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。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能變化（U）。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（H）。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，則有下列關系式： DcHm = QpQv nRT 

2、       （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（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

3、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，而必須經過作圖法進行校正。放出熱(樣品+點火絲)吸收熱 (水、氧彈、量熱計、溫度計)量熱原理能量守恒定律在盛有定水的容器中，樣品物質的量為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: （2）式中，Qvm為樣品的恒容摩爾

4、燃燒熱(J·mol-1)；n為樣品的摩爾數（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 氧彈量熱計構造示意圖圖 2 氧彈構造示意圖 1、氧彈 1厚壁圓筒；2彈蓋2、內水桶（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，必須經過合理的雷諾校正才能得到準確的溫差變化。（2）多數物質不能自燃，如本實驗所用萘，必須借助電流引燃點火絲，再引起萘

5、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）： （3）式中：m點火絲為點火絲的質量，Q點火絲為點火絲的燃燒熱，為-6694.4 J / 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(如本實驗用苯甲酸)，放在量熱計中燃燒，測其始、末溫度，經雷諾校正后，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讀數對時間作圖，聯(lián)成FHDG線如圖-1-2。圖中H相當于開始燃燒之點，D點為觀察到最高溫度讀數點，將H所對應的溫度T1，D所對應的溫度T2，計算其平均溫度，過點作橫坐標的平行線，交

6、FHDG線于一點，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點所表示的溫度差即為欲求溫度的升高DT。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，如圖2-1-3，這種情況下DT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)；數字式貝

7、克曼溫度計(一臺)；0100溫度計(一支)；萬用電表（一個）；扳手（一把）； 藥品：萘（A .R）；苯甲酸（A.R或燃燒熱專用）；鐵絲（10cm長）；【實驗步驟】一、量熱計常數K的測定。1、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質量棉線，稱取潔凈坩堝放置樣片前后質量W1和W2 。2、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質量棉線，稱取潔凈坩堝放置樣片前后質量W1和W2 。3、把盛有苯甲酸片的坩堝放于氧彈內的坩堝架上，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、插入數顯貝克曼溫度計的溫度探頭。8、接好電路，計

8、時開關指向“1分”，點火開關到向“振動”，開啟電源。約10min后，若溫度變化均勻，開始讀取溫度。讀數前5s振動器自動振動，兩次振動間隔1min，每次振動結束讀數。9、在第10min讀數后按下“點火”開關，同時將計時開關倒向“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，在記錄溫度讀數至少10min，關閉電源。先取出貝克曼溫度計，再取氧彈，旋松放氣口排除廢氣。11、稱量剩余點火絲質量。清洗氧彈內部及坩堝。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

9、燒過程中溫度隨時間變化的數據?！咀⒁馐马棥繛楸苊飧g，必須清洗氧彈點火成敗是實驗關鍵。應仔細安裝點火絲和坩堝。點火絲不應與彈體內壁接觸，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?！疚墨I值】恒壓燃燒熱 kcal/mol kJ/mol J/g測定條件  苯甲酸   -771.24 -3226.9 -26410p,25    萘   -1231.8 -5153.8 -40205p,25Cp，m（H2Ol） 75.291 J/molKCp，m（CO2g） 37.11 J/molKCp，m（O2g） 29.36 J/molKCp，m

10、（苯甲酸s）146.8 J/molKCp，m（萘s） 165.7 J/molK【實驗數據與處理】實驗原始數據第一組測定的數據：苯甲酸點火絲：0.0121g苯甲酸+點火絲（精測）：1.5072g點火后剩余：0.0040g苯甲酸凈含量：1.4951g點火絲消耗質量：8.1×10-3 g時間/t(60s每次)溫度/T()時間/t(15s每次)溫度/T()時間/t(15s每次)溫度/T()17.871810.0922610.55027.874910.1612710.55737.8751010.2202810.56447.8771110.2682910.57057.8801210.306301

11、0.57467.8821310.3403110.57977.8851410.368時間/t(60s每次）溫度/T()87.8861510.394110.58397.8901610.418210.600107.8911710.439310.608時間/t(15s每次)溫度/T（）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

12、的數據：苯甲酸點火絲：0.0120g苯甲酸+點火絲（精測）：1.2750g點火后剩余：0.0088g苯甲酸凈含量：1.2630g點火絲消耗質量：3.2×10-3g時間/t(60s每次)溫度/T()時間/t(30s每次溫度/T()時間/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時間/t(60s每次)溫度/T(78.1691410.274110.46188.16

13、41510.292210.46798.1671610.311310.472108.1701710.328410.474時間/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第三組測定的數據：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點火絲消耗質量：7.9

14、×10-3 g時間/t(60s每次)溫度/T()時間/t(30s每次溫度/T()時間/t(30s每次)溫度/T()18.100810.3582610.84028.105910.4352710.84638.1091010.4942810.85048.1131110.5412910.85458.1151210.580時間/t(60s每次)溫度/T(68.1191310.615110.86578.1211410.643210.87288.1241510.669310.87798.1271610.691410.878108.1301710.713510.878時間/t(15s每次)溫度/T(

