物化實驗報告燃燒熱的測定苯甲酸萘

1、華 南師范 大學實 驗報告課程名稱物理化學實驗實驗項目燃燒熱的測定【實驗目的】 明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的區(qū)別。 掌握量熱技術(shù)的基本原理，學會測定奈的燃燒熱。 了解氧彈卡計主要部件的作用，掌握氧彈量熱計的實驗技術(shù)。 學會雷諾圖解法校正溫度改變值?！緦嶒炘怼咳紵裏崾侵?摩爾物質(zhì)完全燃燒時所放出的熱量。在恒容條件下測得的燃 燒熱稱為恒容燃燒熱（Ov）,恒容燃燒熱這個過程的內(nèi)能變化（AU）。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過程的熱焓變化（A H）o若把參加反應的氣體和反應生成的氣體作為理想氣體處理，則有下列 關(guān)系式：cHm = Qp= QV

2、+ AnRT（1）本實驗采用氧彈式量熱計測量蔗糖的燃燒熱。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，燃燒時放出的熱量使卡計本身及氧彈 周圍介質(zhì)（本實驗用水）的溫度升高。氧彈是一個特制的不銹鋼容器（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)境向量熱計輻射 進熱量而使其溫度升高，也可以是由于量熱計向環(huán)境輻射出熱量而使量熱計的 溫度降低。因此燃燒前后溫度的變化值不能直接準確測量，而必須經(jīng)過作圖法 進行校正。放

3、出熱（樣品+點火絲）=吸收熱（水、氧彈、量熱計、溫度計）量熱原理一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量，即量熱計及水每升高 1K所需吸收的熱量），假設系統(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：Qv,m（2）n式中，Qvn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JK-1或J / oC）。上述公式是最理想、最簡單

4、的情況。圖1氧彈量熱計構(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-進氣孔3、電極4、溫度計5排氣孔；6電極5、攪拌器6、恒溫外套8電極（也是進氣管）但是，由于（1）:氧彈量熱計不可能完全絕熱，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算，必須經(jīng)過合理 的雷諾校正才能得到準確的溫差變化。（2）多數(shù)物質(zhì)不能自燃，如本實驗所用 萘，必須借助電流引燃點火絲，再引起萘的燃燒，因此，等式（2）左邊必須把點火絲燃燒所放熱量考慮進去就如等式（3）:n Qv,m m點火絲Q點火絲C AT（3）式中：m點火絲為點火絲的質(zhì)量，Q點火絲為點

5、火絲的燃燒熱，為-6694.4 J / g , T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) （如本實驗用苯甲酸），放在量熱計 中燃燒，測其始、末溫度，經(jīng)雷諾校正后，按上式即可求出Co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讀數(shù)對時間作圖，聯(lián)成FHD戯如圖2 -1-2 o圖中H相當于開始燃燒之點，D點為觀察到最高溫度讀數(shù)點，將 H所 對應的溫度T1, D所對應的溫度T2,計算其平均溫度，過T點作橫坐標的平行 線，交FHD戯于一點，過該點作橫坐標的垂線 a,然后將FH線和GD線外延交a 線于A、C兩點,A點與C點所表示的溫

6、度差即為欲求溫度的升高 T。圖中AA 表示由環(huán)境輻射進來的熱量和攪拌引進的能量而造成卡計溫度的升高，必須扣 除之。CC表示卡計向環(huán)境輻射出熱量和攪拌而造成卡計溫度的降低，因此， 需要加上，由此可見，AC兩點的溫度差是客觀地表示了由于樣品燃燒使卡計溫 度升高的數(shù)值有時卡計的絕熱情況良好，熱漏小，而攪拌器功率大，不斷稍微引進熱量， 使得燃燒后的最高點不出現(xiàn)，如圖2-1-3，這種情況下T仍可以按同法校正之。【實驗儀器與藥品】儀器：外槽恒溫式氧彈卡計（一個）;氧氣鋼瓶（一瓶）;壓片機（2臺）；數(shù)字式貝 克曼溫度計（一臺）；0100C溫度計（一支）;萬用電表（一個）；扳手（一把）；藥品：萘（A只）；苯甲

