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實(shí)驗(yàn)二燃燒熱測(cè)定
實(shí)驗(yàn)二、燃燒熱的測(cè)定
專(zhuān)業(yè)：11化學(xué) 姓名：賴(lài)煊榮 座號(hào)：32 同組人：陳見(jiàn)曉 時(shí)間：2013.10. 15
Ⅰ、目的要求
1．用氧彈熱量計(jì)測(cè)定萘的燃燒熱。
2．明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別。 3．了解熱量計(jì)中主要部分的作用，掌握氧彈熱量計(jì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。 4．學(xué)會(huì)雷諾圖解法校正溫度改變值。
Ⅱ、基本原理
一、燃燒與量熱
根據(jù)熱化學(xué)的定義，1mol物質(zhì)完全氧化時(shí)的反應(yīng)熱稱(chēng)作燃燒熱。所謂完全氧化，對(duì)燃燒產(chǎn)物有明確的規(guī)定。
量熱法是熱力學(xué)的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)方法。在恒容或恒壓條件下，可以分別測(cè)得恒容燃燒熱Qv和恒壓燃燒熱Qp。由熱力學(xué)第一定律可知，Qv等于體系內(nèi)能變化ΔU；Qp等于其焓變?chǔ)。若把參加反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成的氣體都作為理想氣體處理，則它們之間存在以下關(guān)系：
ΔH =ΔU + Δ(pV)
Qp = Qv + Δn RT ——（1）
式中，Δn為反應(yīng)前后反應(yīng)物和生成物中氣體的物質(zhì)的量之差；R為氣體常數(shù)；T為反應(yīng)時(shí)的熱力學(xué)溫度。
熱量計(jì)的種類(lèi)很多，本實(shí)驗(yàn)所用氧彈熱量計(jì)是一種環(huán)境恒溫式的熱量計(jì)。氧彈熱量計(jì)的裝置如圖右。
二、氧彈熱量計(jì)
氧彈熱量計(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其周?chē)慕橘|(zhì)和
熱量計(jì)有關(guān)附件的溫度升高。測(cè)量介質(zhì)在燃燒前后溫度的變化值，就可求算該樣品的恒容燃燒熱。其關(guān)系
式如下：
-W樣/M 〃Qv – l〃Ql =(W水c水+C計(jì)) ΔT ——（2）
式中，W樣和M分別為樣品的質(zhì)量和摩爾質(zhì)量；Qv為樣品的恒容燃燒熱；l和Ql是引燃用金屬絲的長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度燃燒熱，W水和C水是以水作為測(cè)量介質(zhì)時(shí)，水的質(zhì)量和比熱容；C計(jì)稱(chēng)為熱量計(jì)的水當(dāng)量，即除水之外，熱量計(jì)升高1℃所需的熱量；ΔT為樣品燃燒前后水溫的變化值。
三、雷諾溫度校正圖
實(shí)際上，熱量計(jì)與周?chē)h(huán)境的熱交換無(wú)法完全避免，它對(duì)溫差測(cè)量值的影響可用雷諾溫度校正圖校正。具體方法為：稱(chēng)取適量待測(cè)物質(zhì)，估計(jì)其燃燒后可使水溫上升1.5～2.0℃。預(yù)先調(diào)節(jié)水溫低于室溫1.0℃左右。按操作步驟進(jìn)行測(cè)定，將燃燒前后觀察所得的一系列水溫和時(shí)間關(guān)系作圖。得一曲線如下左圖。圖中H點(diǎn)意味著燃燒開(kāi)始，熱傳入介質(zhì)；D點(diǎn)為觀察到的最高溫度值；從相當(dāng)于室溫的J點(diǎn)作水平線交曲線于I，過(guò)I點(diǎn)作垂線，再將FH線和GD線延長(zhǎng)并交ab線于A、C兩點(diǎn)，其間的溫度差值即為經(jīng)過(guò)校正的ΔT。圖中AA′為開(kāi)始燃燒到溫度上升至室溫這一段時(shí)間Δt1內(nèi)，由環(huán)境輻射和攪拌引進(jìn)的能量所造成的升溫，故應(yīng)予扣除。CC′為由室溫升高到最高點(diǎn)D這一段時(shí)間Δt2內(nèi)，熱量計(jì)向環(huán)境的熱漏造成的溫度降低，計(jì)算時(shí)必須考慮在內(nèi)。故可認(rèn)為，AC兩點(diǎn)的差值較客觀地表示了樣品燃燒引起的升溫?cái)?shù)值。
本實(shí)驗(yàn)采用貝克曼溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度差。
Ⅲ、儀器、試劑
XRY-1A型數(shù)顯氧彈式熱量計(jì)（已包含貝克曼溫度計(jì)、秒表、放大鏡等）1套、氧氣鋼瓶1只、氧氣減壓閥1只、壓片機(jī)1臺(tái)、電子天平1臺(tái)、萬(wàn)用電表1臺(tái)、量杯(1000ml)1只、量筒（10ml）1個(gè)、塑料桶1個(gè)、直尺1把、剪刀1把、溫度計(jì)（100℃）1支、引燃專(zhuān)用金屬絲、苯甲酸（分析純）、萘（分析純）
Ⅳ、實(shí)驗(yàn)步驟
1．測(cè)定熱量計(jì)的水當(dāng)量
