物化实验报告-燃烧热的测定

燃烧热的测定USTC摘要：本实验以苯甲酸为标准物质，标定出实验中所使用的氧弹卡计的热容，从而对萘的燃烧热进行测量和计算。关键词：苯甲酸萘燃烧热雷诺图校正前言燃烧热测定是物理化学的一个基础实验,也是科研和工业测定的一个重要手段。燃烧热能够为生产、生活燃料的选择提供一个很好的依据，科研工作者们也可以根据燃烧热寻找新的燃烧资源，为解决能源危机提供一个方法。热是一个很难测定的物理量，如何测定一种物质的燃烧热呢？注意到热量的传递往往表现为温度的改变。将不可直接测量的热转化为可测量的温度，是一个测定的思路。在实验中我们所用的恒温氧弹量热计(恒温氧弹卡计)就是这样一种仪器。为了测得恒容燃烧热，我们将反应置于一个恒容的氧弹中，为了燃烧完全，在氧弹内充入20个左右大气压的纯氧。先以标准物质测出体系的比热容，在测量待测物质的恒容热容，计算得到恒压热容。一、实验原理1.燃烧热的定义是：一摩尔的物质完全燃烧时所放出的热量。所谓完全燃烧，即组成反应物的各元素,在经过燃烧反应后，必须呈显本元素的最高化合价。如C经燃烧反应后，变成CO,不能认为是完全燃烧。只有在变成CO2时,方可认为是完全燃烧。同时还必须指出，反应物和生成物在指定的温度下都属于标准态。由热力学第一定律，恒容过程的热效应QV，即U。恒压过程的热效应QP，即H。它们之间的相互关系如下：QP=QV+n(RT)(1)或H=U+n(RT)(2)其中n为反前后气态物质的物质的量之差。R为气体常数。T本实验通过测定萘完全燃烧时的恒容燃烧热，然后再计算出萘的恒压燃烧HHTCPPr(3)式中的rCP是反应前后的恒压热容之差,它是温度的函数。一般说来，反应的热效应随温度的变化不是很大，在较小的温度范围内,我们可以认为它是一常数。为了确定量热卡计每升高一度所需要的热量，也就是量热计的热容，可用通电加热法或标准物质法。本实验用标准物质法来测量量热卡计的热容即确定仪器的水当量。这里所说的标准物质为苯甲酸，其恒容燃烧时放出的热量为26460J·g-1。实验中将苯甲酸压片准确称量并扣除Cu-Ni合金丝的质量后与该数值的乘积即为所用苯甲酸完全燃烧放出的热量。Cu-Ni合金丝燃烧时放出的热量及实验所用O2气中带有的N2气燃烧生成氮氧化物溶于水，所放出的热量的总和一并传给卡计使其温度升高。根据能量守恒原理，物质燃烧放出的热量全部被氧弹及周围的介质(本实验为3000毫升水)等所吸收，得到温度的变化为T，所以氧C卡QTmQlVTV29598..(4)式中：m为苯甲酸的质量(准确到110-5克)l为燃烧掉的Cu-Ni合金丝的长度(cm)2.9为每厘米Cu-Ni合金丝燃烧放出的热量单位（J·cm-1）V为滴定燃烧后氧弹内的洗涤液所用的0.1mol·dm-3的NaOH5.98为消耗1mL0.1mol·dm-3的NaOH所相当的热量(单位为J)。由于此项结果对QV的影响甚微，所以常省去不做。确定了仪器(含3000mL水)热容，我们便可根据公式(4)求出欲测物质的恒容燃烧热QV，即：QV(待测)=(C卡T-2.9l)/m(待测物质的质量)×M(5)然后根据公式(1)求得该物质的恒压燃烧热QP，即H。2.尽管在仪器上进行了各种改进，但在实验过程中仍不可避免环境与体系间的热量传递。这种传递使得我们不能准确地由温差测定仪上读出由于燃烧反应所引起的温升ΔT。而用雷诺作图法进行温度校正，能较好地解决这一问题。将燃烧前后所观察到的水温对时间作图，可联成FHIDG折线，如图4-1和图4-2所示。图4－1中H相当于开始燃烧之点。D为观察到的最高温度。在温度为室温处作平行于时间轴的JI线。它交折线FHIDG于I点。过I点作垂直于时间轴的ab线。然后将FH线外延交ab线于A点。将GD线外延,交ab线于C点。则AC两点间的距离即为T。图中AA′为开始燃烧到温度升至室温这一段时间t1内，由环境辐射进来以及搅拌所引进的能量而造成量热计的温度升高。它应予以扣除之。CC′为温度由室温升高到最高点D这一段时间t2内，量热计向环境辐射而造成本身温度的降低。