实验二燃烧焓的测定.doc

实验二 燃烧焓的测定一、目的要求1. 学会用氧弹热量计测定萘的燃烧焓。2. 了解氧弹热量计的原理、构造及使用方法。3. 进一步明确恒容燃烧焓与恒压燃烧焓之间的区别和联系。4. 学会雷诺图解法，校正温度改变值。二、实验原理1.摩尔物质完全氧化时产生的焓称为燃烧焓。所谓完全氧化是指C变为CO2(气)，H变为H2O(液)，S变为SO2(气)，N变为N2(气)，金属如银等都成为游离状态。通常测定物质的燃烧焓，是用氧弹热量计，样品完全燃烧所释放的能量使得氧弹本身及其周围的介质和热量计有关的附近的温度升高，但整个量热计(连同样品、助燃物、水、气、弹体、搅拌物等)可以看作是等容绝热系统，其热力学能变 U0。U由4个部分组成：样品在氧弹中等容燃烧产生的U1，引燃物质燃烧产生的U2，微量氮气氧化形成硝酸的能变U3(极少，可忽略)，量热计自身的能变U4。于是U U1U2U3U40，该式还可写成如下更实用的式子，即 W样Qv/M+(lQ镍丝+mQ棉纱)+0+(W水C水+C计)T(1)式中W样和M分别为样品的质量和摩尔质量，Qv为样品的恒容摩尔燃烧焓；l和Q镍丝是引燃用的镍丝的长度和单位长度的燃烧焓；m和Q棉纱是助燃又绝缘用的棉纱的质量和单位质量的燃烧焓；W水和C水是以水作为测量介质时，水的质量和热容；C计称为热量计的水当量，即除水之外，热量计升高1所需的热量。 为样品燃烧前后水温的变化值。测量介质在燃烧前后温度的变化值 ，就可计算出该样品的恒容燃烧焓。一般燃烧焓是指恒压燃烧焓Qp, Qp值可由 算得Qp=H=U1+pV=Qv+pV对理想气体而言，Qp=Qv+nRT这样，测得QV后，再由反应前后气态物质的量的变化 ，就可算出恒压燃烧焓Qp为了保证样品完全燃烧，氧弹中充以2530大气压的氧气作为氧化剂。氧弹放置在装有2000ml水的不锈钢水桶中，水桶外是空气隔热层，再外面是温度恒定的水夹套，样品在氧弹中进行燃烧(见图22和23)。但是，要使体系完全绝热还无法办到，环境和体系间总会有一定的热交换，因此，实测的温度变化值与恒容完全绝热体系的温度变化T存在偏差，必须加以校正。可采用雷诺作图法校正温度变化值，将实验测量的体系温度与时间数据作图，得曲线CAMBD，见图21(a)，在样品燃烧之前，由于体系被搅动做功和微弱吸热(环境比体系温度高)体系温度随时间微弱升高，见CA线段，A点为样品点火时体系的温度，点火时，样品燃烧放出的热量使体系温度升高，达到最高点B，见AB线段，随后由于体系微弱放热(此时体系比环境温度高)，温度随时间微弱下降，见线段BD。取A、B两点之间垂直于横坐标的距离的中点O作平行于横坐标的直线交曲线于M点，通过M点作垂线ab，然后将CA线和DB线外延长交ab线于E和F两点。则F点与E点的温差即为校正后的温度升高值T。图21(a)绝热较差时的雷诺图 图21(b)绝热良好时的雷诺图有时量热计绝热情况良好，热漏小，但由于搅拌不断引进少量能量，使燃烧后最高点不出现，如图图21(b)所示，这时仍可按相同原理校正。三、仪器和试剂氧弹热量计1台套；氧气钢瓶1个(附减压阀和充气皿)；苯甲酸(标准物质)；萘；2000ml容量瓶；引燃镍丝；压片机；剪刀。四、实验步骤1.热量计水当量的测定每套量热计的热容不一样，需用定量的、已知燃烧热的标准物质完全燃烧来测定，一般用苯甲酸。仪器的热容常用水当量表示。所谓水当量，就是除水之外，热量计升高1所需的热量，相当于吸收同样热量用水的质量表示仪器的热容。例如，使仪器升高1，需热1903J, 则该仪器的水当量为1903J / K。(1)压片：先用一张专用纸在小台秤上粗称已烘好的苯甲酸1克左右，倒入压片机的成型孔中，用压片机按压、掉头翻挤出圆片。