恒溫氧彈量熱計(jì)對(duì)萘的燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

恒溫氧彈量熱計(jì)對(duì)萘的燃燒熱測(cè)定PB09206XXX化學(xué)物理系摘要：實(shí)驗(yàn)用氧彈量熱計(jì)測(cè)定萘的恒容燃燒熱，并計(jì)算萘的恒壓燃燒熱。先用苯甲酸標(biāo)定量熱計(jì)的熱容，通過(guò)雷諾校正圖的方法校正過(guò)程的溫度變化，以獲得同絕熱系統(tǒng)相近的測(cè)量效果，然后用相同的方法進(jìn)行萘的燃燒測(cè)定。得出萘的燃燒熱的值。Abstract：Inthisexperiment,wemeasuredthecombustionheatofAlbocarbonataconstantvolumebyusingOxygen-bombcalorimeterandthencalculatedthecombustionheatataconstantpressure.WeusetheBenzoicacidthestandardsubstanceattheprocessoftheexperiencefirstly,thenwecancalculatedtheheatcapacityofthewholeinstrument.ThroughthesameprocessofRenaultcorrectfigurewecanmeasurethetemperaturevariancetosimulateaperfectinsulator-systemintheactualsystem.Afterthat,wegotthealbocarbon’scombustionheatataconstantvolume.關(guān)鍵詞：氧彈量熱計(jì)，雷諾校正法，苯甲酸標(biāo)定，萘，燃燒熱實(shí)驗(yàn)局部：實(shí)驗(yàn)前言與原理：燃燒熱的定義是：一摩爾的物質(zhì)完全燃燒時(shí)所放出的熱量。所謂完全燃燒，即組成反響物的各元素,在經(jīng)過(guò)燃燒反響后，必須呈顯本元素的最高化合價(jià)。如C經(jīng)燃燒反響后，變成CO,不能認(rèn)為是完全燃燒。只有在變成CO2時(shí),方可認(rèn)為是完全燃燒。同時(shí)還必須指出，反響物和生成物在指定的溫度下都屬于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。如苯甲酸在時(shí)的燃燒反響過(guò)程為：C6H5COOH(固)+O2(氣)=7CO2(氣)+3H2O(液)由熱力學(xué)第一定律，恒容過(guò)程的熱效應(yīng)QV，即U。恒壓過(guò)程的熱效應(yīng)QP，即H。它們之間的相互關(guān)系如下：QP=QV+n(RT)4……(1)或H=U+n(RT)4……(2)其中n為反前后氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量之差。R為氣體常數(shù)。T為反響的絕對(duì)溫度。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定萘完全燃燒時(shí)的恒容燃燒熱，然后再計(jì)算出萘的恒壓燃燒H。在計(jì)算萘的恒壓燃燒熱時(shí)，應(yīng)注意其數(shù)值的大小與實(shí)驗(yàn)的溫度有關(guān)，其關(guān)系式為：4……(3)式中的rCP是反響前后的恒壓熱容之差,它是溫度的函數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，反響的熱效應(yīng)隨溫度的變化不是很大，在較小的溫度范圍內(nèi),我們可以認(rèn)為它是一常數(shù)。熱是一個(gè)很難測(cè)定的物理量，熱量的傳遞往往表現(xiàn)為溫度的改變。而溫度卻很容易測(cè)量。如果有一種儀器，它每升高一度所需的熱量，那么，我們就可在這種儀器中進(jìn)行燃燒反響，只要觀察到所升高的溫度就可知燃燒放出的熱量。根據(jù)這一熱量我們便可求出物質(zhì)的燃燒熱。在實(shí)驗(yàn)中我們所用的恒溫氧彈量熱計(jì)(恒溫氧彈卡計(jì))就是這樣一種儀器。