物化實(shí)驗報告燃燒焓

1、燃燒焓的測定張磊楠 2008030054燃燒焓的測定姓名：張磊楠學(xué)號：2008030054班級：生 86同組實(shí)驗者：石穿實(shí)驗日期：2010 年 4 月 14 日提交報告日期：2010 年 4 月 15 日帶實(shí)驗助教：江寅1引言1.1實(shí)驗?zāi)康?. 使用彈式量熱計測定萘的燃燒焓。2. 了解量熱計的原理和構(gòu)造，掌握其使用方法。3. 掌握熱敏電阻測溫的實(shí)驗技術(shù)。1.2實(shí)驗原理當(dāng)產(chǎn)物的溫度與反應(yīng)物的溫度相同，在反應(yīng)過程中只做體積功而不做其它功時，化學(xué)反應(yīng)吸收或放出的熱量，稱為此過程的熱效應(yīng)，通常亦稱為“反應(yīng)熱”。熱化學(xué)中定義:在指定溫度和下，一摩爾物質(zhì)完全燃燒成指定產(chǎn)物的焓變，稱為該物質(zhì)在此溫度下的摩爾

2、燃燒焓，記作CHm。通常，C、H 等元素的燃燒產(chǎn)物分別為 CO2(g)、H2O(l)等。由于上述條件下 H=Qp，因此 CHm 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)常在恒容條件下進(jìn)行(如在彈式量熱計中進(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)的摩爾燃燒內(nèi)能變 CUm）。若反應(yīng)系統(tǒng)中的氣體物質(zhì)均可視為理想氣體，根據(jù)熱力學(xué)推導(dǎo)，CHm 和 CUm 的關(guān)系為:（1）式中，T 為反應(yīng)溫度(K);CHm 為摩爾燃燒焓(J·mol-1);CUm 為摩爾燃燒內(nèi)能變(J·mol-1)；vB(g)為燃燒反應(yīng)方程中各氣體物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)。產(chǎn)物取正值，反

3、應(yīng)物取負(fù)值。通過實(shí)驗測得 QV 值， 根據(jù)上式就可計算出 Qp，即燃燒焓的值 CHm。- 1 -燃燒焓的測定張磊楠 2008030054圖 1 氧彈的構(gòu)造測量熱效應(yīng)的儀器稱作量熱計，量熱計的種類很多，一般測量燃燒焓用彈式量熱計。本實(shí)驗是用氧彈式量熱計進(jìn)行萘的燃燒焓的測定，結(jié)構(gòu)如上圖。實(shí)驗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，還把內(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、攪拌器和水便近似了一個絕熱系統(tǒng)。量熱儀的外桶蓋為提升式。將其向上提到限位高度，順時針旋轉(zhuǎn)約 90 度，便可停放住。點(diǎn)火電極的上電極觸頭、內(nèi)水桶攪拌器及測溫器件均固定在外桶蓋上，當(dāng)把桶蓋

4、旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置降下時，它們便都處于預(yù)置。攪拌器的馬達(dá)也固定在外桶蓋上，其電源線及點(diǎn)火電極連線經(jīng)桶蓋內(nèi)部與量熱儀的電控部分連通。氧彈的另一極經(jīng)彈杯、內(nèi)水桶及外水套與電控部分連通。將待測燃燒物質(zhì)裝入氧彈時，充入足夠的氧氣。氧彈放入裝有一定量水的內(nèi)桶中，蓋好外桶蓋。以電控部分各開關(guān)攪拌并實(shí)現(xiàn)燃燒點(diǎn)火，用熱敏電阻作為測溫元件，用電子自動平衡儀連續(xù)內(nèi)桶水溫度的變化。當(dāng)溫度變化不大時，可以認(rèn)為熱敏電阻阻值變化與溫度變化成正比；當(dāng)阻值變化不大時，電橋的不平衡電勢 U 與阻值變化成正比。所以 UT由于U 與儀的曲線峰高h(yuǎn) 成正比，故T=ah（2）式中 a 為比例常數(shù)。設(shè)系統(tǒng)（包括所有內(nèi)水桶中的物質(zhì)）的熱容C

