行〔如在彈式量熱計中進行,這樣直接測得的是反應的恒容熱效應Qv〔即燃燒反應的△cUm。若反應系統(tǒng)中的氣體均為理想氣體,根據(jù)熱力學推導,Qp和Qv的關系為〔1式中：T——反應溫度,K；——反應前后產(chǎn)物與反應物中氣體的物質的量之差；R——摩爾氣體常數(shù)。通過實驗測得值,根據(jù)上式就可計算出,即燃燒熱的值。測量熱效應的儀器稱作量熱計。量熱計的種類很多。一般測量燃燒熱用彈式量熱計。本實驗所用量熱計和氧彈結構如圖2-2-1和圖2-2-2所示。實驗過程中外水套保持恒溫,水桶與外水套之間以空氣隔熱。同時,還對水桶的外表面進行了電拋光。這樣,水桶連同其中的氧彈、測溫器件、攪拌器和水便近似構成一個絕熱體系。彈式量熱計的基本原理是能量守恒定律。樣品完全燃燒所釋放的能量使得氧彈本身及周圍的介質和量熱計有關附件的溫度升高。測量介質在燃燒前后的變化值,就可求算該樣品的恒容燃燒熱?！?式中:m——為待測物的質量,kg；——為待測物的摩爾質量,kg·mol-1；——儀器常數(shù),kJ·℃－1；——樣品燃燒前后量熱計溫度的變化值；,——分別為棉線和點火絲的恒容燃燒熱〔－16736和－3243kJ/mol——分別為棉線和點火絲的質量,kg；先燃燒已知燃燒熱的物質〔如苯甲酸,標定儀器常數(shù)K,再燃燒未知物質,便可由上式計算出未知物的恒容摩爾燃燒熱,再根據(jù)〔1式計算出摩爾燃燒熱。2實驗操作2.1實驗藥品、儀器型號及測試裝置示意圖實驗藥品：萘〔AR；苯甲酸〔AR。實驗儀器:彈式量熱計1套；2000ml容量瓶1個；1000ml容量瓶1個；水盆1個〔容量大于3000ml；電腦及數(shù)據(jù)記錄儀一套；壓片機、鎳絲、棉線、萬用表、分析天平、剪刀、氧氣瓶及減壓閥公用。測試裝置示意圖見上。2.2實驗條件〔實驗溫度、濕度、壓力等 大氣壓100.6kPa,室溫18.2℃,相對濕度44%。2.3實驗操作步驟、現(xiàn)象及方法要點1．儀器常數(shù)的測定〔1樣品準備取8cm鎳絲和10cm棉線各一根,分別在分析天平上準確稱量。在臺秤上稱量0.8g左右的苯甲酸,在壓片機上壓成片狀,取出藥片并輕輕去掉粘附在藥片上的粉末,用稱好的棉線捆綁在藥片上,固定好。將鎳絲穿入棉線,在分析天平上準確稱量。將苯甲酸片上的鎳絲固定在氧彈的兩根電極上,如圖2-2-3,用萬用表檢查是否通路。確認通路后旋緊彈蓋,通入1.0MPa氧氣,然后將氧彈放入水桶,接上點火電極?！?儀器準備打開量熱計電源,開動攪拌,將溫度傳感器置于外水套中,觀察溫度顯示。待溫度穩(wěn)定后,記下溫度。用水盆接取自來水〔大于3000ml,將溫度傳感器放入水盆中,不斷攪動,通過加入涼水或熱水調(diào)節(jié)水溫,使溫度低于外水套0.7℃左右。準確量取3000ml,倒入桶?！?燃燒測量蓋上桶蓋,將溫度傳感器插入桶,開動攪拌。待溫度穩(wěn)定后,打開電腦記錄軟件,記錄體系溫度隨時間的變化情況〔軟件記錄的是電壓隨時間的變化關系,以下不再區(qū)分。開始階段〔打開軟件到點火,相當于圖2-2-4中的AB部分,；6～8分鐘后,按下點火開關,半分鐘溫度應迅速上升〔若溫度不能短時間迅速升高,應停止實驗,檢查氧彈和儀器找出原因后再繼續(xù)實驗,進入反應階段,相當于圖2-2-4中的BC部分。