物化实验报告：燃烧热的测定-苯甲酸-小馒头 王驰.doc

燃烧热的测定实验报告王驰 2011301040165 【实验目的】明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的区别。掌握量热技术的基本原理，学会测定奈的燃烧热。了解氧弹卡计主要部件的作用，掌握氧弹量热计的实验技术。学会雷诺图解法校正温度改变值。【实验原理】燃烧热是指1摩尔物质完全燃烧时所放出的热量。在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热（Ov），恒容燃烧热这个过程的内能变化（U）。本实验采用氧弹式量热计测量小馒头的燃烧热。测量的基本原理是将一定量待测物质样品在氧弹中完全燃烧，燃烧时放出的热量使卡计本身及氧弹周围介质（本实验用水）的温度升高。氧弹是一个特制的不锈钢容器（如图）为了保证化妆品在若完全燃烧，氧弹中应充以高压氧气（或者其他氧化剂），还必须使燃烧后放出的热量尽可能全部传递给量热计本身和其中盛放的水，而几乎不与周围环境发生热交换。但是，热量的散失仍然无法完全避免，这可以是同于环境向量热计辐射进热量而使其温度升高，也可以是由于量热计向环境辐射出热量而使量热计的温度降低。因此燃烧前后温度的变化值不能直接准确测量，而必须经过作图法进行校正。放出热(样品+点火丝)吸收热 (水、氧弹、量热计、温度计)量热原理能量守恒定律在盛有定水的容器中，样品物质的量为n摩尔，放入密闭氧弹充氧，使样品完全燃烧，放出的热量传给水及仪器各部件，引起温度上升。设系统（包括内水桶，氧弹本身、测温器件、搅拌器和水）的总热容为C（通常称为仪器的水当量，即量热计及水每升高1K所需吸收的热量），假设系统与环境之间没有热交换，燃烧前、后的温度分别为T1、T2，则此样品的恒容摩尔燃烧热为: （2）式中，Qvm为样品的恒容摩尔燃烧热(Jmol-1)；n为样品的摩尔数（mol)；C为仪器的总热容(JK-1或J / oC)。上述公式是最理想、最简单的情况。 图 1 氧弹量热计构造示意图图 2 氧弹构造示意图 1、氧弹 1厚壁圆筒；2弹盖2、内水桶（量热容器） 3螺帽； 4进气孔3、电极 4、温度计 5排气孔；6电极5、搅拌器 6、恒温外套 8电极（也是进气管）但是，由于（1）：氧弹量热计不可能完全绝热，热漏在所难免。因此，燃烧前后温度的变化不能直接用测到的燃烧前后的温度差来计算，必须经过合理的雷诺校正才能得到准确的温差变化。（2）多数物质不能自燃，如本实验所用萘，必须借助电流引燃点火丝，再引起萘的燃烧，因此，等式（2）左边必须把点火丝燃烧所放热量考虑进去就如等式（3）： （3）式中：m点火丝为点火丝的质量，Q点火丝为点火丝的燃烧热，为-6694.4 J / g，DT为校正后的温度升高值。仪器热容的求法是用已知燃烧焓的物质(如本实验用苯甲酸)，放在量热计中燃烧，测其始、末温度，经雷诺校正后，按上式即可求出C。 雷诺校正：消除体系与环境间存在热交换造成的对体系温度变化的影响。方法：将燃烧前后历次观察的贝氏温度计读数对时间作图，联成FHDG线如图-1-2。图中H相当于开始燃烧之点，D点为观察到最高温度读数点，将H所对应的温度T1，D所对应的温度T2，计算其平均温度，过点作横坐标的平行线，交FHDG线于一点，过该点作横坐标的垂线a,然后将FH线和GD线外延交a线于A、C两点,A点与C点所表示的温度差即为欲求温度的升高DT。图中AA表示由环境辐射进来的热量和搅拌引进的能量而造成卡计温度的升高，必须扣除之。CC表示卡计向环境辐射出热量和搅拌而造成卡计温度的降低，因此，需要加上，由此可见，AC两点的温度差是客观地表示了由于样品燃烧使卡计温度升高的数值有时卡计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进热量，使得燃烧后的最高点不出现，如图2-1-3，这种情况下DT仍可以按同法校正之。【实验仪器与药品】仪器：外槽恒温式氧弹卡计(一个)；氧气钢瓶(一瓶)；压片机 (2台)；数字式贝克曼温度计(一台)；0100温度计(一支)；万用电表（一个）；扳手（一把）； 药品：小馒头；苯甲酸（A.R或燃烧热专用）；镍丝；【实验步骤】1.小馒头的燃烧热测定 压片：用分析天平称取0.4907g小馒头，用分析天平准确称量燃烧丝质量，将已精确称量的燃烧丝穿在压片机钢模的底板内，然后将钢模底板装进模子中，从上面倒入称好的萘样品，在压片机上压成圆片。