物化實(shí)驗(yàn)-燃燒熱的測定

1、物化實(shí)驗(yàn) - 燃燒熱的測定實(shí)驗(yàn) 2 燃燒熱的測定姓名：鄧暉；學(xué)號： 2010011986；班級：材 03 班；同組實(shí)驗(yàn)人員：覃兆童實(shí)驗(yàn)日期： 2012-4-14 ；提交報(bào)告日期： 2012-4-27 ；帶實(shí)驗(yàn)的助教姓名：陳雙龍1 引言（簡明的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/ 原理）1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟悉彈式量熱計(jì)的原理、構(gòu)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(guān)系。3 掌握溫差測量的實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)。4 學(xué)會用雷諾圖解法校正溫度改變值。1.2 實(shí)驗(yàn)原理在指定溫度及一定壓力下，1mol 物質(zhì)完全燃燒時(shí)的定壓反應(yīng)熱， 稱為該物質(zhì)在此溫度下的摩爾燃燒熱，記作cHm 。通常，完全燃燒是指CCO2（g），

2、H 2H 2O（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 HQp，因此 cH m 也就是該物質(zhì)燃燒反應(yīng)的等壓熱效應(yīng) Qp。在實(shí)際測量中，燃燒反應(yīng)在恒容條件下進(jìn)行（如在彈式量熱計(jì)中進(jìn)行） ，這樣直接測得的是反應(yīng)的恒容熱效應(yīng) Qv（即燃燒反應(yīng)的 cUm）。若反應(yīng)系統(tǒng)中的氣體均為理想氣體， 根據(jù)熱力學(xué)推導(dǎo)， Qp 和 Qv 的關(guān)系為QpQVnRT（ 1）式中： T反應(yīng)溫度， K ； n 反應(yīng)前后產(chǎn)物與反應(yīng)物中氣體的物質(zhì)的量之差； R摩爾氣體常數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)測得 Qv 值，根據(jù)上式就可計(jì)算出 Qp，即燃燒熱的值。測量熱效應(yīng)的儀器稱作量熱計(jì)。 量熱計(jì)的種類很多。一般測

3、量燃燒熱用彈式量熱計(jì)。 本實(shí)驗(yàn)所用量熱計(jì)和氧彈結(jié)構(gòu)如圖 2-2-1 和圖 2-2-2 所示。實(shí)驗(yàn)過程中外水套保持恒溫， 內(nèi)水桶與外水套之間以空氣隔熱。 同時(shí)，還對內(nèi)水桶的外表面進(jìn)行了電拋光。這樣，內(nèi)水桶連同其中的氧彈、測溫器件、攪拌器和水便近似構(gòu)成一個(gè)絕熱體系。彈式量熱計(jì)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(zhì)和量熱計(jì)有關(guān)附件的溫度升高。 測量介質(zhì)在燃燒前后的變化值， 就可求算該樣品的恒容燃燒熱。mQV 點(diǎn)火絲 ? m點(diǎn)火絲（2）QV K ? T QV 棉線 ? m棉線M r式中： m為待測物的質(zhì)量， kg ； Mr 為待測物的摩爾質(zhì)量， kgmol-1 ；

4、 K 儀器常數(shù)，kJ 1 ； T 樣品燃燒前后量熱計(jì)溫度的變化值； QV 棉線 ，QV 點(diǎn)火絲 分別為棉線和點(diǎn)火絲的恒容燃燒熱（ 16736 和 3243kJkg）m棉線 ，m點(diǎn)火絲分別為棉線和點(diǎn)火絲的質(zhì)量， kg。先燃燒已知燃燒熱的物質(zhì) （如苯甲酸），標(biāo)定儀器常數(shù) K，再燃燒未知物質(zhì)，便可由上式計(jì)算出未知物的恒容摩爾燃燒熱，再根據(jù)（ 1）式計(jì)算出摩爾燃燒熱。2 實(shí)驗(yàn)操作2.1 實(shí)驗(yàn)用品、儀器型號及測試裝置示意圖實(shí)驗(yàn)用品彈式量熱計(jì) 1 套； 2000ml 容量瓶 1 個(gè)； 1000ml 容量瓶 1 個(gè)；水盆 1 個(gè)（容量大于 3000ml）；電腦一臺（用于采集數(shù)據(jù)）；壓片機(jī)、鎳絲、棉線、萬用表