直到溫度上升速度明顯減慢,進入末期,相當于圖2-2-4中的CD部分。8～10分鐘后,取出溫度傳感器,放入外水套中,讀出外套水溫,即圖2-2-4中E點。切斷電源,取出氧彈,放出氧彈中的氣體。打開氧彈,檢查樣品是否完全燃燒。若燃燒完全,將剩余鎳絲取下稱重〔注意：稱量剩余鎳絲時,應去除鎳絲頂端熔融的小球。當氧彈打開后,如發(fā)現(xiàn)氧彈中有較多的黑色物質,則此次實驗燃燒不完全,應重新測量。燃燒不完全最主要的愿因就是氧氣的量不足〔氧彈漏氣、充氧不足、操作失誤未能沖入氧氣等,此外樣品量過大,藥片松散部分脫落也可造成燃燒不完全。將桶的水倒入水盆用于下次的測量,將氧彈洗凈擦干。2．未知物測量取0.6g左右的萘,同上述操作方法。結果與討論3.1實驗原始數(shù)據(jù)表1原始數(shù)據(jù)記錄實驗組數(shù)10.02570.00990.81390.0170122.12125.495620.02020.01170.60150.0185128.17139.1136注：組號為1的物質為苯甲酸,組號為2的物質為待測的萘,下同。3.2實驗數(shù)據(jù)處理選擇并雙擊物理化學實驗,選擇并雙擊燃燒熱測定,輸入鎳絲、棉線、剩余鎳絲、總質量及標準只樣品和被測樣品的摩爾質量,點擊打開,選擇并打開文件,交替移動光標1和2到點火前一段平穩(wěn)的基線位置,點擊線性擬合1,交替移動光標1和2到完全燃燒后溫度不變的位置〔水平線位置,點擊線性擬合2,交替移動光標移動到外套水溫曲線位置,點擊線性擬合3,移動光標,將綠色光標放在擬和曲線３與升溫曲線的交點上,藍色光標放在升溫曲線上的任何位置,點擊計算△H；如果線性擬合交點不理想,點擊刷新,移動光標重新擬合。確定后,點擊提交,峰高值就會顯示出來。兩條曲線都處理完成后,點擊計算處理,就可以得到被測樣品的燃燒熱值。這樣做是因為使水桶完全絕熱是很困難的,總會有外水套之間的熱交換。為了校正這部分熱損失,需在升溫曲線上找出與外水套溫度相等的點,過此點作垂線與曲線的兩條始末階段直線的外延線相交于兩點,此二點之間的距離即為校正后的△H值。苯甲酸和萘的電壓〔溫度—時間曲線圖3-2-1苯甲酸電壓〔溫度—時間曲線圖3-2-2萘溫度〔時間—電壓曲線軟件計算得到的萘的燃燒熱為△H=5076.4824kJ/mol。3.3討論分析：1、首先是水溫的調(diào)節(jié),要使水的溫度低于外水套溫度約0.6℃左右,但水加入儀器中之后會有一定地升高,因而在調(diào)節(jié)水溫的時候應該使水的溫度低于外水套溫度約0.8℃左右。我們在第一次測量時水溫沒有控制好,調(diào)水溫時溫差只取了0.5℃,水倒入桶后,外筒溫差只有0.1℃,無法繼續(xù)實驗。重新配時溫差擴大為約0.8℃,后續(xù)試驗可以順利進行。2、點火是實驗的一個關鍵步驟,我們兩次點火都成功了?？偨Y點火不成功的可能原因如下：〔1深入彈體部的電極和氧彈壁接觸短路；〔2連接燃燒絲的電爐斷了,應用萬用表檢查；〔3彈氧氣不足,應取出氧彈檢查。3、彈氧氣不足還會造成燃燒不充分,燃燒后打開氧彈會發(fā)現(xiàn)大量黑色物質,遇到此情況需重新做。