物化實(shí)驗(yàn)報(bào)告燃燒焓

1、燃燒焓的測(cè)定張磊楠 2008030054燃燒焓的測(cè)定姓名：張磊楠學(xué)號(hào)：2008030054班級(jí)：生 86同組實(shí)驗(yàn)者：石穿實(shí)驗(yàn)日期：2010 年 4 月 14 日提交報(bào)告日期：2010 年 4 月 15 日帶實(shí)驗(yàn)助教：江寅1引言1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 使用彈式量熱計(jì)測(cè)定萘的燃燒焓。2. 了解量熱計(jì)的原理和構(gòu)造，掌握其使用方法。3. 掌握熱敏電阻測(cè)溫的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。1.2實(shí)驗(yàn)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(guò)程中只做體積功而不做其它功時(shí)，化學(xué)反應(yīng)吸收或放出的熱量，稱為此過(guò)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(cè)量中，燃燒反應(yīng)常在恒容條件下進(jìn)行(如在彈式量熱計(jì)中進(jìn)行)，這樣直接測(cè)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(jì)量數(shù)。產(chǎn)物取正值，反

3、應(yīng)物取負(fù)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得 QV 值， 根據(jù)上式就可計(jì)算出 Qp，即燃燒焓的值 CHm。- 1 -燃燒焓的測(cè)定張磊楠 2008030054圖 1 氧彈的構(gòu)造測(cè)量熱效應(yīng)的儀器稱作量熱計(jì)，量熱計(jì)的種類很多，一般測(cè)量燃燒焓用彈式量熱計(jì)。本實(shí)驗(yàn)是用氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行萘的燃燒焓的測(cè)定，結(jié)構(gòu)如上圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)，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(cè)溫器件、攪拌器和水便近似了一個(gè)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(shí)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(cè)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(shí)，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(cè)燃燒物質(zhì)裝入氧彈時(shí)，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(kāi)關(guān)攪拌并實(shí)現(xiàn)燃燒點(diǎn)火，用熱敏電阻作為測(cè)溫元件，用電子自動(dòng)平衡儀連續(xù)內(nèi)桶水溫度的變化。當(dāng)溫度變化不大時(shí)，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(shí)，電橋的不平衡電勢(shì) 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(jì)算出摩爾燃燒內(nèi)能變。2實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)儀器及藥品實(shí)驗(yàn)儀器：GR3500 型彈式量熱計(jì) 1 套；熱敏電阻

6、1 支（約 2k）；大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)接口：溫度計(jì) 1- 2 -燃燒焓的測(cè)定張磊楠 2008030054支：2000ml，1000ml 容量瓶各 1 個(gè)；3000ml 裝水盆 1 個(gè)；鑷子 1 把，壓片機(jī)、鎳絲、棉線、萬(wàn)用表、臺(tái)秤、分析天平、剪刀、尺子、氧氣瓶公用。實(shí)驗(yàn)藥品：分析純的苯甲酸和萘。2.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)2.2.1 樣品準(zhǔn)備在臺(tái)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(wàn)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(kāi)量熱儀電源，開(kāi)動(dòng)攪拌器，接下導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(dòng)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(shí)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(kāi)彈蓋，檢查樣品是否燃燒完全，若有黑色物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)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(cè)量未知樣品外水套溫度。在臺(tái)秤上面稱取約 0.6g 萘，重復(fù)以上操作。2.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束整理儀器，用計(jì)算機(jī)擬合數(shù)據(jù)線并求出萘的燃燒焓，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。2.2.6 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1稱取樣品不可過(guò)量，否則會(huì)升溫過(guò)高，信號(hào)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(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)表 1實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)被測(cè)項(xiàng)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(cè)物量峰高h(yuǎn)（mV）- 3 -燃燒焓的測(cè)定張磊楠 20080300543.2計(jì)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(cè)樣品的摩爾質(zhì)量，點(diǎn)擊，選擇并打開(kāi)文件，交替移動(dòng)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(dòng)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(dòng)光標(biāo)移動(dòng)到外套水溫曲線位置，點(diǎn)擊，移動(dòng)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(dòng)光標(biāo)重新擬合。確定后，點(diǎn)擊，峰高值就會(huì)值。兩條曲線都處理完成后，點(diǎn)擊，就可以得到被測(cè)樣品的燃燒焓圖 2 苯甲酸處理曲線圖- 4 -計(jì)算處理提交刷新計(jì)算H線性擬合 3線性擬合 1線性擬合 2燃燒焓測(cè)定打開(kāi)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)燃燒焓的測(cè)定張磊楠2008030054圖 3 萘處理曲線圖用計(jì)算機(jī)計(jì)算出萘的燃燒焓為-5218.7002 KJ/mol接下來(lái)用公式（3）及修正公式（1）計(jì)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(hào)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(duì)于被測(cè)樣品萘，（3）等號(hào)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(jì)算機(jī)結(jié)果基本一致。- 5 -燃燒焓的測(cè)定張磊楠 20080300543.33.3.1 與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比計(jì)算相對(duì)誤差萘的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓約為-5153.8KJ/mol，計(jì)算相對(duì)誤差得：| -5153.8-（-5218.7）|/|-5153.8|=1.26%3.3.2 誤差分析本次實(shí)驗(yàn)在多個(gè)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(lái)自樣品燃燒過(guò)程中量熱計(jì)本身并不