将苯甲酸圆片在干净的玻璃板或专用纸上轻击二、三次，以脱落掉粉尘，再用分析天平精确称量至0.0001克。(2)装样、接装点火丝：拧开氧弹盖，将盖放在专用架上，装好专用的石英小皿或不锈钢小皿，将垫有一小条单层脱酯棉纱的样品放入杯中。剪取一段912cm长的引燃镍丝(点火电流大点火丝就要求长些，点火电流小点火丝就需短些)，在直径约3mm的玻璃棒上，将中段绕成螺旋形约5-6圈，将螺旋部分紧贴在样品的表面上，绕接固定在电极上(有的氧弹罐是用挂接柱代替电极)，两端如图22所示。绕接时除两端接触外，其余部分不能碰不锈钢体，否则通电易短路。再用那棉纱条适当包裹一下(棉纱既可助燃也可以作为绝缘物杜绝短路)，用万用电表检查两电极间电阻值，一般应不大于25。旋紧氧弹盖。图22氧弹构造图(3) 充氧气：先调氧气钢瓶输出阀的压力(已由老师调好)，将充氧皿气头按进氧弹罐的进气柱上，再试提一下是否紧凑，如牢固，旋开充氧旋钮充氧，在2.83.0MPa之间停顿10秒钟即充好了氧。注意充氧时左手扶氧弹罐，右手扶充氧皿。关闭充氧旋钮，取下冲氧皿。用万用表检查氧弹上导电的两极是否通路，若不通，则需放出氧气，打开弹盖进行检查。(4) 灌水试温、调温：往热量计水夹套中装自来水(一般里面已装有陈水)，用容量瓶准确量取2000ml低于外桶水温1. 01.4的水(一般取自来水，高了就加冰调，加入的冰的质量要算进2000克的水中)，装入干净的不锈钢内桶中，然后把氧弹罐放入该内桶中央，装好搅拌马达，在两极的外接柱上插上点火导线头，方法是红柱头插在第二大的外接柱上(阳极)，黑柱头插在第一大的外接柱上(即刚才冲过氧的柱头)。认清方位盖好盖子，插好贝克曼温度计的感温探头。图23 氧弹式量热计外形示意图(5) 测量读数: 开动搅拌器，开始每隔一分钟读取一次温度，待温度变化基本稳定后，再开始测内桶初期温度十个值，每隔1分钟读一次；在第十个值读数刚刚完毕之际，立即按住点火键且另一只手迅速将电流旋钮从最小处旋至次大或最大处-时间为12秒，不要太快，然后松开手(指示灯熄灭表示着火)，马上按下时间转换读数键，改为每半分钟读一次，测读主期温度2024个值(这20来个值读完后温度可能会掉头下降，也可能不降)；最后再转换读数时间测末期温度，读十个值，每分钟一次。而后停止实验。本步骤可使用温差读数记录软件用微机读数。停止实验的顺序是，先关搅拌，再关电源，取外层木胶盖，从内桶中将感温探头取出放入外桶，取出氧弹罐，用特用扳手旋松最小的那个柱放出气体，然后拧紧。检查样品燃烧是否完全(氧弹中应没有明显的燃烧残渣)。若发现黑色残渣，则应重做实验。测量燃烧后剩下的镍丝长度以计算镍丝实际燃烧长度，最后擦干氧弹罐和内不锈钢水桶，当然也可用吹风机吹干氧弹罐。2测量萘的燃烧热称取约0.6g萘，同上法进行测量。五、实验注意事项1待测样品一定要干燥。2注意压片的紧实程度，过紧不易燃烧。3一定要将点燃镍丝的中间螺旋段紧贴在样品圆片上，并用棉纱轻轻裹一下。六、数据处理1 用雷诺图解法求出苯甲酸和萘燃烧前后的温度差 和 。2计算热量计的水当量C计。已知苯甲酸的燃烧热为26460J/g，镍丝燃烧热为2.8J/cm，脱酯棉纱的燃烧热Q棉纱为16720J/g。3求出萘的燃烧焓Qv和Qp【思考题】(Problems)1. 在本实验装置中哪些是体系？哪些是环境？本实验对环境有什么要求？2. 加入不锈钢内桶中的水温为什么要比空气的外围水桶的水温低1.01.4？3. 如果要测定液体的燃烧热，怎么称样、装样？4. 在使用氧气钢瓶及氧气减压阀时，应注意哪些规则？5. 容量瓶的准确度是0.1，请讨论由于加入2000ml水的仪器误差，将引起水当量测定值的相对偏差(用平均偏差)是多少？