7、酸（A.R或燃燒熱專用）；鐵絲（10cm長）；【實驗步驟】一、量熱計常數(shù)K的測定。1、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質(zhì)量棉線，稱取潔凈坩堝放置樣片 前后質(zhì)量W1和W2。2、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質(zhì)量棉線，稱取潔凈坩堝放置樣片 前后質(zhì)量W1和W2。3、把盛有苯甲酸片的坩堝放于氧彈內(nèi)的坩堝架上，連接好點火絲和助燃棉 線。4、 蓋好氧彈，與減壓閥相連，充氣到彈內(nèi)壓力為1.2MPa為止。6、把氧彈放入量熱容器中，加入 3000ml水。7、插入數(shù)顯貝克曼溫度計的溫度探頭。8接好電路，計時開關(guān)指向“1分”，點火開關(guān)到向“振動”，開啟電源。 約10min后，若溫度變化均勻，開始讀取溫度。

8、讀數(shù)前 5s振動器自動振動，兩 次振動間隔1mi n,每次振動結(jié)束讀數(shù)。9、在第10min讀數(shù)后按下“點火”開關(guān)，同時將計時開關(guān)倒向“半分”， 點火指示燈亮。加大點火電流使點火指示燈熄滅，樣品燃燒。燈滅時讀取溫度10、溫度變化率降為0.05 ° C- min-1后，改為1min計時，在記錄溫度讀 數(shù)至少10mi n,關(guān)閉電源。先取出貝克曼溫度計，再取氧彈，旋松放氣口排除廢 氣。11、稱量剩余點火絲質(zhì)量。清洗氧彈內(nèi)部及坩堝。二、萘的恒容燃燒熱的測定1、取萘0.6g壓片，重復上述步驟進行實驗，記錄燃燒過程中溫度隨時間 變化的數(shù)據(jù)?！咀⒁馐马棥?為避免腐蝕，必須清洗氧彈 點火成敗是實驗關(guān)鍵

9、。應仔細安裝點火絲和坩堝。點火絲不應與彈體內(nèi) 壁接觸，坩堝支持架不應與另一電極接觸。 每次實驗前均應稱量坩堝。【文獻值】恒壓燃燒執(zhí)八、kcal/molkJ/molJ/g測定條件苯甲酸4-771.2-3226.9-26410p?,25 C萘8-1231.-5153.8-40205p?,25 CG, m (H2Ol )= 75.291 J/mol ?KCp, m (COg)= 37.11 J/mol ?KCP, m (Qg)= 29.36 J/mol ?KG, m (苯甲酸 s) = 146.8 J/mol ?KG, m (萘 s)= 165.7 J/mol ?K【實驗數(shù)據(jù)與處理】實驗原始數(shù)據(jù)第一

10、組測定的數(shù)據(jù)：苯甲酸點火絲：0.0121g苯甲酸凈含量：1.4951g點火絲消耗質(zhì)量：8.1 x 10-3 g苯甲酸+點火絲（精測）：1.5072g點火后剩余：0.0040g時間/t（60s每次）溫度/T( C)時間/t（15s每次）溫度/T( C)時間/t（15s每次）溫度/T( C)17.871810.0922610.55027.874910.1612710.55737.8751010.2202810.56447.8771110.2682910.57057.8801210.3063010.57467.8821310.3403110.57977.8851410.368時間/t（60s每次）溫

11、度/T( C)87.8861510.394110.58397.8901610.418210.600107.8911710.439310.608時間/t（15s每次）溫度/TC）1810.456410.61118.3641910.472510.61428.6722010.486610.61339.0742110.501710.61249.3772210.513810.61059.6382310.523910.60869.8342410.5321010.60679.9832510.542第二組測定的數(shù)據(jù)：苯甲酸點火絲：0.0120g苯甲酸凈含量：1.2630g 點火絲消耗質(zhì)量：3.2 X 10-3

12、g苯甲酸+點火絲（精測）：1.2750g點火后剩余：0.0088g時間/t（60s每次）溫度/T( C)時間/t（30s每次溫度/T( C)時間/t（30s每次）溫度/T( C)18.128810.0712610.42128.136910.1152710.42838.1431010.1542810.43348.1491110.1912910.43758.1541210.2143010.45068.1561310.248時間/t（60s每次）溫度/T( C78.1691410.274110.46188.1641510.292210.46798.1671610.311310.472108.1701

13、710.328410.474時間/t（15s每次）溫度/T( C)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)：萘點火絲：0.0140g萘+點火絲（精測）：1.0051g點火后剩余：0.0061g萘凈含量：0.9911g點火絲消耗質(zhì)量：7.9 X 10-3 g時間/t（60s每次）溫度/T( C)時間/t（30s每次溫度/T(