5、、分析天平、剪刀、氧氣瓶及減壓閥公用。萘（ AR）；苯甲酸（ AR）。儀器型號SR-1 數(shù)顯熱量計(jì)控制器；氮氧式熱量計(jì)。測試裝置示意圖（如圖 2-2-1 及圖 2-2-3）2.2實(shí)驗(yàn)條件（實(shí)驗(yàn)溫度、濕度、壓力等）室溫、常壓2.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)操作步驟1儀器常數(shù)的測定樣品準(zhǔn)備取合適長度鎳絲和棉線各一根 ,分別在分析天平上準(zhǔn)確稱量。在臺秤上稱量0.8g 左右的苯甲酸，在壓片機(jī)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。將鎳絲方法要點(diǎn)1、樣品要適量，太多太少都會造成誤差。2、棉線要綁牢樣片，否則操作過程中容易脫落。3、注意檢查氧彈內(nèi)各個(gè)穿入棉線，在

6、分析天平上準(zhǔn)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。部件及點(diǎn)火絲，不要使電極兩端短路，保證電流通過點(diǎn)火絲。確認(rèn)通路后旋緊彈蓋，通入 4、 氧彈充氣1.0MPa 氧氣，然后將氧彈放入內(nèi)水桶，接上點(diǎn)火電極。儀器準(zhǔn)備打開量熱計(jì)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 0.8-0.9 左右。準(zhǔn)確量取 3000ml，倒入內(nèi)桶。過程中，人員應(yīng)站在側(cè)面，一只手要始終抓住充氣閥，以免意外情況下彈蓋或閥門向上沖

7、出，發(fā)生危險(xiǎn)。5、在步驟2中用水盆調(diào)節(jié)水溫，水溫調(diào)好后應(yīng)迅速量取，不要放置時(shí)間過長，以免水溫變化過大。6、對棉線和鎳絲的量取不能過少也不能過多，應(yīng)當(dāng)適量燃燒測量蓋上桶蓋，將溫度傳感器插入內(nèi)桶，開動攪拌。打開計(jì)算機(jī)選擇數(shù)據(jù)采集，單擊計(jì)算機(jī)界面中開始。觀察溫度顯示，當(dāng)溫度沒有變化，走過一段平穩(wěn)的基線后 ( 分鐘左右 ) ，按下點(diǎn)火鍵，如果點(diǎn)火成功，過半分鐘左右溫度應(yīng)升高。溫度不再升高后，繼續(xù)記錄一段水平線，再將鉑電阻溫度計(jì)探頭放入外水套中，直到溫度沒有變化（溫度曲線為水平狀） ，單擊完成，并命名存盤。停止攪拌，取出氧彈，放出燃燒廢氣，打開蓋子，觀察燃燒是否完全，取出剩余鎳絲準(zhǔn)確稱量（去掉有熔融小球

8、） 。取出并擦凈氧彈，小心取下攪拌放好，將內(nèi)水套桶中的水倒入水盆中，擦凈水桶。2未知物測量取 0.6g 左右的萘，同上述操作方法。3 結(jié)果與討論3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)室電腦數(shù)據(jù)處理方法選擇并雙擊物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)， 選擇并雙擊燃燒焓測定，輸入鎳絲、棉線、剩余鎳絲、總質(zhì)量及標(biāo)準(zhǔn)只樣品和被測樣品的摩爾質(zhì)量，點(diǎn)擊打開，選擇并打開文件， 交替移動光標(biāo) 1 和 2 到點(diǎn)火前一段平穩(wěn)的基線位置，點(diǎn)擊線性擬合 1，交替移動光標(biāo) 1 和 2 到完全燃燒后溫度不變的位置 （水平線位置），點(diǎn)擊線性擬合 2，交替移動光標(biāo)移動到外套水溫曲線位置，點(diǎn)擊線性擬合 3，移動光標(biāo)，將綠色光標(biāo)放在擬和曲線與升溫曲線的交點(diǎn)上，藍(lán)色光

