燃燒熱的測定

1、燃燒熱的測定周韜摘 要：燃燒熱是重要的熱化學(xué)數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)采用恒容的方法測定物質(zhì)（以萘為樣品）的燃燒熱。實(shí)驗(yàn)利用氧彈熱量計(jì)將系統(tǒng)與外界隔離，避免與外界之間的熱傳遞，從而影響實(shí)驗(yàn)熱的測量結(jié)果。將樣品在氧氣充足的條件下完全燃燒，由Pt-1000測量溫差。并用電腦記錄實(shí)驗(yàn)中溫度變化，最后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用excel處理，得到測量物質(zhì)的燃燒熱。關(guān) 鍵 詞：恒容燃燒熱Qv，氧彈熱量計(jì)，儀器常數(shù)K，溫度變化曲線。前言燃燒熱是熱化學(xué)中的重要數(shù)據(jù)，通過測定物質(zhì)的燃燒熱可以得到一些熱力學(xué)常熟表征物質(zhì)的性質(zhì)，比較物質(zhì)之間的燃燒熱可以判斷反應(yīng)能否進(jìn)行，進(jìn)而設(shè)定需要的合理的實(shí)驗(yàn)途徑。這些，對于環(huán)境的治理、新能源的開發(fā)的領(lǐng)域有

2、著非同尋常的意義。實(shí)驗(yàn)室測定燃燒熱一般采用氧彈熱量計(jì)測定，或者對這個(gè)方法稍加改進(jìn)從而更簡單進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，或者得到更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是主要的原理都是氧彈熱量計(jì)的原理。李恩博1在“燃燒熱測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”中對燃燒熱的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，但是他們在實(shí)驗(yàn)中將點(diǎn)火絲纏繞在已知燃燒熱和質(zhì)量的火柴上，這個(gè)過程加入了火柴燃燒過程引進(jìn)的實(shí)驗(yàn)誤差。所以本實(shí)驗(yàn)用電流點(diǎn)燃，不需要使用火柴，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較準(zhǔn)確。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)上，我們數(shù)據(jù)分析記錄儀記錄溫度變化，從而可以避免溫度校正過程。1.實(shí)驗(yàn)簡述在25，100kPa時(shí)，1 mol純物質(zhì)完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物時(shí)所放出的熱量，叫做該物質(zhì)的燃燒熱。本實(shí)驗(yàn)測定有機(jī)物的恒容

3、燃燒熱，通過計(jì)算可以得到物質(zhì)的恒壓燃燒熱。相互之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下Qp=Qv+nRT式中n為反應(yīng)前后產(chǎn)物與反應(yīng)物質(zhì)中氣體的物質(zhì)的量之差。氧彈熱量計(jì)主要分為兩類：一種是恒溫型，設(shè)備簡單，外套中盛有恒溫水，只要做好熱漏校正，測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度仍然比較高；另一種是絕熱型，外筒由絕熱壁構(gòu)成，無需進(jìn)行溫差校正，測量結(jié)果精確度高且重復(fù)性好，但是儀器昂貴。本實(shí)驗(yàn)采用恒溫型氧彈熱量計(jì)測定有機(jī)物的燃燒熱。恒溫氧彈熱量計(jì)是將可燃燒性物質(zhì)在隔離體系中燃燒，從體系的溫度升高值及體系的熱容來計(jì)算燃燒熱。被測物質(zhì)在氧彈中完全燃燒所釋放的燃量使氧彈本身及周圍的介質(zhì)和熱量計(jì)有關(guān)的附件的溫度升高。根據(jù)能量守恒定律，測量體系在燃燒前