英汉词条】(vocabulary entries)燃烧焓 enthalpy of combustion氯化钾 potassium chloride热量计 calorimeter容量瓶 volumetric flask氧化剂 oxidizing agent电极 electrode短路 shortcut电阻 resistance残渣 residue搅拌 stir/agitate测量 survey / measure电流 electric current/current电源 power supply / source实验一 燃烧热的测定日期：2008-06-18来源： 作者：字体：大 中 小一、目的要求1.明确燃烧热的定义，了解QV与Qp的差别；2.通过萘的燃烧热的测量，了解氧弹式量热计中主要部件的作用，掌握量热计的使用技术；5.学会雷诺图解法。二、实验原理燃烧热：1mol物质完全燃烧时所放出的热量。恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热（QV），QVU。恒压条件下测得的燃烧热为恒压燃烧热（Qp），QpH。若把参加反应的气体和生成的气体作为理想气体处理，则存在如下关系式：QpQVnRT。n为反应产物中气体物质的总摩尔数与反应物中气体物质总摩尔数之差；R为气体常数；T为反应前后绝对温度。本实验采用氧氮式量热计测量萘的燃烧热。氧弹是一具特制的不锈钢容器，如图4-1所示。为保证样品在其中迅速而完全地燃烧，需要用过量的强氧化剂，通常氧弹中充以氧气作为氧化剂。实验时氧弹是旋转在装有一定量水的不锈钢桶中，水桶外是空气隔热层，再外面是恒定的水夹套，如图4-2所示。引火丝及样品在体积固定的氧弹中燃烧所放出的热大部分为水桶中的水吸收；其余部分为氧弹、水桶、搅拌器及感温探头等设备吸收。在量热计与环境没有热交换的情况下，可以写出如下热量平衡式：式中：QV样品的恒容燃烧热(Jg-1)；m样品的质量(g)；Cif量热计热容，它包括氧弹、量热计及水的热容(JK-1)；T准确温差(K)；Q丝点火丝燃烧热。铁丝为6696.4Jg-1、镍丝为3158.9Jg-1、CuNi丝为3136.2Jg-1。 m丝燃烧掉的点火丝质量(g)即原丝质量减去燃烧剩余质量；m棉燃烧掉的棉线质量(g)；Q棉棉线燃烧热，17500Jg-1。由(4-1)式知，要测量样品的QV必须先知量热计的热容Cif，测定的方法是用一定量已知燃烧热的标准物质（常用苯甲酸，QV26477Jg-1）在相同条件下进行试验，测量其温差，经校正为真实温差后代入(4-1)式，算出值Cif。关于真实温差的求算：氧弹量热计不可能是严格绝热的。在燃烧后升温阶段，系统和环境间难免要发生热交换，因而温度计读得的温差并非真实温差。应作如下校正：通常样品燃烧后温上升为1.52.0，在燃烧前后观测水温变化，将水温对时间作图，联成折线FHED，如图2所示。图中C点相当于开始之点，D点为观测到的最高温度。对H点对应的温度T1和G点对应的温度T2的平均 为T，经T点作横坐标的并行线TO与折线交于O，然后过O点作垂直线ab分别与FH和GE交F、E两点，这两个交点所示间隔温度即所求真实温差T。三、仪器和试剂氧弹量热计（附压片机一台）；分析天平1台；2000mL、1000mL容量瓶各1个；氧气瓶氧气表各一个；分析纯苯甲酸；分析纯萘；引火丝10cm，棉线。四、实验步骤1 压片： 首先截取镍丝15cm，截取棉线10 cm，然后压片。从压片机中抽出上模和中模，将中模（平面）一面朝上，将上模放在中模上，用药勺取约0.6 g药品（苯甲酸或萘），加入上模中。将手柄下的小锤插入上模中，加压，压紧后，抽出小锤，将中模翻转180度，插入小锤加压，取出药片。