本次實驗燃燒完全,說明充氣操作比較規(guī)。4、本次實驗燃燒焓誤差約為1.5%,相較最大允許誤差是比較小的,實驗結果還是比較令人滿意。分析誤差產(chǎn)生的原因如下：〔1反應溫度〔外水套溫度一直處于變化之中,無法精確測量,故計算的摩爾燃燒熱的實際值與文獻值略有差異；〔2燃燒熱的定義中要求燃燒前后溫度不變,實驗中卻是需要利用水桶水溫的升高來進行曲線峰值的計算,屬于非等溫反應系統(tǒng)。在計算方法上進行了簡化,認為溫度近似不變；〔3盡管水桶與外水套之間以空氣隔熱但系統(tǒng)并不能做到嚴格絕熱,熱交換是存在的,具體表現(xiàn)為外水套的溫度點火后會升高。為了減小熱交換的影響,水桶點火前水溫應調(diào)節(jié)成比外水套溫度低0.7℃左右〔這樣測量過程中的吸熱量會近似等于放熱量。但是由于在同水倒入的過程中溫度會發(fā)生變化,故溫差會減少,導致測量不準；〔4操作不嚴格,例如在制作藥片時應帶手套,徒手操作對樣品的質量測量會帶來誤差；〔5氧彈中除了氧氣外還有一部分空氣,空氣中的氮氣也會燃燒放熱,但在本實驗中并未校正。4結論通過這個實驗,熟悉了彈式量熱計的原理、構造及使用方法；明確恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別及相互關系。同時,掌握溫差測量的實驗原理和技術。實驗結果：萘的燃燒熱：△H=5076.4824kJ/mol,標準數(shù)據(jù)〔1atm,25℃為△H=5153.8kJ/mol,相對誤差：1.5%。5參考文獻1.大學化學院物理化學實驗教學組．物理化學實驗．：大學,2002．44～45。2.清華大學化學系物理化學實驗編寫組．物理化學實驗．：清華大學,1991．26～37。3.復旦大學等．物理化學實驗．：高等教育,1992．43～47。6附錄〔思考題1. 本實驗中如何考慮系統(tǒng)與環(huán)境？系統(tǒng)與環(huán)境通過哪些途徑進行熱交換？這些熱交換對結果影響怎樣？如何校正？答：水桶以為系統(tǒng),具體包括氧彈、測溫器件、攪拌器和水,近似為絕熱系統(tǒng)。水桶以外的外水桶和水為環(huán)境。系統(tǒng)和環(huán)境主要通過外水桶之間的空氣對流進行熱交換。這些熱交換使得環(huán)境吸收系統(tǒng)的熱量,系統(tǒng)升溫變慢,可能引起實驗結果偏低。可以通過雷諾法校正。2.使用氧氣時應注意哪些問題？答：〔1盡可能遠離熱源；〔2在使用室特別注意在手上,工具上,鋼瓶和周圍不能占有油脂。扳子上的油可用酒精洗去,待干后再使用,以防爆炸和燃燒；〔3氧氣瓶應與應氧氣表一齊使用,不能隨便用在其他鋼瓶上；〔4開閥門及調(diào)壓時,人不要站在鋼瓶出氣口,頭不要在瓶頭之上,而應在側面；〔5開氣瓶總閥之前,必須檢查氧氣表調(diào)節(jié)閥門是否處于關閉。不要在調(diào)節(jié)閥開放狀態(tài),突然打開氣瓶總閥。3. 攪拌過快或過慢有何影響？答：攪拌過快會生成一部分另外的非反應生成的熱,使得結果偏高。過慢又不利于反應熱擴散,體系溫度不均。4. 氧彈中含有氮氣,燃燒后生成HNO3。對結果有何影響？如何校正？答：在氧彈