15、)1810.747610.87918.4351910.762710.87728.8452010.77481087539.2362110.78749.5712210.790 59.9682310.807610.1192410.823710.2592510.829 實驗數據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：根據基爾霍夫定律：Cp，m 7×Cp，m（CO2,g）3×Cp，m（H2O,l）Cp，m（苯甲酸,s）Cp，m（O2,g）154.6805 J/molK 當室溫為26.0 時苯甲酸的燃燒焓為：cHm（26.0）c

16、Hm（25.0）+Cp×T -3226.9154.6805×(26.0-25.0)×10-3 -3225.84 kJ/mol則：苯甲酸的恒容摩爾燃燒熱為：QV cUmcHm RTBVB(g) -3225.848.314×299.15×(77.5) ×10-3 -3224.6 kJ/mol又：nQV-CT -QV點火線·m點火線（）苯甲酸燃燒的數據處理：QV點火絲·m點火絲 -6694.4×10-3×3.7×10-3 -0.02477 kJ15.517 kJ/（）苯甲酸燃燒的數據處理：Q

17、V點火絲·m點火絲 -6694.4×10-3×9×10-4 -6.025×10-3 kJ15.866 kJ/（）兩次實驗所得水當量的平均值為：=(15.51715.866）÷215.692 kJ/計算萘的恒容摩爾燃燒熱QV，m根據公式：nQV-CT -QV點火線·m點火線則：（）萘燃燒的數據處理：QV點火絲·m點火絲 -6694.4×10-3×5.4×10-3 -0.03615 kJQV，m（-CT -QV點火線·m點火線）/n5217.9 kJ/mol（）萘燃燒的數據處理：

18、QV點火絲·m點火絲 -6694.4×10-3×1.7×10-3 -0.01138 kJQV，m（-CT -QV點火線·m點火線）/n5178 kJ/mol（）萘的恒容摩爾燃燒熱平均值為(5217.95178) ÷25197.5 kJ/mol求萘的恒壓摩爾燃燒熱Qp，m（即cHm）萘燃燒的化學方程式為： ，根據基爾霍夫定律：Cp，m 10×Cp，m（CO2,g）4×Cp，m（H2O,l）Cp，m（萘,s）12Cp，m（O2,g）154.304 J/molK26.0 時萘的燃燒焓為：cHm （26.0）cUm RTB

19、VB(g) 5206.638.314×299.15×（2）×10-3 5211.604 kJ/mol由基爾霍夫定律將cHm （T）換成cHm （298.15K），并與文獻比較cHm（25.0）cHm（26.0）Cp×T 5211.604154.304×(25.026.0) ×10-3 5211.758 kJ/mol 相對誤差：=1.12%【實驗結果與討論】實驗求得萘的燃燒熱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恋娜紵手涤绊懞苄?，實驗結果較為準確。產生誤

20、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，切線擬合的結果對T的影響很大，此次實驗結果很大程度上取決于這一步數據處理。在實驗進行過程中，夾套水溫也不可能恒定，這會對T的求算造成影響。但是夾套中水很多，且為了調零水溫只比夾套水溫1K左右，所以此誤差可以忽略，這也是步驟中調整水溫的原因。萘為易揮發(fā)性物質，壓片稱量后應該迅速放入氧彈中，以免因揮發(fā)而損失過多的質量，給實驗帶來誤差，使實驗結果偏大。氧彈內可能存在少量空氣，空氣中N2的氧化會產生熱效應。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3000

21、mL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桶的水溫，且總的波動不超過3，所以水溫的改變會對實驗結果造成較大影響。 熱量交換很難測量，溫度或溫度變化卻很容易測量。本實驗中采用標準物質標定法，根據能量守恒原理，標準物質苯甲酸燃燒放出的熱量全部被氧彈及周圍的介質等吸收，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)境的材質有關；與體系、環(huán)境的接觸界面積大小有關；與體系、環(huán)境的溫差有關，所以要定量準確地測量

22、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“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。【實驗評注與拓展】（1）實驗關鍵：點火成功、試樣完全燃燒是實驗成敗關鍵，可以考慮以下幾項技術措施：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

23、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) 氧彈內預滴幾滴水，使氧彈為水汽飽和，燃燒后氣態(tài)水易凝結為液態(tài)水。試樣在氧彈中燃燒產生的壓力可達14MPa，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

24、干燥。恒溫外套（即外筒）內的水，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，可用少量的甘油。(3)儀器應置放在不受陽光直射的單獨一間試驗室內進行工作。室內溫度和濕度應盡可能變化小。最適宜的溫度是20±5。每次測定時室溫變化不得大于1。因此。室內禁止使用各種熱源，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。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值，實際已轉換為溫度 (數顯溫度計) 的儀器，能自動記錄溫度，精密度可達10-410-5K。國產型號為半自動HR15A(B)數顯微機型或WHR15全自動微機型氧彈式熱量計。進入了全面啟用電腦處理數據的新時代。(5)苯甲酸和萘燃燒產物的熱容差別因為產物量小而儀器熱容的基數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