将线在镍丝上绕23扣，然后用线将片绑紧，然后绑成十字花型。注意压片前后应将压片机擦干净；苯甲酸和待测试样不能混用一台压片机。2 称量： 将压好的片用分析天平称量。3 悬挂试样： 将绑好的片上的镍丝绕在氧弹上盖下端的两个电极上（一端从小孔中穿出，并绕在电极柱的方型部位。另一端绕在小螺丝上。点火丝切勿接触坩锅，以防短路）。镍丝要缠紧。两极不要联在一起。然后将氧弹上盖放在下座上拧紧，然后拧紧放气阀（小方型）。4 充氧： 拧开充气阀（小圆柱电极），接上氧气导管，用扳手拧紧。旋转氧气瓶减压阀手柄，使氧气表的分压显示表为2MPa，充气时间为30秒，然后按相反方向旋转减压阀手柄关闭氧气。拧开氧气导管的螺栓，拧上电极帽。5 装氧弹： 打开氧弹热量计的上盖，把盛水桶安装在固定位置。转动搅拌器看一看不要刮壁。将氧弹放入水桶中，将调好的3000ml水放入水桶中，插上电极，盖好外盖，放好传感器。6 燃烧和温度的测量61 初期： 打开控制器电源开关，打开搅拌，把时间调整为1分钟/次记录（听到声音，计次显示为1时记录）。记录6次。62 中期： 把时间调解为半分/次记录。按点火按钮（点火显示亮）。再记录12次。63 末期： 把时间调至1分/次记录，记录6次。关闭电源。取出传感器。打开热量计外盖，拔下电极（不要拉电线）。取出氧弹。用扳子拧开放气阀（小方柱）。放气后，拧开氧弹盖。将氧弹上盖放在支架上。取下电极上剩余镍丝，称量记录。7 测量：操作方法同上（如果第一个做苯甲酸，第二个做萘）。五、数据处理1、绘出温度与时间曲线，用作图法求真实温差。由式(4-1)算出量热计热容Cif。2、用同样的方法求萘燃烧的真实温差，并计算萘燃烧热QV。3、计算萘的恒压燃烧热Qp。已知298.2K时的燃烧热为Qp5153.8kJmol-1，计算实验的相对误差。把实验数据填入下表中：室温：19.7，室压：95.89 kPa苯甲酸质量：0.6130g，镍丝质量：0.00730g-0.00526g0.00204g，棉线质量：0.0052g苯甲酸前期中期末期t/mint/t/mint/t/mint/118.6285.518.7261219.754218.646619.2201319.754318.6496.519.4731419.753418.654719.5901519.752518.6567.519.6481619.749（点火）819.6878.519.710919.7279.519.7371019.74510.519.7491119.752萘前期中期末期t/mint/t/mint/t/mint/119.6885.519.8251221.207219.690620.4561321.205319.6896.520.8431421.201419.689721.0071521.196519.6877.521.0881621.191（点火）821.1348.521.163921.1819.521.1931021.20010.521.2051121.207实验二 液体饱和蒸气压的测定【目的要求】1、明确饱和蒸气压的定义，了解纯液体的饱和蒸气压与温度的关系、克劳修斯-克拉贝龙(Clausius-Clapeyron)方程式的意义。2、掌握静态法测定液体饱和蒸气压的原理及操作方法。学会由图解法求其平均摩尔气化热和正常沸点。3、了解真空泵、恒温槽及气压计的使用及注意事项。【实验原理】通常温度下(距离临界温度较远时)，密闭真空容器中的纯液体与其蒸气达平衡时的蒸气压称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称为蒸气压。恒压条件下蒸发1mol液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔气化热。