1-燃烧热的测定解析

物理化学实验研究方法之燃烧热测定1.实验目的2.实验原理3.仪器、装置与试剂4.实验步骤5.实验数据处理6.实验结果讨论提纲前言化学热力学数据是用于判断化学反应进行的方向、限度、能量转换行为的基础。获得热力学数据常用方法包括热化学方法（如：量热）、平衡常数法、电化学方法。本实验项目探索用氧弹式量热计测定反应热效应的原理和方法。1.实验目的1）.明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热和恒容燃烧热的差别。2）.了解量热计中主要部分的作用，掌握氧弹量热计的实验技术。3）.学会雷诺图解法校正温度改变值。4）.用氧弹量热计测定萘的燃烧热。准确测定反应过程的温度变化值T获得恒容热QV和恒压热QPmrHUmr和进一步获得2.实验原理物质的燃烧热是指1mol物质完全燃烧时的热效应，燃烧热测量实验所遵循的原理是能量守恒定律。在恒容条件下所测得的燃烧热称为恒容燃烧热QV，若把参加反应的气体视为理想气体，则恒容燃烧热QV与恒压热效应Qp的关系为：Qp=QV+RTΔn（1）式中Δn为反应前后气体物质的摩尔量差值由式(1)还可以导出物质的摩尔恒压燃烧热(焓)：因为QV,m=QV/ξ=ΔcUm，所以：ΔcHm=ΔcUm+RT∑νB(g)（2）本实验是将一定量的待测样品(B)在氧弹中完全燃烧，所放出的热量使热量计的温度升高，通过测定燃烧前后此温度的变化值TB，可以求算该样品的恒容燃烧热QV值。燃烧热QV值与热量计的温度升高值的关系为：QV+q=WΔTB(3)式中W为热量计的热容，也称为水当量，是热量计（包括其中的水）升高一度时所吸收的热量；q为非样品物质的燃烧热，包括点火丝被燃烧部分放出的热和氧弹内所含的N2气燃烧所放出的热。ΔTB=ΔT读+ΔT校2.实验原理在式ΔTB=ΔT读+ΔT校中，ΔT读：量热计在测试主期内读到的表观温度变化值ΔT校为对量热计在测试主期内与环境之间发生热交换而导致的温度变化所做的温度校正。ΔT校的计算方法有经验公式(奔特公式)计算法或雷诺图的图解法。对于确定的量热计，其水当量W是确定的，即：（4）通常用已知燃烧热的物质(称为标准物质)来标定热量计的水当量W，一般采用高纯度的苯甲酸，苯甲酸的燃烧热qV=26480.5J·g-1，m1为标定水当量时所用标准物质的质量，m2为待测样品的质量，M2为待测样品的摩尔质量；B,22m,22B,111)()()(校校TTqQMmTTqqmWVV2.实验原理211B,1B,222m,)()()(qqqmTTTTmMQVV校校2.实验原理由（4）得到：非样品物质：点火丝和氧弹中N2.本实验采用的Ni-Cr点火丝的燃烧热为8.37J·cm-1因此，q1=8.37×l1(J)，l1为标定水当量时燃烧掉的点火丝的长度(cm)，q2=8.37×l2(J)，l2为测定样品燃烧热时燃烧掉的点火丝的长度(cm)实际上，非样品物质的燃烧热q值在本实验中所占份额一般不会超过2‰。N2燃烧产生的HNO3量可以预先在氧弹中加5mlH2O收集，测量。1）.试剂压成片状的苯甲酸(AR)，每片约1.0~1.2克；压成片状的萘(AR)，每片约0.8~1.0克。2）.仪器与装置气压计一台(公用)；装有减压阀的纯氧气钢瓶一个(公用)；电子天平一台(公用)；压片机一台(公用)；酸洗石棉若干；不锈钢坩埚二个；Ni-Cr点火丝；热量计一台；多功能控制箱一台；氧弹一套。3.仪器、装置与试剂图1氧弹热量计安装示意图图2氧弹剖面图3.仪器、装置与试剂图1量热计剖面示意图图2全自动及半自动单头氧弹剖面示意图3.仪器、装置与试剂1.苯甲酸燃烧热的测定(1)样品制作：称重和压片(2)装置氧弹(3)充气(4)燃烧2.萘的燃烧热测定(5)测量温度4.实验步骤重复上述过程1）.苯甲酸必须经过干燥，受潮样品不易点燃且称量有误。压片时，不能太紧，否则不易点燃；也不宜太松，否则样品脱落，秤量不准。2）.氧气遇油脂会爆炸。