為了測(cè)得恒容燃燒熱，我們將反響置于一個(gè)恒容的氧彈中，為了燃燒完全，在氧彈內(nèi)充入20個(gè)左右大氣壓的純氧。這一裝置的構(gòu)造將在下面做詳細(xì)介紹。為了確定量熱卡計(jì)每升高一度所需要的熱量，也就是量熱計(jì)的熱容，可用通電加熱法或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法。本實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法來(lái)測(cè)量量熱卡計(jì)的熱容即確定儀器的水當(dāng)量。這里所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為苯甲酸，其恒容燃燒時(shí)放出的熱量為26460J·g-1。實(shí)驗(yàn)中將苯甲酸壓片準(zhǔn)確稱量并扣除Cu-Ni合金絲的質(zhì)量后與該數(shù)值的乘積即為所用苯甲酸完全燃燒放出的熱量。Cu-Ni合金絲燃燒時(shí)放出的熱量及實(shí)驗(yàn)所用O2氣中帶有的N2氣燃燒生成氮氧化物溶于水，所放出的熱量的總和一并傳給卡計(jì)使其溫度升高。根據(jù)能量守恒原理，物質(zhì)燃燒放出的熱量全部被氧彈及周圍的介質(zhì)(本實(shí)驗(yàn)為3000毫升水)等所吸收，得到溫度的變化為T，所以氧彈卡計(jì)的熱容為：C卡4……(4)式中：m為苯甲酸的質(zhì)量(準(zhǔn)確到110-5克)l為燃燒掉的Cu-Ni合金絲的長(zhǎng)度(cm)為每厘米Cu-Ni合金絲燃燒放出的熱量單位〔J·cm-1〕V為滴定燃燒后氧彈內(nèi)的洗滌液所用的·dm-3的NaOH溶液的體積為消耗1mL0.1mol·dm-3的NaOH所相當(dāng)?shù)臒崃?單位為J)。由于此項(xiàng)結(jié)果對(duì)QV的影響甚微，所以常省去不做。確定了儀器(含3000mL水)熱容，我們便可根據(jù)公式4-(4)求出欲測(cè)物質(zhì)的恒容燃燒熱QV，即：QV(待測(cè))=(C卡Tl)/m(待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量)×M4……(5)

然后根據(jù)公式4-(1)求得該物質(zhì)的恒壓燃燒熱QP，即H。實(shí)驗(yàn)處理方法用雷諾作圖法校正T：盡管在儀器上進(jìn)行了各種改良，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍不可防止環(huán)境與體系間的熱量傳遞。這種傳遞使得我們不能準(zhǔn)確地由溫差測(cè)定儀上讀出由于燃燒反響所引起的溫升ΔT。而用雷諾作圖法進(jìn)行溫度校正，能較好地解決這一問(wèn)題。將燃燒前后所觀察到的水溫對(duì)時(shí)間作圖，可聯(lián)成FHIDG折線，如圖4-1和圖4-2所示。圖4－1中H相當(dāng)于開始燃燒之點(diǎn)。D為觀察到的最高溫度。在溫度為室溫處作平行于時(shí)間軸的JI線。它交折線FHIDG于I點(diǎn)。過(guò)I點(diǎn)作垂直于時(shí)間軸的ab線。然后將FH線外延交ab線于A點(diǎn)。將GD線外延,交ab線于C點(diǎn)。那么AC兩點(diǎn)間的距離即為T。圖中AA′為開始燃燒到溫度升至室溫這一段時(shí)間t1內(nèi)，由環(huán)境輻射進(jìn)來(lái)以及攪拌所引進(jìn)的能量而造成量熱計(jì)的溫度升高。它應(yīng)予以扣除之。CC′為溫度由室溫升高到最高點(diǎn)D這一段時(shí)間t2內(nèi)，量熱計(jì)向環(huán)境輻射而造本錢身溫度的降低。它應(yīng)予以補(bǔ)償之。因此AC可較客觀的反響出由于燃燒反響所引起量熱計(jì)的溫升。在某些情況下，量熱計(jì)的絕熱性能良好，熱漏很小，而攪拌器的功率較大，不斷引進(jìn)能量使得曲線不出現(xiàn)極高溫度點(diǎn)，如圖4-2，校正方法相似。