5、為常數(shù)，則當(dāng)某樣品連同輔助物質(zhì)棉線、金屬絲燃燒后，下式成立：· mBåD U= CDT = CaDh = KDh（3）c BMB式中： Dc UB物質(zhì) B 的摩爾燃燒內(nèi)能變，J·mol-1mB物質(zhì)B 的質(zhì)量，kgMB -物質(zhì) B 的摩爾質(zhì)量 ，kg·mol-1C-系統(tǒng)熱容，也稱能當(dāng)量或水當(dāng)量 J·K-1K儀器常數(shù)，J·mm-1Dh -儀曲線峰高， mm先燃燒已知燃燒焓的物質(zhì)（如苯甲酸），標(biāo)定儀器常數(shù)K，再燃燒未知物質(zhì)，便可由上式計算出摩爾燃燒內(nèi)能變。2實(shí)驗操作2.1實(shí)驗儀器及藥品實(shí)驗儀器：GR3500 型彈式量熱計 1 套；熱敏電阻

6、1 支（約 2k）；大學(xué)化學(xué)實(shí)驗計算機(jī)接口：溫度計 1- 2 -燃燒焓的測定張磊楠 2008030054支：2000ml，1000ml 容量瓶各 1 個；3000ml 裝水盆 1 個；鑷子 1 把，壓片機(jī)、鎳絲、棉線、萬用表、臺秤、分析天平、剪刀、尺子、氧氣瓶公用。實(shí)驗藥品：分析純的苯甲酸和萘。2.2 實(shí)驗操作步驟及方法要點(diǎn)2.2.1 樣品準(zhǔn)備在臺秤上稱量約 0.8g 苯甲酸，在壓片機(jī)上壓成片狀，取出藥片并輕輕去掉黏附在藥品上的粉末， 用棉線繞在藥片上，將鎳絲穿入棉線后在分析天平上準(zhǔn)確稱量。將苯甲酸片上的鎳絲緊拴在氧彈的兩根電極上。用萬用表檢查是否通路，旋緊彈蓋。通入 1.0MPa 的氧氣。充

7、氣后再檢查是否通路與漏氣，然后將氧彈放入內(nèi)水桶內(nèi)。2.2.2 儀器準(zhǔn)備接好線路，先將熱敏電阻放入外水套，后將熱敏電阻放入水盆中，調(diào)節(jié)水溫，使內(nèi)外大約相差0.6 度。準(zhǔn)確稱取水 3000ml 倒入內(nèi)桶中，蓋好桶蓋。打開量熱儀電源，開動攪拌器，接下導(dǎo)通實(shí)驗開關(guān)。2.2.3燃燒當(dāng)基線走成直線后接下升溫結(jié)束后走出直線后停止，若在半分鐘之內(nèi)迅速移動表示點(diǎn)火。關(guān)掉，待筆所指位置儀。停止攪拌，取出熱敏電阻放入外水套中，此時為內(nèi)外水套溫度相等處。用電腦軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。切斷量熱儀熱源，取出氧彈，放出燃燒廢氣。旋開彈蓋，檢查樣品是否燃燒完全，若有黑色物質(zhì)，實(shí)驗失敗。若燃燒完全，將剩余鎳絲取下稱量， 倒出內(nèi)水桶水

8、，將氧彈洗凈、擦干。2.2.4 測量未知樣品外水套溫度。在臺秤上面稱取約 0.6g 萘，重復(fù)以上操作。2.2.5 實(shí)驗結(jié)束整理儀器，用計算機(jī)擬合數(shù)據(jù)線并求出萘的燃燒焓，實(shí)驗結(jié)束。2.2.6 實(shí)驗注意事項1稱取樣品不可過量，否則會升溫過高，信號超出量程。2氧彈充氣后一定要檢查確信其不漏氣，而且要再次檢查兩電極間是否通路。3將氧彈放入量熱儀前，一定要先檢查點(diǎn)火掉。鍵是否位于“關(guān)”的位置。點(diǎn)火結(jié)束后，即將其關(guān)4氧彈充氣操作過程中，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。3結(jié)果與討論3.1原始實(shí)驗數(shù)據(jù)表 1實(shí)驗原始數(shù)據(jù)被測項目苯甲酸萘棉線質(zhì)量（g） 鎳絲總質(zhì)量（g） 總質(zhì)量（g）鎳絲剩余質(zhì)