9、標(biāo)放在升溫曲線上的任何位置，點(diǎn)擊計(jì)算 H ；如果線性擬合交點(diǎn)不理想，點(diǎn)擊刷新，移動光標(biāo)重新擬合。確定后，點(diǎn)擊提交，峰高值就會顯示出來。兩條曲線都處理完成后，點(diǎn)擊計(jì)算處理，就可以得到被測樣品的燃燒焓值。這樣做是因?yàn)槭箖?nèi)水桶完全絕熱是很困難的，總會有內(nèi)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(diǎn)，過此點(diǎn)作垂線與曲線的兩條始末階段直線的外延線相交于兩點(diǎn)， 此二點(diǎn)之間的距離即為校正后的 h 值。實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)處理結(jié)果苯甲酸被測樣品萘鎳0.0261g鎳0.0250g絲絲棉0.0129g棉0.0092g線線制0.8755g制0.6629g片片后總重反應(yīng)后鎳絲質(zhì)量外桶溫度M

10、 1曲線峰高后總重0.0185g反0.0222g應(yīng)后鎳絲質(zhì)量21.636外21.847桶溫度122.12M 2128.17134.6237曲151.5822線峰高被測物質(zhì)燃燒焓其他數(shù)據(jù)項(xiàng)目數(shù) 值（單位）棉線燃燒內(nèi)能變-16736kJ kg 1鎳絲燃燒內(nèi)能變-3243kJ kg 1苯甲酸燃燒內(nèi)能-26487變kJ kg 1苯甲酸在 298.2KQp時(shí)的燃燒熱3226.9kJ mol 13.2 利用公式計(jì)算的數(shù)據(jù)、結(jié)果用 origin 軟件擬合如下圖圖 1 苯甲酸電勢隨時(shí)間變化圖圖 2 萘的電勢隨時(shí)間變化圖由圖 1 和圖 2 可以看出：苯 甲 酸 曲 線 峰 高 132.61mV ， 萘 曲 線

11、峰 高152.60mV。計(jì)算數(shù)據(jù)（ 1）先由苯甲酸曲線峰高計(jì)算儀器常數(shù) K ，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入公式：m QVK ?TQV 棉線 ? m棉線QV 點(diǎn)火絲 ? m點(diǎn)火絲M r知道以下數(shù)據(jù)：苯甲酸總質(zhì)量 m=0.8365g，Mr =122.12g，QP=-3226.9kJ/mol ，m 棉線 = 0.0129g，m 鎳絲（燃燒部分） =0.0076g；由公式： QpQVnRT且化學(xué)反應(yīng)式：C6 H 5COOH (固)15 O2(氣)27CO2 (氣 )3H 2O(液)QV=-3226.0-kJ/mol進(jìn)一步計(jì)算得到K=-168.43J/mv 電位差（ 2）由 K 計(jì)算萘的燃燒熱知道以下數(shù)據(jù)：m=0.6

12、287g，Mr =128.17g，m 棉線 = 0.0092g,m 鎳絲（燃燒部分） =0.0028g；得到 QV=-5206.6kJ。反應(yīng)方程式為：C10 H 8 (s) + 12 O2 (g) = 10 CO 2(g) + 4 H 2 O(l)， n2molQpQVnRT =-5211.5kJ/mol 。3.3 討論分析（ 1）萘摩爾燃燒焓的文獻(xiàn)值為 -5153.9 kJ/mol（ 298.15K，101325Pa）：采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果為-5095.4729kJ/mol ，相對偏差為 1.13%；運(yùn)用公式計(jì)算得到的結(jié)果為 -5211.5kJ/mol ，相對偏差為 1.12