圖4-1絕熱較差時(shí)的雷諾校正圖圖4-2絕熱良好時(shí)的雷諾校正圖必須注意，應(yīng)用這種作圖法進(jìn)行校正時(shí)，卡計(jì)的溫度與外界環(huán)境的溫度不宜相差太大(最好不超過(guò)2-3℃)，否那么會(huì)引入大的誤差。儀器與試劑：氧彈量熱計(jì)1套，壓片機(jī)1臺(tái)，溫差測(cè)定儀1臺(tái)，調(diào)壓變壓器2個(gè)，撥動(dòng)開關(guān)1只，氧氣鋼瓶(需大于80Kg壓力)氧氣減壓器1個(gè)，萬(wàn)用表1個(gè)充氧導(dǎo)管1個(gè)，Cu-Ni合金絲假設(shè)干扳手1把，容量瓶(1000mL1只，2000mL1只)、苯甲酸(分析純)萘(分析純)實(shí)驗(yàn)步驟：2、量熱計(jì)水當(dāng)量的測(cè)定(求C卡)(1)樣品壓片：壓片前先檢查壓片用鋼模是否干凈，否那么應(yīng)進(jìn)行清洗并使其枯燥，用臺(tái)秤稱苯甲酸，并用直尺準(zhǔn)確量取長(zhǎng)度為20cm左右的細(xì)Cu-Ni合金絲一根，準(zhǔn)確稱量并把其雙折后在中間位置打環(huán)，置于壓片機(jī)的底板壓模上，裝入壓片機(jī)內(nèi)，倒入預(yù)先粗稱的苯甲酸樣品，使樣品粉末將合金絲環(huán)浸埋，用壓片機(jī)螺桿徐徐旋緊，稍用力使樣品壓牢(注意用力均勻適中，壓力太大易使合金絲壓斷，壓力太小樣品疏松，不易燃燒完全)，抽去模底的托板后，繼續(xù)向下壓，用干凈濾紙接住樣品，彈去周圍的粉末，將樣品置于稱量瓶中，在分析天平上用減量法準(zhǔn)確稱量后供燃燒使用。裝置氧彈：擰開氧彈蓋，將氧彈內(nèi)壁擦干凈，特別是電極下端的不銹鋼接線柱更應(yīng)擦干凈。在氧彈中加1毫升蒸餾水。將樣品片上的合金絲小心地綁牢于氧彈中兩根電極8與10上(見圖4-4氧彈剖面圖)。旋緊氧彈蓋，用萬(wàn)用電表檢查兩電極是否通路。假設(shè)通路，那么旋緊出氣口5后即可充氧氣。按圖4-5所示，連接氧氣鋼瓶和氧氣表，并圖4-5氧彈充氣示意圖將氧氣表頭的導(dǎo)管與氧彈的進(jìn)氣管接通，此時(shí)減壓閥門2應(yīng)逆時(shí)針旋松(即關(guān)緊)，翻開氧氣鋼瓶上端氧氣出口閥門1〔總閥〕觀察表一的指示是否符合要求〔至少在4MPa〕，然后緩緩旋緊減壓閥門2(即漸漸翻開)，使表2指針指在表壓2MPa，氧氣充入氧彈中。1-2min后旋松(即關(guān)閉)減壓閥門2，關(guān)閉閥門1，再松開導(dǎo)氣管，氧彈已充入約2MPa的氧氣，可供燃燒之用。但是閥門2至閥門1之間尚有余氣，因此要旋緊減壓閥門2以放掉余氣，再旋松閥門2，使鋼瓶和氧氣表頭復(fù)原。(氧氣減壓器的使用見附錄,必須認(rèn)真學(xué)習(xí))3、燃燒和測(cè)量溫差：按圖將氧彈卡計(jì)及內(nèi)筒，攪拌器裝配好。用1/10的水銀溫度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量量熱計(jì)恒溫水套A〔外套〕的實(shí)際溫度。翻開溫差測(cè)定儀，讓其預(yù)熱，并將測(cè)溫探頭插入外套測(cè)溫口中。在水盆中放入自來(lái)水〔約4000mL〕，用1/10的水銀溫度計(jì)測(cè)量水盆里的自來(lái)水溫度，用加冰或加熱水的方法調(diào)節(jié)水溫低于外套溫度－℃。把充好氧氣的氧彈放入已事先擦洗干凈的內(nèi)筒C中。用容量瓶準(zhǔn)確量取3000ml已調(diào)好溫度的水，置于內(nèi)筒C中。檢查點(diǎn)火開關(guān)是否置于“關(guān)”的位置，插上點(diǎn)火電極，蓋上絕熱膠木板。開啟攪拌馬達(dá)，調(diào)節(jié)溫差測(cè)定儀設(shè)定旋紐，使溫差測(cè)定儀上指示為，此時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為外套溫度。迅速把測(cè)溫探頭置于內(nèi)筒C上端的測(cè)溫口中，觀察溫差測(cè)定儀的讀數(shù)，一般應(yīng)在之間〔太低或太高都要重新調(diào)節(jié)水溫，以保證外套水溫在燃燒升溫曲線的中間位置〕。報(bào)時(shí)器每半分鐘響一次，響時(shí)即記錄溫差測(cè)定儀上溫度的讀數(shù)，至少讀5-10min。插好點(diǎn)火電源，將點(diǎn)火開關(guān)置于“開”的位置并立即撥回“關(guān)”的位置。在幾十秒內(nèi)溫差測(cè)定儀的讀數(shù)驟然升高，繼續(xù)讀取讀數(shù)，直至讀數(shù)平穩(wěn)〔約25個(gè)數(shù)，每半分鐘一次。