它应予以补偿之。因此AC可较客观的反应出由于燃烧反应所引起量热计的温升。在某些情况下，量热计的绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器的功率较大，不断引进能量使得曲线不出现极高温度点，如图4-2，校正方法相似。图4-1绝热较差时的雷诺校正图图4-2绝热良好时的雷诺校正图必须注意，应用这种作图法进行校正时，卡计的温度与外界环境的温度不宜相差太大(最好不超过2-3℃)，否则会引入大的误差。二、实验介绍1、仪器、试剂仪器：①BH-Ⅱ型燃烧热数据采集接口装置南京南大万和有限公司；②HR-15B型氧弹式热量计南京大学应用物理研究所监制；③电子天平京制00000246号塞多利斯科学仪器有限公司；④769YP-15A粉末压片机天津市高新科技公司；⑤WLS立式充氧器南京大学应用物理研究所⑥自动定时排气钢瓶柜合肥虹钰科贸有限责任公司；⑦1000ml、2000ml容量瓶各一个；⑧钢尺一把；⑨塑胶杯若干；⑩万用表一个。试剂：苯甲酸（分析纯）批号T720110822国药集团化学试剂有限公司萘（分析纯）批号F20111025国药集团化学试剂有限公司2.实验装置4-3是实验室所用的氧弹量热计的整体装配图，图4-4是用来测量恒容燃烧的氧弹结构图。图4-5是实验充氧的示意图，下面分别作以介绍。图4-3氧弹卡计安装示意图图4-4氧弹的构造图4-3中，内筒C以内的部分为仪器的主体，即为本实验研究的体系，体系C与外界以空气层B绝热，下方有绝缘的垫片4架起，上方有绝热胶板5敷盖。为了减少对流和蒸发，减少热辐射及控制环境温度恒定，体系外围包有温度与体系相近的水套A。为了使体系温度很快达到均匀，还装有搅拌器2，由马达6带动。为了准确测量温度的变化，我们由精密的温差测定仪来实现。实验中把温差测定仪的热敏探头插入研究体系内，便可直接准确读出反应过程中每一时刻体系温度的相对值。样品燃烧的点火由一拨动开关接入一可调变压器来实现，设定电压在24V进行点火燃烧。图4-4是氧弹的构造。氧弹是用不锈钢制成的，主要部分有厚壁圆筒1、弹盖2和螺帽3紧密相连；在弹盖2上装有用来充入氧气的进气孔4、排气孔5和电极6，电极直通弹体内部，同时做为燃烧皿7的支架；为了将火焰反射向下而使弹体温度均匀，在另一电极8(同时也是进气管)的上方还有火焰遮板93、实验操作a.部分操作说明(1)样品压片：压片前先检查压片用钢模是否干净，否则应进行清洗并使其干燥，用台秤称0.8g苯甲酸，并用直尺准确量取长度为20cm左右的细Cu-Ni合金丝一根，准确称量并把其双折后在中间位置打环，置于压片机的底板压模上，装入压片机内，倒入预先粗称的苯甲酸样品，使样品粉末将合金丝环浸埋，用压片机螺杆徐徐旋紧，稍用力使样品压牢(注意用力均匀适中，压力太大易使合金丝压断，压力太小样品疏松，不易燃烧完全)，抽去模底的托板后，继续向下压，用干净滤纸接住样品，弹去周围的粉末，将样品置于称量瓶中，在(2)装置氧弹：拧开氧弹盖，将氧弹内壁擦干净，特别是电极下端的不锈钢接线柱更应擦干净。在氧弹中加1毫升蒸馏水。将样品片上的合金丝小心地绑牢于氧弹中两根电极8与10上(见图4-4氧弹剖面图)。旋紧氧弹盖，用万用电表检查两电极是否通路。若通路，则旋紧出气口5后即可充氧气。按图4-5所示，连接氧气钢瓶和氧气表，并将氧气表头的导管与氧弹的进气管接通，此时减压阀门2应逆时针旋松(即关紧)，打开氧气钢瓶上端氧气出口阀门1（总阀）观察表一的指示是否符合要求（至少在4MPa），然后缓缓旋紧减压阀门2(即渐渐打开)，使表2指针指在表压2MPa，氧气充入氧弹中。1-2min后旋松(即关闭)减压阀门2，关闭阀门1，再松开导气管，氧弹已充入约2MPa的氧气，可供燃烧之用。但是阀门2至阀门1之间尚有余气，因此要旋紧减压阀门2以放掉余气，再旋松阀门2，使钢瓶和氧气表头复原。图4-5氧弹充气示意图b：实验步骤按图将氧弹卡计及内筒，搅拌器装配好。