液体的蒸气压随温度而变化，温度升高时，蒸气压增大；温度降低时，蒸气压降低，这主要与分子的动能有关。当蒸气压等于外界压力时，液体便沸腾，此时的温度称为沸点，外压不同时，液体沸点将相应改变，当外压为101.325kPa时，液体的沸点称为该液体的正常沸点。液体的饱和蒸气压与温度的关系用克劳修斯-克拉贝龙方程式表示： (1)式中，R为摩尔气体常数；T为热力学温度；vapHm为在温度T时纯液体的摩尔气化热。假定vapHm与温度无关，或因温度范围较小，vapHm可以近似作为常数，积分上式，得： (2)其中C为积分常数。由此式可以看出，以lnp对1/T作图，应为一直线，直线的斜率为，由斜率可求算液体的vapHm。测定饱和蒸气压的方法：测定饱和蒸气压的方法主要有： 静态法：在一定温度下，直接测量饱和蒸气压。此法适用于具有较大蒸气压的液体。动态法：测量沸点随施加的外压力而变化的一种方法。液体上方的总压力可调，而且用一个大容器的缓冲瓶维持给定值， 汞压力计测量压力值，加热液体待沸腾时测量其温度。饱和气流法：在一定温度和压力下，用干燥气体缓慢地通过被测纯液体，使气流为该液(体的蒸气所饱和。用吸收法测量蒸气量，进而计算出蒸气分压，此即该温度下被测纯液体的饱和蒸气压。该法适用于蒸气压 较小的液体。本实验采用静态法测定环己烷在不同温度下的饱和蒸气压。静态法测量不同温度下纯液体饱和蒸气压，有升温法和降温法二种。本次实验采用升温法测定不同温度下纯液体的饱和蒸气压，所用仪器是纯液体饱和蒸气压测定装置，如图2-3-1所示：平衡管由A球和U型管B、C组成。平衡管上接一冷凝管，以橡皮管与压力计相连。A内装待测液体，当A球的液面上纯粹是待测液体的蒸气，而B管与C管的液面处于同一水平时，则表示B管液面上的(即A球液面上的蒸气压)与加在C管液面上的外压相等。此时，体系气液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。【仪器试剂】恒温水浴1套；平衡管1只；压力计1台；真空泵及附件等。无水乙醇(A.R.)。【实验步骤】1 打开恒温水浴开关，按回差键使之变为0.1。2 装样： 打开饱和蒸汽压测定仪冷凝器上端的小玻璃帽，加入一定量的液体乙醇（平衡器中已装好）。使单管高度为6cm。打开冷凝器上水开关（水流不要太大）。3 抽空：关闭平衡阀1，打开平衡阀2，打开进气阀。旋转玻璃活塞，使两个活塞为全通。打开精密数字压力仪，使单位调为kpa。按采零键置零。打开真空泵，待泵运转正常后，关闭玻璃放空活塞，观察数字压力计上的读数，待压力计读数达-93.5kpa时，关闭玻璃活塞，打开玻璃放空活塞后，关闭真空泵，关闭进气阀。4 测量：关闭平衡阀2，缓慢打开平衡调节阀1放入空气，观察U型管两端液面相等（2分钟不变）时，关闭平衡阀1。记录下温度和精密数字压力计上的读数（室温测一个）。打开恒温槽上的加热开关，打开搅拌开关，设置温度。按置数键。然后数字闪动按正三角键加数，按倒三角键减数，调至所需温度，比上一个温度高5。第一位数字设完后按置数键设定下一位，三位数设完后，按置数键进入工作状态。（加热时可用强档，当加热到与设定温度差2度时改用弱档）。待恒温后用放气调平法继续测定下一组（重复4.1，4.2操作）。共做6组。方法同上。当六个数测完后，打开平衡阀1，打开平衡阀2，打开进气阀，打开玻璃活塞，关闭冷凝水，关闭恒温槽电源，实验结束。【注意事项】减压系统不能漏气，否则抽气时达不到本实验要求的真空度。抽气速度要合适，必须防止平衡管内液体沸腾过剧，致使B管内液体快速蒸发。实验过程中，必须充分排除净AB弯管空间中全部空气，使B管液面上空只含液体的蒸气分子。