如果在1-2分鐘內(nèi)，溫差測(cè)定儀的讀數(shù)沒有太大的變化，表示樣品沒有燃燒，這時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查，請(qǐng)教老師后再進(jìn)行處理〕。停止記錄，拔掉點(diǎn)火電源。取出氧彈，翻開放氣閥，排出廢氣，旋開氧彈蓋，觀察燃燒是否完全，如有黑色殘?jiān)?，那么證明燃燒不完全,實(shí)驗(yàn)需重新進(jìn)行。如燃燒完全，量取剩余的鐵絲長(zhǎng)度，根據(jù)公式4-(4)計(jì)算C卡的值。如需精確測(cè)量，還需在裝置氧彈時(shí)加1mL蒸餾水于氧彈內(nèi)，燃燒后將彈體用蒸餾水清洗，用0.1mol·dm-3NaOH滴定之。4、萘恒容燃燒熱的測(cè)定：稱取克的萘，按上述操作步驟，壓片、稱重、燃燒等實(shí)驗(yàn)操作重復(fù)一次。測(cè)量萘的恒容燃燒熱QV，并根據(jù)公式4-(1)計(jì)算QP，即為H，并與手冊(cè)作比擬,計(jì)算實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差。七、實(shí)驗(yàn)考前須知：壓片時(shí)應(yīng)將Cu-Ni合金絲壓入片內(nèi)。氧彈充完氧后一定要檢查確信其不漏氣，并用萬(wàn)用表檢查兩極間是否通路。將氧彈放入量熱儀前，一定要先檢查點(diǎn)火控制鍵是否位于“關(guān)”的位置。點(diǎn)火結(jié)束后，應(yīng)立即將其關(guān)上。氧彈充氧的操作過(guò)程中，人應(yīng)站在側(cè)面，以免意外情況下彈蓋或閥門向上沖出，發(fā)生危險(xiǎn)。3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果氧彈卡計(jì)的熱容為：14377.2J/g萘的恒容摩爾燃燒熱=-；萘的恒壓摩爾燃燒熱=-J/mol。3.2結(jié)果分析1〕與文獻(xiàn)值比對(duì)查找相關(guān)文獻(xiàn)得知萘的恒壓燃燒熱為-。絕對(duì)誤差：=-56kJ/mol相對(duì)誤差：56/5153.9=1.09%2〕誤差分析本實(shí)驗(yàn)實(shí)際為非絕熱體系，我們只是盡量讓熱散失與熱吸收的量相等。但實(shí)際操作中，由于燃燒物質(zhì)量因素，造成了燃燒升溫缺乏或略高，使得體系有了一定的凈吸熱或放熱。最終燃燒后的體系溫度比理想絕熱條件下的溫度高或低，從而影響了最后的結(jié)果。盡管雷諾圖進(jìn)行了溫差的修正，但仍然無(wú)法完全使測(cè)量情況與絕熱環(huán)境一致，且繪圖本身也存在著誤差。燃燒升溫測(cè)量過(guò)程中，難免測(cè)量的3000ml水與體系外有熱交換，導(dǎo)致了溫度測(cè)量的不準(zhǔn)確。在調(diào)節(jié)3000ml水溫度時(shí)，需要大量使用移液管，導(dǎo)致水有濺出，壓片稱量后在安裝固定過(guò)程中難免有少量顆粒脫落，這些因素都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)感想與心得體會(huì)首先就調(diào)節(jié)水溫而言，1.一開始低于絕對(duì)溫度1度左右將水轉(zhuǎn)移進(jìn)入桶中，實(shí)際發(fā)現(xiàn)這樣操作并不是十分理想。由于實(shí)驗(yàn)開始的溫度是-0.8度點(diǎn)火溫度為-0.75左右。2.由于參加水之前可能由于水未攪拌均勻，在翻開攪拌器后水溫往往會(huì)有正負(fù)0.5度左右的波動(dòng)。于是就需要通過(guò)移液管來(lái)調(diào)節(jié)溫度。這一步驟是實(shí)驗(yàn)中最浪費(fèi)時(shí)間的，而且屢次的移液往往會(huì)帶來(lái)誤差。因此我在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最好多配些滿足條件的水〔即溫度為-1度左右的水先將容量瓶和氧彈裝置的水槽洗下，減少溫度差，再移液，從而減少調(diào)溫的時(shí)間另一方面點(diǎn)火問(wèn)題上一定要在實(shí)驗(yàn)前測(cè)量回路保證通路，否那么會(huì)點(diǎn)火失敗。我在第二