因此氧气减压阀、氧弹以及氧气通过的各部件、各连接部分不允许有油污，更不许使用润滑油。3）.电极切勿与燃烧皿接触，燃烧丝与燃烧皿亦不能相碰，以免引起短路。4）.氧弹放入内桶中后如有气泡，说明氧弹漏气，应设法排除故障。5）.进行萘的燃烧热测量时需要重新调节水温和量取水的体积。注意事项（1）.制样就是将粉状试样压片成型。取约1克左右的粉状试样装入压片机内，将粉状试样压紧制成块状(苯甲酸和奈要分别压制)。注意：试样应进行磨细、烘干、干燥器恒重等前处理，潮湿样品不易燃烧且有误差。对压片紧实度的要求是：试样块的表面有较细密的光洁度，棱角无粗粒，以保证其易燃，又不至于引起爆炸性燃烧而残剩黑糊等状。4.实验步骤4.实验步骤（2）.量热计水当量标定称样取一块苯甲酸试样，用电子天平准确称量出其重量；装样将氧弹盖子放在装样支架上，使氧弹盖子底部连接的环形支架的点火电极杆能垂直悬空放置平稳；再将经称重的苯甲酸试样放入一个内部垫有酸洗石棉的坩埚，并将该坩埚放入氧弹盖子底部连接的环形支架中；取一段长度约15cm(要准确测量其长度)的点火丝对折成V字形(不能折断)，将V字形点火丝的尖端顶在试样上，开口的两端分别缠绕在两个点火电极杆上。然后水平晃动装样支架，检查点火丝的尖端是否仍顶在试样上，并用万用电表检查两电极是否通路；注意：点火丝要紧贴电极缠绕，以减少点火电路的电阻，且点火丝不能与坩埚壁触碰，以免发生短路。氧弹充氧在氧弹内加入10mL蒸馏水后，将装好样的氧弹盖子盖在氧弹上并旋紧，再将氧弹的充放气口与氧气钢瓶导管连接好；打开气瓶开关，待指示气瓶内压力的气压表指针稳定后，缓慢打开减压阀门至指示减压阀出口压力的气压表显示压力为1.5MPa左右，在此压力下充气至听不到充气的声音(约0.5~1分钟)，关闭减压阀门，再从氧弹的充放气口上卸下氧气钢瓶导管；最后并用万用电表检查两电极是否通路，若不同，则要放出氧弹内的气体，打开氧弹检查问题所在，改正后重新充氧。注意：开关氧气瓶阀门时人应站在气瓶出口的侧面，以免发生意外时，冲出的气压表等物体伤人。4.实验步骤氧气钢瓶高压表低压表总阀门低压表调节螺杆4.实验步骤氧弹放置将氧弹放入量热计内桶，并调整氧弹的位置，使之不会与搅拌桨相碰，再用容量瓶向量热计内桶灌入1500mL自来水；盖好量热计的盖子，连接点火电极与电源之间的线路和量热计电源线路；注意：向量热计灌水时要缓慢，防止水外溅；放置氧弹时，手不能浸入水中，以免带出水使量热计内水量不准确，而影响量热计的水当量值。4.实验步骤温度测量开启量热计的搅拌和数字贝克曼温度计的电源，并开始定时(每0.5分钟读数一次)记录量热计的温度值。整个实验温度测量分为初期、主期和末期三段，初期和末期读数时间不少于5分钟。初期温度从0时刻开始记录，初期的最后一个温度读数同时开启点火开关进行点火；此时进入主期(即初期的最后一个温度就是主期0时刻的温度)，燃烧放热，量热计内温度会迅速升高，待温度开始出现下降，温度测量进入末期(即主期的最高温度就是主期的最后一个温度，也是末期0时刻的温度)，末期测量完毕后关闭量热计的搅拌和数字贝克曼温度计的电源。注意：数字贝克曼温度计要设置在温差档；点火时间要短促，即点火开关开启后要立刻关闭；开启搅拌时要注意别误开点火开关。4.实验步骤放气及非样品物质燃烧热数据采集从量热计中取出氧弹，先放出氧弹内的气体，再打开氧弹的盖子，观察样品燃烧是否完全(若坩埚内残留物为黑糊状或灰白相间的絮状物，则为燃烧不完全)；将残留在电极杆上的燃烧丝取下，准确测量出其长度；用150~200mL蒸馏水涮洗氧弹内壁，涮洗液倒入一烧杯中即收集得硝酸液量；烧杯加盖煮沸5分钟，加2滴酚酞，以浓度为0.1mol·L-1的NaOH标准溶液滴至粉红色，记下NaOH标准溶液用量(每mL的NaOH标准溶液相当于生成硝酸时放出的热量为5.98J)。4.实验步骤至此，水当量标定实验结束。擦净氧弹内外表面及弹盖；倒掉热量计内桶中的水，并擦干内桶壁，准备下一步实验。3）.