将萘圆片在干净的玻璃扳上轻击二三次，再用分析天平精确称量。 装氧弹：把氧弹的弹头放在弹头架上，将样品萘放入坩锅内，把坩锅放在燃烧架上。然后将燃烧丝两端分别固定在弹头中的两根电极上。在弹杯中注入10ml水，把弹头放入弹杯中，用手拧紧。 充氧：使用高压钢瓶必须严格遵守操作规则。开始先充入少量氧气（约0.5MPa），然后开启出口，借以赶出弹中空气。再充入约1.52MPa的氧气。 调节水温：将量热计外筒内注满水，缓慢搅动。打开精密温度温差仪的电源并将其传感器插入外筒水中测其温度。再用桶取适量自来水，测其温度，并调节水温使其低于外筒水温1度左右。用容量瓶精确量取3000ml已调节的自来水注入内筒，水面刚好盖过氧弹。如氧弹有气泡逸出，说明氧弹漏气，寻找原因并排除。将电极插头插在氧弹两电极上，电极线嵌入桶盖的槽中，盖上盖子（搅拌器不要与弹头相碰）。将两电极插入点火控制箱。同时将传感器插入内筒水中。 点火：打开SHR-15氧弹式量热计的电源，开启搅拌开关，进行搅拌。水温基本稳定后，将温差仪“采零”并“锁定”。然后将传感器取出放入外筒水中，记录其温差值，再将传感器插入内筒水中。每隔1分钟读水温一次（精确至0.002），直至连续10次水温有规律微小变化。设置蜂鸣15秒一次，按下“点火”按钮，“点火灯”熄灭。杯内样品一经燃烧，水温很快上升，点火成功（若水温没有上升，说明点火失败，应关闭电源，取出氧弹，放出氧气，仔细检查加热丝及连接线，找出原因并排除）。每15秒记录一次，当温度升至每分钟上升小于0.002，每隔2秒读一次温度，连续读点，实验结束。实验停止后，将传感器放入外筒。 校验：实验停止后，关闭电源，将传感器放入外筒。取出氧弹，放出氧弹内的余气。旋下氧弹盖，称量燃烧后残丝质量以计算镍丝实际燃烧质量并检查样品燃烧情况。最后擦干氧弹和盛水桶。若样品未完全燃烧，实验失败，须重做。2.量热计的水当量的测定以苯甲酸标准物质代替样品小馒头，按测定小馒头燃烧热的相同方法测定苯甲酸燃烧前后的温度变化值，用式2-2计算量热计的水当量。【注意事项】为避免腐蚀，必须清洗氧弹点火成败是实验关键。应仔细安装点火丝和坩埚。点火丝不应与弹体内壁接触，坩埚支持架不应与另一电极接触。每次实验前均应称量坩埚。【实验数据与处理】苯甲酸小馒头m(样品)1.0449g0.4907gm(消耗镍丝)0.0074g0.0058g雷诺校正作图T（苯甲酸）=1.81098T（小馒头）=0.51700 计算苯甲酸的热容C苯甲酸的恒容摩尔燃烧热为：QV =-26495.6J/g镍丝的恒容摩尔燃烧热为：QV =-3243J/gT（苯甲酸）=1.81098又mQV=-CT -QV点火线m点火线= kJ/15.320 kJ/计算小馒头的恒容摩尔燃烧热QV，m根据公式：nQV=-CT -QV点火线m点火线则小馒头燃烧的数据处理：QV，m=（-CT -QV点火线m点火线）/m =(-15.320*0.51700+3.243*0.0058)/0.4907kJ/g =-16.102kJ/g 相对误差=（16.102-16.100）/16.100=0.01242% 【实验结果与讨论】QV，m (小馒头) = =-16.102kJ/g相对误差=（16.102-16.100）/16.100=0.01242%实验求得小馒头的燃烧热Qv,m与Qv，标=-16.10 kJg-1的误差为0.01242%（小于3%）。可见本实验温度对萘的燃烧焓值影响很小，实验结果较为准确。产生误差的原因除了仪器误差以及苯甲酸的恒容摩尔燃烧热并不完全准确之外，主要还有以下几个方面：使用雷诺图解法时，要做切线，切线分别表示正常温度上升和量热系统温度降低，切线拟合的结果对T的影响很大，此次实验结果很大程度上取决于这一步数据处理。在实验进行过程中，夹套水温也不可能恒定，这会对T的求算造成影响。但是夹套中水很多，且为了调零水温只比夹套水温1K左右，所以此误差可以忽略，这也是步骤中调整水温的原因。氧弹内可能存在少量空气，空气中N2的氧化会产生热效应。若试样未完全燃烧，造成的影响很大，若有明显的黑色残渣，实验应重做。水温改变带来的误差：由于此次实验是测量的内桶的水温，且总的波动不超过3，所以水温的改变会对实验结果造成较大影响。热量交换很难测量，温度或温度变化却很容易测量。本实验中采用标准物质标定法，根据能量守恒原理，标准物质苯甲酸燃烧放出的热量全部被氧弹及周围的介质等吸收，使得测量体系的温度变化，标定出氧弹卡计的热容。