(1)用1/10的水银温度计准确测量量热计恒温水套A（外套）的实际温度。(2)打开温差测定仪，让其预热，并将测温探头插入外套测温口中。(3)在水盆中放入自来水（约4000mL），用1/10的水银温度计测量水盆里的自来水温度，用加冰或加热水的方法调节水温低于外套温度1.5－2.0℃。(4)把充好氧气的氧弹放入已事先擦洗干净的内筒C中。用容量瓶准确量取3000ml已调好温度的水，置于内筒C中。(5)检查点火开关是否置于“关”的位置，插上点火电极，盖上绝热胶木板。(6)开启搅拌马达，调节温差测定仪设定旋纽，使温差测定仪上指示为1.000，此时对应的实际温度为外套温度。(7)迅速把测温探头置于内筒C上端的测温口中，观察温差测定仪的读数，一般应在0.000-0.500之间（太低或太高都要重新调节水温，以保证外套水温在燃烧升温曲线的中间位置）。报时器每半分钟响一次，响时即记录温差测定仪上温度的读数，至少读5-10min。(8)插好点火电源，将点火开关置于“开”的位置并立即拨回“关”的位置。在几十秒内温差测定仪的读数骤然升高，继续读取读数，直至读数平稳（约25个数，每半分钟一次。如果在1-2分钟内，温差测定仪的读数没有太大的变化，表示样品没有燃烧，这时应仔细检查）。停止记录，拔掉点火电源。取出氧弹，打开放气阀，排出废气，旋开氧弹盖，观察燃烧是否完全，如有黑色残渣，则证明燃烧不完全,实验需重新进行。如燃烧完全，量取剩余的铁丝长度，根据公式4-(4)计算C卡的值。如需精确测量，还需在装置氧弹时加1mL蒸馏水于氧弹内，燃烧后将弹体用蒸馏水清洗，用0.1mol·dm-3NaOH滴定之。4称取0.6克的萘，按上述操作步骤，压片、称重、燃烧等实验操作重复一次。测量萘的恒容燃烧热QV，并根据公式4-(1)计算QP，即为H，并与手册作比较,计算实验的相对误差。三、结果与讨论1.实验结果由实验记录的时间和相应的温度读数作苯甲酸和萘的雷诺温度校正图，准确求出二者的T。做出的图如图六、七：由此可得苯甲酸的温度变化为（1.472±0.01）℃，萘的温度变化为（1.408±0.01）℃。本实验所使用的Cu-Ni合金的线密度为0.9983mg/cm.苯甲酸的恒容燃烧热为26.460kJ/g.0500100015002000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Time/s(954.420,0.688)(954.420,0.686)(954.420,-0.789)(954.420,-0.786)DGCC'AA'HFTemperaturedifference/KThebenzoicacidRenaultcorrectionchart图六：苯甲酸燃烧热曲线雷诺校正图（右侧围局部放大图）0500100015002000-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8Time/s(954.420,0.688)(954.420,0.686)(954.420,-0.789)(954.420,-0.786)DGCC'AA'HFTemperaturedifference/KThebenzoicacidRenaultcorrectionchart图七：萘燃烧热曲线雷诺校正图（右侧围局部放大图）由实验的原始数据及已知合金密度可得下表：物质合金初始质量/g燃烧后剩余质量/g消耗合金的质量/g消耗合金的长度/cm压片后质量/g消耗物质的质量/g苯甲酸0.01720.00480.012412.420.83590.8187萘0.01230.00530.00707.010.52400.5117将数据带入公式可计算得到氧弹卡计的热容为（14.74±0.10）KJ/℃，从而得到萘的恒容热容为（5186.56±72.61）KJ/mol,进而得到恒压热容为（5191.46±72.61）KJ/mol.查阅文献得1atm,298k下，萘的恒压含变为-5153.8KJ/mol,实验值与标准