9、量（g）外水套溫度（）0.00200.00830.81150.004514.314122.12127.97020.00240.00820.62700.004715.140128.17151.7004被測物量峰高h(yuǎn)（mV）- 3 -燃燒焓的測定張磊楠 20080300543.2計算的數(shù)據(jù)、結(jié)果選擇并雙擊，選擇并雙擊，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，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，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，交替移動光標(biāo)移動到外套水溫曲線位置，點(diǎn)擊，移動光標(biāo)，將綠色光標(biāo)

10、放在擬和曲線與升溫曲線的交點(diǎn)上，光標(biāo)放在升溫曲線上的任何位置，點(diǎn)擊；如果線性擬合交點(diǎn)不理想，點(diǎn)擊，移動光標(biāo)重新擬合。確定后，點(diǎn)擊，峰高值就會值。兩條曲線都處理完成后，點(diǎn)擊，就可以得到被測樣品的燃燒焓圖 2 苯甲酸處理曲線圖- 4 -計算處理提交刷新計算H線性擬合 3線性擬合 1線性擬合 2燃燒焓測定打開物理化學(xué)實(shí)驗燃燒焓的測定張磊楠2008030054圖 3 萘處理曲線圖用計算機(jī)計算出萘的燃燒焓為-5218.7002 KJ/mol接下來用公式（3）及修正公式（1）計算萘的燃燒焓。· mB已知 åD U= CDT = CaDh = KDh ， 棉線和鎳絲的燃燒內(nèi)能變?yōu)?167

11、36KJ/Kg 和c BMB-3243KJ/Kg，苯甲酸摩爾燃燒焓為-3231.3KJ/mol 1mol 苯甲酸完全燃燒反應(yīng)方程式：C7H6O2+7.5O27CO2+3H2O即可得出B(g)=-0.5 代入(1)式：得出苯甲酸摩爾燃燒內(nèi)能變?yōu)?3230.1KJ/mol則（3）等號左邊為-3230.1*1000*(0.7364-0.0039-0.0083)/122.12-16736*0.0039-3243*0.0007J即-19222.6J，求得 K=-196.963J/mV對于被測樣品萘，（3）等號右邊為-25956.5J左邊為CU*1000*(0.6269-0.0041-0.0081)/12

12、8.17-16736*0.0041-3243*0.0013J求得萘的CU 為-5396.96KJ/mol 1mol 萘的完全燃燒反應(yīng)方程式：C10H8+12O210CO2+4H2O進(jìn)而求得萘的摩爾燃燒焓為-5401.92KJ/mol，于計算機(jī)結(jié)果基本一致。- 5 -燃燒焓的測定張磊楠 20080300543.33.3.1 與標(biāo)準(zhǔn)值對比計算相對誤差萘的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓約為-5153.8KJ/mol，計算相對誤差得：| -5153.8-（-5218.7）|/|-5153.8|=1.26%3.3.2 誤差分析本次實(shí)驗在多個環(huán)節(jié)都引入了可能造成誤差的操作，其中最主要的誤差來自樣品燃燒過程中量熱計本身并不

13、能保證絕熱，只能保證等容。因此，實(shí)測的溫度變化值與恒容完全絕熱體系的溫度變化T 存在偏差，必須加以校正。于是我們在實(shí)驗中采用雷諾作圖法校正溫度變化值，將實(shí)驗測量的體系溫度與時間數(shù)據(jù)作圖，得曲線 CAMBD（見下圖）在樣品燃燒之前，由于體系被攪動做功和微弱吸熱（環(huán)境比體系溫度高）體系溫度隨時間微弱升高，見 CA 線段，A 點(diǎn)為樣品點(diǎn)火時體系的溫度，點(diǎn)火時，樣品燃燒放出的熱量使體系溫度升高， 達(dá)到最高點(diǎn) B，見 AB 線段，隨后由于體系微弱放熱（此時體系比環(huán)境溫度高），溫度隨時間微弱下降，見線段 BD（。取 A、B 兩點(diǎn)之間垂直于橫坐標(biāo)的距離的中點(diǎn)O 作平行于橫坐標(biāo)的直線交曲線于 M 點(diǎn)，通過 M