13、能保證絕熱，只能保證等容。因此，實(shí)測(cè)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?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用雷諾作圖法校正溫度變化值，將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的體系溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)作圖，得曲線 CAMBD（見(jiàn)下圖）在樣品燃燒之前，由于體系被攪動(dòng)做功和微弱吸熱（環(huán)境比體系溫度高）體系溫度隨時(shí)間微弱升高，見(jiàn) CA 線段，A 點(diǎn)為樣品點(diǎn)火時(shí)體系的溫度，點(diǎn)火時(shí)，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(jiàn) AB 線段，隨后由于體系微弱放熱（此時(shí)體系比環(huán)境溫度高），溫度隨時(shí)間微弱下降，見(jiàn)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(guò) M

14、 點(diǎn)作垂線 ab，然后將 CA 線和 DB 線外延長(zhǎng)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(yàn)中量熱計(jì)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(shí)間推移 BD 接近直線，如圖中右邊一幅所示，這時(shí)仍可按相同原理校正。本試驗(yàn)依靠上圖中的那些線相對(duì)位置的差值來(lái)測(cè)量計(jì)算峰值，而且沒(méi)有像上面所說(shuō)的用中點(diǎn)來(lái)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?yàn)槲覀冋J(rèn)為環(huán)境溫度是相對(duì)穩(wěn)定的，所以用它作為參考的量將使實(shí)驗(yàn)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(duì)純凈，內(nèi)部會(huì)有空氣（主要成分為氮?dú)猓┐嬖?，在樣品燃燒時(shí)氮?dú)鈱⑿纬上跛幔粯悠啡紵耆髮⑹Ｓ噫嚱z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?cè)谧鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，感覺(jué)最費(fèi)時(shí)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(huì)導(dǎo)致水溫變化很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)間段，攪拌裝置并不能試水溫在整個(gè)系統(tǒng)很快平衡，所以散熱比較多，另外儀器的攪動(dòng)生熱也會(huì)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(jì)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(lái)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(cè)定張磊楠 20080300544結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)，賀德華，麻英，張連慶，高等教育6 思考題6.1 本實(shí)驗(yàn)中如何考慮系統(tǒng)與環(huán)境？系統(tǒng)和環(huán)境通過(guò)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(yàn)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(guò)程中理論上絕熱恒容。通過(guò)導(dǎo)熱進(jìn)行熱交換，難以校正。6.2 使用氧氣時(shí)要注意哪些問(wèn)題？答：先將藥片上的鎳絲緊栓在氧彈的兩根電級(jí)上，用萬(wàn)用表檢查是否通路，旋緊彈蓋，使用氧氣時(shí)， 要擰緊蓋子和氣閥，防止漏氣。充氣時(shí)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(shí)， 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(guò)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(guò)快或過(guò)慢有何問(wèn)題？答：攪拌過(guò)快會(huì)引起溫度升高，使得溫度不穩(wěn)；攪拌過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致各部分傳熱不均，不能很好的恒溫。6.4