14、 C)時間/t（30s每次）溫度/T( C)18.100810.3582610.84028.105910.4352710.84638.1091010.4942810.85048.1131110.5412910.85458.1151210.580時間/t（60s每次）溫度/T( C68.1191310.615110.86578.1211410.643210.87288.1241510.669310.87798.1271610.691410.878108.1301710.713510.878時間/t（15s每次）溫度/T( C)1810.747610.87918.4351910.762710.87

15、728.8452010.774810. 87539.2362110.78749.5712210.79059.9682310.807610.1192410.823710.2592510.829實驗數(shù)據(jù)的處理 雷諾校正作圖 計算卡計的熱容C,并求出兩次實驗所得水當量的平均值苯甲酸的燃燒反應方程式為：根據(jù)基爾霍夫定律： C,m = 7X G,m(CQ,g )+ 3X Cp, m( H2O,l ) -Cp, m(苯甲酸,s ) - %,2m (O,g )=154.6805 J/mol ?K當室溫為26.0 C時苯甲酸的燃燒焓為： cHL (26.0)= cHn (25.0 C) + GXAT3=-32

16、26.9 + 154.6805 X (26.0-25.0) X 10-=-3225.84 kJ/mol則：苯甲酸的恒容摩爾燃燒熱為：QV = cLm= cHn- RTE BVB(g)=-3225.84 8.314 X 299.15 X (7 7.5) X 10-3=-3224.6 kJ/mol又:nQ= -CA T -Q v點火線 m點火線(I) 苯甲酸燃燒的數(shù)據(jù)處理:-3-3QV點火絲 m點火絲= -6694.4 X 10-3 X 3.7 X 10-3 = -0.02477 kJ-nQv, mQ絲？口絲T0.4874122.12(-3224.6)(-0.02477)29.931 29.1=1

17、5.517 kJ/(H)苯甲酸燃燒的數(shù)據(jù)處理:-3-4-3QV點火絲 m點火絲=X9X 10-4 = -6.025 X 10-3 kJ-n Qv, m Q絲？口絲T0.4354122.12（-3224.6）（-0.006025=15.866 kJ/31.373 30.648（皿）兩次實驗所得水當量的平均值為:C =（15.517 + 15.866） - 2= 15.692 kJ/ C 計算萘的恒容摩爾燃燒熱Q,根據(jù)公式：nQ= -C T -Q v點火線 m點火線則：（I）萘燃燒的數(shù)據(jù)處理：_3_3Q點火絲 m點火絲= -6694.4 x 10_3 X 5.4 X 10_3 = -0.03615

18、 kJQ,m=（T -Q v點火線 m點火線 ）/n-15.69229.695 28.470.47310.03615=5217.9 kJ/mol128.18（H）萘燃燒的數(shù)據(jù)處理:-3-3Q點火絲 m點火絲=X 1.7 x 10-3 = -0.01138 kJQ, m=（T -Q v點火線 m點火線 ）/n-15.69228.86727.6270.48190.01138 = 5178 kJ/mol128.18（皿）萘的恒容摩爾燃燒熱平均值為Q7 = （ 5217.9 5178） -2= 5197.5 kJ/mol 求萘的恒壓摩爾燃燒熱 Q, m （即 cHn）萘燃燒的化學方程式為：B（g）2

19、,C10H8 s 12O2 g10CO2 g 4H2O l根據(jù)基爾霍夫定律:G,m= 10 X Cp, m( CQg ) + 4 x CP, m (HbO,l) CP,m (奈,s ) 12Cp,m(o,g)=154.304 J/mol ?K 26.0 C時奈的燃燒焓為： cHn (26.0)= cUn + RTEBVB(g)=5206.63 + 8.314 X 299.15 x( - 2)x 10-3=5211.604 kJ/mol 由基爾霍夫定律將 cHn (T)換成 cHL (298.15K)，并與文獻比較 cHn (25.0)= cHn (26.0)+ GXAT3=5211.604 +