14、 點(diǎn)作垂線 ab，然后將 CA 線和 DB 線外延長交 ab 線于E 和F 兩點(diǎn)。則 F 點(diǎn)與E 點(diǎn)的溫差即為校正后的溫度升高值T。本次實(shí)驗中量熱計絕熱情況良好，熱量損失很小，但由于攪拌不斷引進(jìn)少量能量，使燃燒后最高點(diǎn)不出現(xiàn)，隨時間推移 BD 接近直線，如圖中右邊一幅所示，這時仍可按相同原理校正。本試驗依靠上圖中的那些線相對位置的差值來測量計算峰值，而且沒有像上面所說的用中點(diǎn)來處理數(shù)據(jù)，而是加入了一條線外水桶溫度的線也就是環(huán)境溫度的線。因為我們認(rèn)為環(huán)境溫度是相對穩(wěn)定的，所以用它作為參考的量將使實(shí)驗結(jié)果更加準(zhǔn)確。除了熱交換外，還有很多因素能夠引起誤差：藥品壓片稱量后仍可能在操作中損失很小一部分，

15、而且樣品在空氣中可能受潮；充入的氧氣很難保證絕對純凈，內(nèi)部會有空氣（主要成分為氮?dú)猓┐嬖?，在樣品燃燒時氮?dú)鈱⑿纬上跛?；樣品燃燒完全后將剩余鎳絲取下再次稱量，如果不夠鎳絲可能沾上氧彈上的水，這樣剩余鎳絲質(zhì)量將增大。，3.3.3 建議我們在做這個實(shí)驗時，感覺最費(fèi)時間的就是水溫的調(diào)節(jié)，由于室溫較低，外水套溫度很低，用水管放了很久，內(nèi)水套溫度僅比外水套低 0.2°C，所以我們采取了給外水套加入熱水的方法。由于外水套式環(huán)形的，所以調(diào)水溫是加入一點(diǎn)熱水，會導(dǎo)致水溫變化很長一個時間段，攪拌裝置并不能試水溫在整個系統(tǒng)很快平衡，所以散熱比較多，另外儀器的攪動生熱也會使溫度有所變化。所以我們建議可以使用

16、恒溫水浴槽，提早設(shè)置好外水套溫度，這樣外水套溫度也可以固定到計算機(jī)的系統(tǒng)里。另外可以把外水套溫度舍得稍高一些，避免內(nèi)水套溫度難以減低，減少自來水放水減少水浪費(fèi)，也可以準(zhǔn)備冰塊用以降溫。- 6 -燃燒焓的測定張磊楠 20080300544結(jié)論本次實(shí)驗測得萘的燃燒焓為-5218.7002 KJ/mol5參考文獻(xiàn)基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗，賀德華，麻英，張連慶，高等教育6 思考題6.1 本實(shí)驗中如何考慮系統(tǒng)與環(huán)境？系統(tǒng)和環(huán)境通過哪些途徑進(jìn)行熱交換？這些熱交換結(jié)果影響怎樣？如何校正？答：本實(shí)驗中，把氧彈和內(nèi)水桶看作孤立系統(tǒng)，把外水桶及其外部看作環(huán)境。氧彈和內(nèi)水桶系統(tǒng)在燃燒過程中理論上絕熱恒容。通過導(dǎo)熱進(jìn)行熱交換，難以校正。6.2 使用氧氣時要注意哪些問題？答：先將藥片上的鎳絲緊栓在氧彈的兩根電級上，用萬用表檢查是否通路，旋緊彈蓋，使用氧氣時， 要擰緊蓋子和氣閥，防止漏氣。充氣時要先確認(rèn)輸氧口安裝正確，當(dāng)輸氧口的氣壓達(dá)到 1MPa 時， 充氧完畢，將輸氧口懸塞推出，取下輸氧口，一定要檢查確信氧彈不漏氣，而且要再次檢查兩電極間（頂帽與彈蓋間）是否通路。氧彈充氣操作過程中，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。6.3 攪拌過快或過慢有何問題？答：攪拌過快會引起溫度升高，使得溫度不穩(wěn)；攪拌過慢會導(dǎo)致各部分傳熱不均，不能很好的恒溫。6.4