（1）樣品制作 用電子天平稱(chēng)取大約1g苯甲酸（切勿超過(guò)1.1g），在壓片機(jī)上壓成圓片。
樣片壓得太緊，
點(diǎn)火時(shí)不易全部燃燒；壓得太松，樣品容易脫落。將樣品在干凈的玻璃板上輕擊二、三次，再用電子天平精確稱(chēng)量。
（2）裝樣并充氧氣 擰開(kāi)氧彈蓋，將氧彈內(nèi)壁擦干凈，特別是電極下端的不銹鋼絲更應(yīng)擦干凈。擱上金屬小皿，小心將樣品片放置在小皿中部。剪取10cm長(zhǎng)的引燃金屬絲，在直徑約3mm的玻璃棒上，將其中段繞成螺旋形約5～6圈。將螺旋部分緊貼在樣片的表面，兩端如圖2所示固定在電極上。用萬(wàn)用電表檢查兩電極間電阻值，一般應(yīng)不大于20Ω。旋緊氧彈蓋，再用萬(wàn)用電表檢查后卸下進(jìn)氣管口的螺栓，換接上導(dǎo)氣管接頭。導(dǎo)氣管另一端與氧氣鋼瓶上的減壓閥連接。打開(kāi)鋼瓶閥門(mén)，使氧彈充入2 M Pa的氧氣。
關(guān)閉氧氣瓶閥門(mén)，旋下導(dǎo)氣管，放掉氧氣表中的余氣。將氧彈的進(jìn)氣螺栓旋上，再次用萬(wàn)用表檢查兩電極間的電阻，在確保兩電極導(dǎo)通。如阻值過(guò)大或電極與彈壁短路，則應(yīng)放出氧氣，開(kāi)蓋檢查，重新裝樣。
（3）測(cè)量 用量杯(1000 ml)準(zhǔn)確量取已被調(diào)節(jié)到低于室溫1.0℃的自來(lái)水2700 ml于盛水桶內(nèi)。將氧彈放入水桶中央，接好兩極導(dǎo)線，裝好攪拌馬達(dá)，蓋上蓋板。待溫度穩(wěn)定上升后，每隔1min讀取一次溫度。10～15min后，按下面板上電鍵通電點(diǎn)火。若指示燈亮后即熄滅，且溫度迅速上升，表示氧彈內(nèi)樣品已燃燒；若指示燈根本不亮且溫度也不見(jiàn)迅速上升，則須停止實(shí)驗(yàn)。打開(kāi)氧彈檢查原因。自按下電鍵后，讀數(shù)改為每隔15s一次，直至兩次讀數(shù)差值小于0.005℃，讀數(shù)間隔恢復(fù)為1min一次，繼續(xù)15min后方可停止實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)用自動(dòng)報(bào)時(shí)裝置，按報(bào)時(shí)間隔讀取相應(yīng)讀數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)間大約40分鐘。
2．萘的燃燒熱測(cè)量
稱(chēng)取0.6g左右的萘，同上述方法進(jìn)行測(cè)定。
Ⅴ、數(shù)據(jù)處理
表1.苯甲酸燃燒時(shí)溫度隨時(shí)間的變化 次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃
1 26.341 11（點(diǎn)火） 26.465 21 27.281
2 26.379 12 26.493 22 27.316
3 26.397 13 26.607 23 27.346
4 26.461 14 26.699 24 27.373
5 26.462 15 26.851 25 27.397
6 26.469 16 26.962 26 27.419
7 26.461 17 27.047 27 27.440
8 9 10
26.464 26.468 26.463 18 27.131 28 27.460
19 27.186 29 27.480
20 27.498 30 27.498
次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃
31 27.515 41（熄火） 27.654
32 27.532 42 27.666
33 27.547 43 27.679
34 27.561 44 27.690
35 27.576 45 27.702
36 27.590 46 27.712
37 27.590 47 27.723
38 27.603 48 27.733
39 27.627 49 27.743
40 27.639 50 27.753
壓片后苯甲酸的質(zhì)量m=0.981g 鐵絲原長(zhǎng)L1=10cm
剩余未燃盡的鐵絲的長(zhǎng)度L2
=2.2cm
表2.萘燃燒時(shí)溫度隨時(shí)間的變化 次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃ 次數(shù)/30s 溫度/℃
1 25.593 11（點(diǎn)火） 25.499 21 26.329 31 26.588 41（熄火） 26.699
2 25.604 12 25.515 22 26.399 32 26.602 42 26.707
3 25.597 13 25.581 23 26.415 33 26.615 43 26.717
4 25.596 14 25.618 24 26.446 34 26.630 44 26.726
5 25.595 15 25.754 25 26.474 35 26.639 45 26.737
6 25.602 16 25.897 26 26.498 36 26.646 46 26.741
7 25.609 17 26.023 27 26.520 37 26.653 47 26.750
8 25.577 18 26.119 28 26.539 38 26.664 48 26.758