奈的燃烧热测量操作步骤与水当量标定的步骤一样，只是试样换为奈。4）.记录实验当日的室温及大气压本实验未向量热计外筒内灌水，即量热计的隔热层内介质采用的是空气，而不是水，所以可将量热计外筒内空气温度视为与室温一致。4.实验步骤5.实验数据处理实验数据记录室温：15.2℃；大气压：p大=101.13kPa；样品称量：苯甲酸(A.R)m1=1.228g，奈(A.R)m2=0.901g；点火丝：l1,0=8.40cm，l2,0=9.10cm；残丝：l1’=3.62cm，l2’=2.95cm；仪器名称及型号：RH-15型氧弹式热量计；RH-15B型热量计多功能控制箱；DYM3型空盒气压表温度测量记录数据列于下表。序号时间/min苯甲酸奈初期温度主期温度末期温度初期温度主期温度末期温度107.4517.4659.7008.4858.50910.52220.57.4548.0439.7008.4878.89210.521317.4558.8629.7008.4919.57810.52141.57.4569.2289.7018.4959.99210.52152.07.4589.3769.7018.49710.17710.52162.57.4599.3769.7008.50010.28310.52073.07.4619.4659.7008.50210.34610.52083.57.4629.5269.7008.50410.38910.52094.07.4639.5729.6998.50610.42110.519104.57.4649.6059.6988.50710.45510.519115.07.4659.6289.6978.50910.46310.519125.59.64710.477136.09.66010.488146.59.67210.496157.09.68010.502167.59.68610.507178.09.69010.511188.59.69410.514199.09.69710.516209.59.69810.5182110.09.70010.5192210.510.5202311.010.5212411.510.5212512.010.522表1燃烧热实验原始数据记录表5.1.经验公式计算校正温度奔特校正经验公式为：ΔT校=r×v2+n×(v1+v2)/2式中v1为初期温度变化率；v2为末期温度变化率；r为在主期中每半分钟升温幅度小于0.3度的间隔数；n为在主期中没半分钟升温幅度大于0.3度的间隔数，且点火后的第一个温度间隔必须计入n中。5.1.1苯甲酸燃烧实验温度校正由原始数据知：r=17，n=3，ΔT1=9.700-7.465=2.235Kv1=(T0–T11)初/10=(7.451–7.465)/10=-0.0014v2=(T0–T11)末/10=(9.700–9.697)/10=0.0003则ΔT校,1=17×0.0003+3×(0.0003-0.0014)/2=0.00345K5.实验数据处理5.1.2奈燃烧实验温度校正由原始数据知：r=21，n=3，ΔT2=10.522-8.509=2.013Kv1=(T0–T11)初/10=(8.485–8.509)/10=-0.0024v2=(T0–T11)末/10=(10.522–10.519)/10=0.0003则ΔT校,2=21×0.0003+3×(0.0003-0.0024)/2=0.00365K5.1.3非样品燃烧热值计算忽略N2燃烧生成硝酸的燃烧热值，只计算燃烧丝的燃烧热值⑴苯甲酸燃烧实验q1=8.37×(8.40-3.62)=40.009J⑵奈燃烧实验q2=8.37×(9.10-2.95)=51.476J5.实验数据处理5.1.4燃烧热计算⑴恒容燃烧热⑵恒压燃烧热室温下奈的燃烧反应为C10H8(s)+12O2(g)==10CO2(g)+4H2O(l)故ΔcHm=ΔcUm+RT∑νB(g)=-4194.85+8.314