物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告：燃燒熱的測定-苯甲酸-萘

PAGEPAGE4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)目燃燒熱的測定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹竣倜鞔_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)會測定奈的燃燒熱。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)會雷諾圖解法校正溫度改變值?！緦?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：DcHm=Qp＝Qv＋ΔnRT

（1）

本實(shí)驗(yàn)采用氧彈式量熱計(jì)測量蔗糖的燃燒熱。測量的基本原理是將一定量待測物質(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，DT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所對應(yīng)的溫度T1，D所對應(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DT。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DT仍可以按同法校正之。59.6382310.523910.60869.8342410.5321010.60679.9832510.542第二組測定的數(shù)據(jù)：苯甲酸②點(diǎn)火絲：0.0120g苯甲酸+點(diǎn)火絲（精測）：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第三組測定的數(shù)據(jù)：萘①點(diǎn)火絲：0.0140g萘+點(diǎn)火絲（精測）：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，這會對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)瑢?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)是測量的內(nèi)桶的水溫，且總的波動不超過3℃，所以水溫的改變會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大影響。

熱量交換很難測量，溫度或溫度變化卻很容易測量。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)行奈的燃燒熱測量和計(jì)算。測量體系與環(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，將會增大實(shí)驗(yàn)的測量誤差。在本實(shí)驗(yàn)中采用的是恒容方法先測量恒容燃燒熱，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ǎ托枰幸粋€(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，會造成燃燒不完全，帶來實(shí)驗(yàn)測定的實(shí)驗(yàn)誤差?！緦?shí)驗(yàn)評注與拓展】（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，更不允許使用潤滑油，在必須潤滑時(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　Ｒ步^不允許放在電爐上烤等驟冷驟熱情況出現(xiàn)。在精密的測量中，應(yīng)進(jìn)行貝克曼溫度計(jì)的校正。改進(jìn)后的本實(shí)驗(yàn)普遍采用熱敏電阻溫度計(jì)、鉑電阻溫度計(jì)或者熱電堆等，相應(yīng)配以電橋、指示mV值，實(shí)際已轉(zhuǎn)換為溫度(數(shù)顯溫度計(jì))的儀器，能自動記錄溫度，精密度可達(dá)104~105K。國產(chǎn)型號為半自動HR—15A(B)數(shù)顯微機(jī)型或WHR—15全自動微機(jī)型氧彈式熱量計(jì)。進(jìn)入了全面啟用電腦處理數(shù)據(jù)的新時(shí)代。(5)苯甲酸和萘燃燒產(chǎn)物的熱容差別因?yàn)楫a(chǎn)物量小而儀器熱容的基數(shù)相對較大而可以忽略。(6)量熱方法和儀器多種多樣，可參閱復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教材。量熱法廣泛用來測量各種反應(yīng)熱如相變熱等。本實(shí)驗(yàn)裝置除可用作測定各種有機(jī)物質(zhì)、燃料、谷物等固體、液體物質(zhì)的燃燒熱外，還可以研究物質(zhì)在充入其它氣體時(shí)反應(yīng)熱效應(yīng)的變化情況。【提問與思考】(1)什么是燃燒熱？它在化學(xué)計(jì)算中有何應(yīng)用？答：在101kPa時(shí)，1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定的化合物時(shí)所放出的熱量，叫做該物質(zhì)的燃燒熱．單位為kJ/m