9 25.560 19 26.206 29 26.556 39 26.675 49 26.766
10 25.548 20 26.272 30 26.572 40 26.686 50 26.773
壓片后萘的質(zhì)量m=0.607g
鐵絲原長(zhǎng)L1=10cm
剩余未燃盡的鐵絲的長(zhǎng)度L2
=2.2cm
表3. 實(shí)驗(yàn)室條件的記錄表
實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)
溫度/℃ 壓力/hp 濕度/%
由ΔT計(jì)算水當(dāng)量和萘的恒容燃燒熱Qv，并計(jì)算其恒壓燃燒熱Qp： C6H5COOH(s)＋15/2O2(g)＝7CO2(g)＋3H2O(l) 由Qp = Qv + ΔnRT 可知 Qv苯甲酸 = Qp ﹣ΔnRT
=﹣3226.9kJ/mol×0.973/122.12﹣(-0.5) ×8.314×298k =﹣24.47kJ
由圖1可知：△T1=1.10 k 有以下關(guān)系式
實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)
26.1 1020.0 57.2
溫度/℃ 壓力/hp 濕度/%
26.9 1021.0 58.0
- QvW樣/M - l·QJ = (W水c水 + c計(jì)) △T1
K=( W水c水 + c計(jì))=( - QvW樣/M ·Qv - l·Ql)/ △T1 =[-0.973 x（-24.47）/122.12-5.9×(-2.9)/1000]/1.10 =0.193 kJ/k
由圖2可知：ΔT2 =1.09k 有以下關(guān)系式
- QvW2 / M - l·Ql = (W水c水 + c計(jì)) ΔT2 Qv萘= [(W水c水 + c計(jì))ΔT2+ l·Ql]?M/- W2 =(KΔT2+ l·Ql) M/- W2
=[0.193×1.09+8.5×(-2.9)/1000]×128.18/（-0.607） =-39.22 kJ
Qv .m 萘=-39.22/（0.607/128.18）= -8281.7 kJ/mol
Ⅵ、結(jié)果分析與討論
由結(jié)果看出誤差相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值較大，應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)中操作有失誤有關(guān)。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中將反應(yīng)的熱效應(yīng)近似為一常數(shù)，但實(shí)際上它的值是溫度的函數(shù)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度并不穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有變化，因此帶來(lái)一定誤差。
上述計(jì)算相對(duì)誤差的公式是假定在苯甲酸和茶都完全燃燒的條件下得出的，實(shí)際上僅用眼睛來(lái)觀察試樣燃燒后是否有殘余的黑渣存在而判斷撤燒完全與否是不準(zhǔn)確的，也是不科學(xué)的，因所謂完全燃燒是指碳元素生成二氧化碳、氫元素生成水，所以即是沒(méi)有碳渣，若是有一氧化碳生成也不為完全燃燒，這也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)難以估計(jì)的誤差，如果將燃燒后的殘氣用氣體分析儀分析一下，則這個(gè)誤差也是可估計(jì)的。
Ⅶ、思考題
1．固體樣品為什么要壓成片狀？
答：排除空氣等氣體雜質(zhì)的同時(shí)，節(jié)省了樣品在氧彈中所占體積，減小誤差；同時(shí)，壓片后的樣品燃燒會(huì)更充分，便于準(zhǔn)確秤樣，裝入氧彈時(shí)不易灑落；.便于與鐵絲接觸；便于鐵絲、樣品與正負(fù)極連接；便于燃燒完全。
2．在量熱學(xué)測(cè)定中，還有哪些情況可能需要用到雷諾溫度校正方法？
答: 在體系與周?chē)h(huán)境可能有熱交換的情況下都可能需要用到雷偌溫度校正方法。例如在測(cè)量中用到熱量
計(jì)或用到攪拌器等的情況下。
3．如何用萘的燃燒熱數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算萘的標(biāo)準(zhǔn)生成熱？
答: 因?yàn)椤鱢Hm=△rH反應(yīng)物-△rH生成物，所以求出萘在此溫度下的燃燒熱；再用公式△fH2=△fH1+Cp(T2-T1)求出萘的標(biāo)準(zhǔn)生成熱。
Ⅷ、參考資料
1．《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》（第三版）復(fù)旦大學(xué)等編P34-39；P186-188 2．《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》（第二版）復(fù)旦大學(xué)等編P43-47；P241-242
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