20、154.304 X (25.0 26.0) X 10-=5211.758 kJ/mol相對誤差：1 5211.758 ( 5153.8)| 100% =1.12%51538【實驗結(jié)果與討論】實驗求得奈的燃燒熱QP，實與文獻值QP,標=5153.85 kJ mol 1的誤差為1.12%(小于3%?？梢姳緦嶒灉囟葘δ蔚娜紵手涤绊懞苄。瑢嶒灲Y(jié)果較為準確。產(chǎn) 生誤差的原因除了儀器誤差之外，主要還有以下幾個方面： 使用雷諾圖解法時，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AT的影響很大，此次實驗結(jié)果很大程度上取決于這一步數(shù)據(jù)處理。 在實驗進行過程中，夾套水溫也不可能恒定，

21、這會對 AT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。 萘為易揮發(fā)性物質(zhì)，壓片稱量后應該迅速放入氧彈中，以免因揮發(fā)而損 失過多的質(zhì)量，給實驗帶來誤差，使實驗結(jié)果偏大。 氧彈內(nèi)可能存在少量空氣，空氣中 N的氧化會產(chǎn)生熱效應。 若試樣未完全燃燒，造成的影響很大，若有明顯的黑色殘渣，實驗應重 做。 量取3000mL水使用的2000mL量筒的稱量誤差很大。 水溫改變帶來的誤差：由于此次實驗是測量的內(nèi)桶的水溫，且總的波動不 超過3C,所以水溫的改變會對實驗結(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

22、驗中采用標準 物質(zhì)標定法，根據(jù)能量守恒原理，標準物質(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，標定出氧彈卡計的熱容。再 進行奈的燃燒熱測量和計算。測量體系與環(huán)境之間有熱量的交換，因為理想的絕熱條件是不可能達到的。同 時影響熱量的交換量大小的因素也比較多，與體系、環(huán)境的材質(zhì)有關(guān)；與 體系、環(huán)境的接觸界面積大小有關(guān)；與體系、環(huán)境的溫差有關(guān)，所以要定量 準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, 將會增大實驗的測量誤差。在本實驗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。原因為：如果是使用恒壓燃燒方法，就需要有一個無摩

23、擦的活塞，這 是機械摩擦的理想境界，是做不到的；做燃燒熱實驗需要盡可能達到完全燃 燒，恒壓燃燒方法難于使另一反應物一一“氧氣”的壓力（或濃度）達到高壓， 會造成燃燒不完全，帶來實驗測定的實驗誤差?！緦嶒炘u注與拓展】（1）實驗關(guān)鍵：點火成功、試樣完全燃燒是實驗成敗關(guān)鍵，可以考慮以下 幾項技術(shù)措施： 試樣應進行磨細、烘干、干燥器恒重等前處理，潮濕樣品不易燃燒且有誤差。壓片緊實度：一般硬到表面有較細密的光潔度，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。 點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。 充足氧（2MPa）并保證氧彈不漏氧，保證充分燃燒。燃燒不完全，還

24、時 常形成灰白相間如散棉絮狀。 注意點火前才將二電極插上氧彈再按點火鈕，否則因儀器未設互鎖功能，極易發(fā)生（按攪拌鈕或置 0時）誤點火，樣品先已燃燒的事故。（2）氧彈內(nèi)預滴幾滴水，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 i4MPa長期使用，可能引起彈壁的腐蝕, 減少其強度。故氧彈應定期進行 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，應采用軟水。長期不使用時應將水倒 掉。氧彈以及氧氣通過的各個部件，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，可用少量的

25、甘油。(3) 儀器應置放在不受陽光直射的單獨一間試驗室內(nèi)進行工作。室內(nèi)溫度和 濕度應盡可能變化小。最適宜的溫度是 20 5C。每次測定時室溫變化不得大于 1C。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，其調(diào)節(jié)可以歸納為倒立連接、設定溫度、正立震 斷和校驗四步，注意別讓水銀過多地流向彎曲貯管，導致因水銀重而在正立時， 玻管擴張?zhí)帓觳蛔?。也絕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，應進行貝克曼溫度計的校正。改進后的本實驗普遍采用熱敏電阻溫度計、鉑電阻溫度計或者熱電堆等，相應配以電橋、指示mV直，實際已轉(zhuǎn)換為溫度(數(shù)顯溫度計)的儀器，能自動記錄溫度，精密度可達 104105K。國產(chǎn)型號 為半自動HF 15A(B)數(shù)顯微機型或 WH15全自動微機型氧彈式熱量計。進入 了全面啟用電腦處理數(shù)據(jù)的新時代。(5) 苯甲酸和萘燃燒產(chǎn)物的熱容差別因為產(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，可參閱復旦大學物理化學實驗教材。量熱