AB管必须放置于恒温水浴中的水面以下，否则其温度与水浴温度不同。测定中，打开进空气活塞时，切不可太快，以免空气倒灌入AB弯管的空间中。如果发生倒灌，则必须重新排除空气。温度计读数须作露茎校正。【数据处理】1数据记录表自行设计数据记录表，包括室温、大气压、实验温度及对应的压力差等。被测液体：无水乙醇 室温：9 实验压力：99.08kPa温度/压力计读数/kPa系统平衡总压/kPaLnp1/T/（10-3K)10-93.225.861.763.5315-91.147.942.073.4720-88.8410.242.323.4127-86.3212.762.553.3333-83.0616.022.773.2738-78.6120.473.023.212以lnp对1/T作图，求出直线的斜率，并由斜率算出此温度范围内水的平均摩尔气化热vapHm，由图求算纯液体的正常沸点，C15.134ln101.325=4.618， ，t 思 考 题1. 试分析引起本实验误差的因素有哪些？2. 为什么AB弯管中的空气要排干净？怎样操作？怎样防止空气倒灌？3. 本实验方法能否用于测定溶液的饱和蒸气压？为什么？4. 试说明压力计中所读数值是否是纯液体的饱和蒸气压？5. 为什么实验完毕后必须使体系和真空泵与大气相通才能关闭真空泵？【讨论】用降温法测定不同温度下纯液体饱和蒸气压的方法如下：接通冷凝水，调节三通活塞使系统降压13kPa，加热水浴至沸腾，此时A管中的待测液体部分气化，其蒸气夹带AB弯管内的空气一起从C管液面逸出，继续维持10min以上，以保证彻底驱尽AB弯管内的空气。停止加热，控制水浴冷却速度在1/min内，此时待测液体的蒸气压(即B管上空的压力)随温度下降而逐渐降低，待降至与C管的压力相等时，则B、C两管液面应平齐，立即记下此瞬间的温度（精确至1/100）和压力计之压力，同时读取辅助温度计的温度值和露茎温度，以备对温度计进行校正。读数后立即旋转三通活塞抽气，使系统再降压10kPa并继续降温，待B、C两管液面再次平齐时，记下此瞬间的温度和压力。如此重复10次(注意：实验中每次递减的压力要逐渐减小，为什么？)，分别记录一系列的B、C管液面平齐时对应的温度和压力。在降温法测定中，当B、C两管中的液面平齐时，读数要迅速，读毕应立即抽气减压，防止空气倒灌。若发生倒灌现象，必须重新排净AB弯管内之空气。实验三 二元液系相图的测定一、目的要求掌握二组分沸点组成图的测绘方法；掌握阿贝(Abbe)折光仪及超级恒温槽的使用方法。二、实验原理两种液态物质以任何比例混合都形成均相溶液的系统称这完全互中溶双液系。在恒定压力下溶液沸点与平衡的气液相组成的关系，可用沸点组成图(tx图)表示。完全互溶双液系的沸点组成图可分为两三种：一种为最简单的情况，溶液沸点介于两个纯组分沸点之间，如图6-1所示。纵坐标表示温度，横坐标表示组分B的摩尔分数(xB，yB)。下面一条曲线表示气液平衡时温度(即溶液沸点)与液想组成的关系，称液相线(Tx线)。上面的线表示平衡温度与气相组成的关系,称气相线(Ty线)。若总组成为ZB的系统在压力p及温度t时达到气液两相平衡，其液相组成为xB气相组成为yB(见图6-1)。另两种类型为具有恒沸点的完全互溶双液系统气液平衡相图，如图6-2所示。其中(a)为具有低恒沸点相图，(b)为具有高恒沸点相图。这两类相图中气相线与液相线在某处相切。相切点对应的温度称为恒沸温度，对应组成的混合物称恒沸混合物。恒沸混合物在恒沸点达气液平衡，平衡的气、液组成相同。同一双液系在不同压力下，恒沸点及恒沸混合物是不同的。三、仪器和试剂沸点仪1套；超级恒温槽一台；阿贝折射仪一台；变压器一台；0.1刻度温度计(50100)1支