再进行小馒头的燃烧热测量和计算。测量体系与环境之间有热量的交换，因为理想的绝热条件是不可能达到的。同时影响热量的交换量大小的因素也比较多，与体系、环境的材质有关；与体系、环境的接触界面积大小有关；与体系、环境的温差有关，所以要定量准确地测量出体系与环境交换的热量是比较困难的。如果有净的热量交换的话，将会增大实验的测量误差。【实验评注与拓展】（1）实验关键：点火成功、试样完全燃烧是实验成败关键，可以考虑以下几项技术措施：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。压片紧实度：一般硬到表面有较细密的光洁度，棱角无粗粒，使能燃烧又不至于引起爆炸性燃烧残剩黑糊等状。点火丝与电极接触电阻要尽可能小，注意电极松动和铁丝碰杯短路问题。充足氧(2MPa)并保证氧弹不漏氧，保证充分燃烧。燃烧不完全，还时常形成灰白相间如散棉絮状。注意点火前才将二电极插上氧弹再按点火钮，否则因仪器未设互锁功能，极易发生（按搅拌钮或置0时）误点火，样品先已燃烧的事故。(2) 氧弹内预滴几滴水，使氧弹为水汽饱和，燃烧后气态水易凝结为液态水。试样在氧弹中燃烧产生的压力可达14MPa，长期使用，可能引起弹壁的腐蚀，减少其强度。故氧弹应定期进行20MPa水压检查，每年一次。氧弹、量热容器、搅拌器等，在使用完毕后，应用干布擦去水迹，保持表面清洁干燥。恒温外套（即外筒）内的水，应采用软水。长期不使用时应将水倒掉。氧弹以及氧气通过的各个部件，各联接部分不允许有油污，更不允许使用润滑油，在必须润滑时，可用少量的甘油。(3)仪器应置放在不受阳光直射的单独一间试验室内进行工作。室内温度和湿度应尽可能变化小。最适宜的温度是205。每次测定时室温变化不得大于1。因此。室内禁止使用各种热源，如电炉、火炉、暖气等。(4) 如用贝克曼温度计，其调节可以归纳为倒立连接、设定温度、正立震断和校验四步，注意别让水银过多地流向弯曲贮管，导致因水银重而在正立时，玻管扩张处挂不住。也绝不允许放在电炉上烤等骤冷骤热情况出现。在精密的测量中，应进行贝克曼温度计的校正。改进后的本实验普遍采用热敏电阻温度计、铂电阻温度计或者热电堆等，相应配以电桥、指示mV值，实际已转换为温度 (数显温度计) 的仪器，能自动记录温度，精密度可达10-410-5K。国产型号为半自动HR15A(B)数显微机型或WHR15全自动微机型氧弹式热量计。进入了全面启用电脑处理数据的新时代。(5)量热方法和仪器多种多样，可参阅复旦大学物理化学实验教材。量热法广泛用来测量各种反应热如相变热等。本实验装置除可用作测定各种有机物质、燃料、谷物等固体、液体物质的燃烧热外，还可以研究物质在充入其它气体时反应热效应的变化情况。【提问与思考】(1)什么是燃烧热？它在化学计算中有何应用？答：在101 kPa时，1 mol可燃物完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量，叫做该物质的燃烧热单位为kJ/mol。反应热中H为负，则为放热反应；为正，则为吸热反应，燃烧热为反应热的一种，其H为负值含相同碳原子数的烷烃异构体中，直链烷烃的燃烧热最大，支链越多燃烧热越小。(2)什么是卡计和水的热当量？如何测得？答：卡计和水当量就是量热仪内筒水温每升高一度所吸收的热量（即量热计的热容量）。单位是 ：焦耳/度 测法：用已知燃烧焓的物质（如本实验用的苯甲酸），放在量热计中燃烧，测量其始、末温度，经雷诺校正后，按下式：即可求出。(3)测量燃烧热两个关键要求是什么？如何保证达到这两个要求？答：实验关键：点火成功、试样完全燃烧是实验成败关键，可以考虑以下几项技术措施：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。压片紧实度：一般硬到表面有较细密的光洁度，棱角无粗粒，使能燃烧又不至于引起爆炸性燃烧残剩黑糊等状。点火丝与电极接触电阻要尽可能小，注意电极松动和铁丝碰杯短路问题。充足氧(2MPa)并保证氧弹不漏氧，保证充分燃烧。燃烧不完全，还时常形成灰白相间如散棉絮状。注意点火前才将二电极插上氧弹再按点火钮，否则因仪器未设互锁功能，极易发生（按搅拌钮或置0时）误点火，样品先已燃烧的事故。(4)实验测量到的温度差值为何要经过雷诺作图法校正，还有哪些误差来源会影响测量的结果？答：实际上，热量计与周围环境的热交换无法完全避免，它对温度测量值的影响可用雷诺温度校正图校正。还可能带来误差的可能有