4、后溫度的變化就可以求算該物質(zhì)恒容燃燒熱Qv。左圖為氧彈熱量計(jì)的氧彈部分。因?yàn)槊颗_(tái)儀器的儀器常數(shù)并不相同，所以在測定未知物的燃燒熱之前需要用已知燃燒熱的化合物（本實(shí)驗(yàn)用已知恒容燃燒熱為-3231.1kJ.mol-1的苯甲酸）來標(biāo)定氧彈熱量計(jì)的儀器常數(shù)，再反過來用已知儀器常數(shù)的氧彈熱量計(jì)來測定未知有機(jī)物的恒容燃燒熱。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，氧彈中會(huì)充入約12倍大氣壓的純氧，但是無可避免的會(huì)殘留有空氣中含有的N2，而其在實(shí)驗(yàn)中會(huì)生成硝酸放出熱量。不過，由于N2在氧彈中含量非常少，并且形成硝酸并不容易，所以由其引起的熱量改變對實(shí)驗(yàn)中的熱量可以忽略不計(jì)。忽略N2的影響后，實(shí)驗(yàn)可以采用下式計(jì)算物質(zhì)的恒容燃燒熱：QvW

5、+ qx = Cah = Kh式中Qv為被測物質(zhì)的恒容燃燒熱，J.g-1；W為被測物質(zhì)的質(zhì)量，g；q為點(diǎn)火絲的燃燒熱；x為燒掉的點(diǎn)火絲質(zhì)量；C為熱量計(jì)包括水、水桶的總熱容，J. -1; K位儀器常數(shù)，J.mm-1; h為記錄紙上曲線的峰高，mm。實(shí)驗(yàn)中用純氧使被測物質(zhì)完全燃燒，同時(shí)為了避免被測物質(zhì)被沖散，需要將其壓片。記錄的溫度變化曲線在基線和末尾的線的水平的情況下，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正即可得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。如圖為實(shí)驗(yàn)溫度變化曲線的大致圖像。2.實(shí)驗(yàn)方法2.1主要儀器及藥品儀器：氧彈熱量計(jì)1套，Pt-1000熱敏電阻1支，點(diǎn)火器1臺(tái)，接觸調(diào)壓器1臺(tái)，sunyLA2000實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析記錄儀1臺(tái)

6、，工業(yè)天平和電子天平各1臺(tái)，氧氣鋼瓶1只，充氣裝置1臺(tái)，壓片機(jī)兩臺(tái)（苯甲酸和被測物分開使用），銅絲，萬用電表1只，1000mL、2000mL容量瓶各1只。試劑：苯甲酸（AR），萘（AR）。2.2實(shí)驗(yàn)方法 稱取大約0.8-0.9g的苯甲酸，壓片，刷去黏附的粉末后用電子天平準(zhǔn)確稱量； 裝入氧彈燃燒皿，用準(zhǔn)確稱量的銅絲作點(diǎn)火絲綁在燃燒名兩側(cè)電極上，緊貼藥品，用萬用表檢查通路后充氧，充氧之后再次檢查通路； 在盛有3000mL水的熱量計(jì)內(nèi)桶中放入氧彈，連接點(diǎn)火器電極，攪拌，測量溫度； 基線走平并且有一定長度之后點(diǎn)火，待升溫曲線升至最高并且走一段直線后停止攪拌，按STOP停止記錄，讀取原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若合理

7、則保存數(shù)據(jù)； 計(jì)算儀器常數(shù)K值； 重復(fù)以上步驟，計(jì)算K值得平均值； 換用萘作被測物，重復(fù)-，計(jì)算萘的恒容燃燒熱，平行測定兩組計(jì)算平均值。3.數(shù)據(jù)處理3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表 1 稱取樣品質(zhì)量室溫：25.3 壓力：100.88kpa樣品樣品粗質(zhì)量/g樣品精質(zhì)量/g銅絲質(zhì)量/g剩余銅絲質(zhì)量/g（含熔球）剩余銅絲質(zhì)量/g（不含熔球）苯甲酸10.820.79040.03030.01170.0104苯甲酸20.840.83830.03080.01970.0135萘10.570.52610.02900.01380.0117萘20.550.54620.02880.01550.0093圖 1 苯甲酸樣品1溫度變化