13、% ?？梢娪?jì)算結(jié)果較精確。（ 2）誤差分析：本實(shí)驗(yàn)中測量步驟較多，易引起誤差；但認(rèn)為操作時(shí)誤差來源的關(guān)鍵， 如燃燒未完全，內(nèi)桶未完全絕熱， 調(diào)節(jié)水溫后因放置時(shí)間太久而又引起溫差等等。（ 3）數(shù)據(jù)擬合：此實(shí)驗(yàn)中選取線段擬合非常的關(guān)鍵，因?yàn)樵谄渌麠l件不變的情況下， 任意改變一個(gè)點(diǎn)的位置， 所得的直線差別很大， 最后所算的的燃燒熱差別則將進(jìn)一步擴(kuò)大， 所以選取適當(dāng)?shù)木€段擬合非常關(guān)鍵。（ 4）點(diǎn)火常出現(xiàn)問題，若點(diǎn)火未成功，一般有以下幾個(gè)原因：深入彈體內(nèi)部的電極和氧彈壁接觸短路；連接燃燒絲的電爐斷了，應(yīng)用萬用表檢查；彈內(nèi)氧氣不足，應(yīng)取出氧彈檢查；樣品脫落，未燃燒成功。（5）實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵首先是水溫的調(diào)節(jié)

14、， 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(shí)候應(yīng)該使水的溫度低于外水套溫度約0.6-0.7 左右，溫度調(diào)節(jié)的比較準(zhǔn)確是這次實(shí)驗(yàn)比較成功的主要原因。另一個(gè)重要因素是棉線的選取。棉線的引入是造成誤差的重要因素， 因此應(yīng)該選取少量棉線，以滿足固定藥片的要求即可，質(zhì)量過大的棉線和鎳絲則在反應(yīng)中不能被忽略， 也會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中還忽略了溫度對恒溫?zé)崛莸挠绊?。?yīng)該說這些是實(shí)驗(yàn)本身的系統(tǒng)誤差，但在實(shí)驗(yàn)過程中必須盡可能減少誤差。這次測定燃燒焓誤差允許在 10%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是比較令人滿意的。4 結(jié)論（ 1）通過用已知物質(zhì)苯甲酸測量，對儀器常數(shù)進(jìn)行

15、標(biāo)定，測得待測物質(zhì)萘的燃燒焓為-5211.5kJ/mol 。（ 2）通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，特別對雷諾圖解法有了更進(jìn)一步的了解，對數(shù)據(jù)的處理有了更好的掌握等。5 參考文獻(xiàn)1 北京大學(xué)化學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)北京：北京大學(xué)出版社， 20024445.2 清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫組 . 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) . 北京：清華大學(xué)出版社，1991:26-37.3 復(fù)旦大學(xué)等 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn) 北京：高等教育出版社， 19924347.6 附錄6.1 思考題1. 本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行熱交換？這些熱交換對結(jié)果影響怎樣？如何校正？答：本實(shí)驗(yàn)的研究系統(tǒng)是量熱器內(nèi)筒， 環(huán)境為內(nèi)筒之外的空間。系統(tǒng)可選為內(nèi)水桶本身及其內(nèi)部裝的水、 氧彈式量熱器以及其中的全部藥品設(shè)備、外加內(nèi)水桶配套的攪拌器等設(shè)備；環(huán)境則是外水槽及其內(nèi)部裝的水。 通過熱輻射、熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，損失一部分熱量，可能引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏低。 我們是通過雷諾圖解法校正的。2. 使用氧氣應(yīng)注意那些問題？答：避免明火 , 充氣時(shí)應(yīng)將