8、曲線圖 2苯甲酸樣品2溫度變化曲線圖 3 被測物萘1溫度變化曲線圖 4 被測物萘2溫度變化曲線3.2根據(jù)萘的恒容燃燒熱計(jì)算K值以縱坐標(biāo)的單位長度作為1mm計(jì)算。苯甲酸樣品1：含熔化的銅球 K1= （QvW + qx）/h = (-26460 J.g-1 * 0.7904 g -2510 J.g-1 * 0.0186 g)/（0.007-1.407）mm=14972不含熔化的銅球 K1=14974苯甲酸樣品2：含融化的銅球 K2=14846 不含熔化的銅球 K2=14856平均值K=（14972+14846）/2=14909平均值K=(14974+14856)/2=149153.3計(jì)算待測物的恒

9、容燃燒熱待測物萘樣品1：含熔化的銅球 Qv=(Kh-q1x)/W=(-14908.84094*1.409+2510*0.0152)/0.5261*128.18kJ.mol-1=-5108.8 kJ.mol-1 不含銅球 Qv=-5109.7 kJ.mol-1待測物萘2： 含銅球 Qv=-5100.3 kJ.mol-1 不含銅球 Qv=-5098.9 kJ.mol-1萘恒容燃燒熱平均值含銅球 Qv=(5108.8+5100.3)/2=-5104.6 kJ.mol-1不含銅球Qv=(5109.7+5098.9)/2=-5104.3 kJ.mol-1CRC查得萘的標(biāo)準(zhǔn)恒容燃燒熱為-5153.9 kJ

10、.mol-1因此，相對誤差為0.96%。而由于本來銅絲的質(zhì)量就非常小，銅絲燃燒之后是否保留銅球的質(zhì)量對接影響基本可以忽略，考慮到銅在氧氣中燃燒之后會(huì)生成氧化銅，而在氧彈中并沒有其它形式的銅出現(xiàn)，所以推測銅球的本質(zhì)為氧化銅。4.結(jié)語關(guān)于不確定度，從文獻(xiàn)來看，A類不確定度主要是由實(shí)驗(yàn)過程中諸如苯甲酸燃燒熱的數(shù)值、物品的稱取等方面所引起，而在本次實(shí)驗(yàn)中苯甲酸和萘都只進(jìn)行了兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算方差沒有意義，所以不確定度也就無法計(jì)算；B類不確定則主要是熱熔測量引進(jìn)的不確定度，和前面一樣，兩次實(shí)驗(yàn)計(jì)算方差沒有意義，所以，對于最后的數(shù)據(jù)并沒有進(jìn)行不確定度的計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)誤差方面，本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差主要有以下幾點(diǎn)：

11、燃燒熱計(jì)算公式的誤差，氧彈中少量N2生成硝酸是產(chǎn)生的熱量被忽略。雖然N2在空氣中的比例高達(dá)70%，但是實(shí)驗(yàn)中用氧氣將氧彈內(nèi)的空氣洗了一遍，且再次灌入的氧氣壓強(qiáng)達(dá)到12倍大氣壓，所以，氧彈中的氮含量已經(jīng)非常少，加上N2本身難以被氧化，其生成氧化物的燃燒熱亦較少，于是，此項(xiàng)造成的系統(tǒng)誤差可以忽略。未進(jìn)行雷諾校正。盡管容器已經(jīng)盡可能做到不漏熱，但是這個(gè)現(xiàn)象卻始終無法避免，因此測量值一般要求用雷諾作圖法進(jìn)行校正。不過，由于條件限制，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并未進(jìn)行校正，所以，漏熱現(xiàn)象是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的一個(gè)因素。儀器原因引起的誤差。實(shí)驗(yàn)要求樣品盡量燃燒完全，并且產(chǎn)生的熱量要全部傳給介質(zhì)，使水溫升高，但是這兩項(xiàng)都不能得到保證，所以這也是引起誤差的一個(gè)方面。本實(shí)驗(yàn)的偶然誤差則主