差热分析和燃烧热测定.doc

实验一 燃烧热的测定一、实验目的 1. 掌握燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别和相互关系； 2. 熟悉量热计主要部件的原理和作用；掌握氧弹量热计测定的实验技术； 3. 学会雷诺图解法和经验公式校正温度改变值。二、 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（Qv），恒容燃烧热等于这个过程的内能变化（U）。在恒压条件下测得的燃烧热 称为恒压燃烧热（Qp），恒压燃烧热等于这个过程的热焓变化（H）。若把参加反应的气体和反应生成的气体作为理想气体处理，则有下列关系式：Qp Qv nRT 式中n为反应前后反应物和生成物中气体的物质的量之差；R为摩尔气体常数；T为反应时的热力学温标。 称取一定量的试样置于氧弹内，并在氧弹内充入1.5 2.0MPa的氧气，然后通电点火燃烧。燃烧时放出的热量传给水和量热器，由水温的升高（T）即可求出试样燃烧放出的热量： Qv CT式中C为整个量热体系（水和量热器）温度升高1所需的热量。称为量热计的水当量。其值由已知燃烧热的苯甲酸（标样）确定：C Qv /T 式中T应为体系完全绝热时的温升值，因而实测的T须进行校正。温度校正可雷诺图解法或用经验公式进行。本特经验公式（03，bt）：式中：V0 初期温度平均变化率； Vn 末期温度平均变化率； n 主期点火后（除t0外）温度读数次数（或主期记温间隔数）； m 主期温度快速上升时的半分钟间隔数（查下表）。标准值（t5 -t0）/（tn -t0）m 值0.50以下90.51-0.6480.65-0.7370.74-0.8260.83-0.9150.92-0.9540.95以上3表中：t5 主期第5次（点火后第4次）温度读数（）三、仪器与试剂 1. 试剂：分析纯苯甲酸（Qv Jg-1）； 萘； 引火丝（Qv28 J/15cm）。 2. 仪器：WSR1数显型氧弹量热计一套；压片机（苯甲酸和萘样各用一台）；氧气钢瓶一只；减压阀一只；充氧器一只；直尺一把；剪刀一把；台秤一台；分析天平一台。四、实验步骤1. 水当量C的测定样品制作在台秤上称取苯甲酸1g 1.2g ；用压片机压片，并在干净的纸上轻敲23次，除去表面粉末后在分析天平上准确称量。(2)装样 拧开氧弹盖，将盖放在专用架上，并将氧弹内壁檫干净。将坩埚放在坩埚架上，然后将试样置入其中。量取15cm引火丝，在直径为3mm的铁钉上将引火丝的中段绕成螺旋形约56圈。将螺旋部分紧贴在样品压的表面，并将引火丝的两端紧在两个电极上。注意引火丝不能与坩埚相接触。用万用表检查两电极是否通路。 (3)充氧气旋紧氧弹盖并拧紧弹盖，接上充气导管, 慢慢旋紧减压阀螺杆，缓慢进气至出口表上指针指在1.5 2.0MPa，充气约10s后, 取下充气管, 关好钢瓶阀门。注意钢瓶的安全操作。 (4)测量用容量瓶取2100mL水倒入量热容器中，并将氧弹放入，检查是否漏气。将氧弹盖上的电极头与量热容器盖上的电极头对准接触。将温度传感器插入量热容器盖中间的孔中。 接通微电脑测热控制器电源，开动搅拌器，待数码管上出现温度显示，此时便是待机状态。按“启动”键，进入测试方式选择，数码管上出现测试方式编号和代码，按“增”或“减”键选择“03”、“bt”，再按“确认”键，进入引火丝检测。如发现因接触不良或安装不当而致电阻过大、开路或短路，启动自动终止，蜂鸣器鸣响。这样应重装或调整。引火丝正常，按“确认”键后“启动”发光管亮，进入搅拌延时。5min后“初期”发光管亮，正式进入测温，后续的测试过程将自动进行。从末期结束测试进入待机状态。按“读出”键后再按“确认”键，可记录测试数据。 测温停止后，关闭搅拌器，先取下温度传感器放好；再取出氧弹檫干，套上放气罩释放余气，拧开弹盖，检查燃烧是否完全，（若弹中有炭黑或未燃尽的试样，表明实验失败。）若燃烧完全，则取下剩余的引火丝量取长度，求出实验消耗掉的长度。最后，用毛巾檫干全部设备，以待下次使用。 2. 萘的燃烧热的测定 称取0.72g左右的萘，操作步骤与C值测定完全相同。五、实验数据的记录及处理：1. 实验数据记录T = K m(萘) = g C = 10491.94 JK -1 初期主期末期次数T/次数T/次数T/次数T/120.848（T0）120.853（t0）11122.861220.849221.090122320.850321.930133420.851422.3904520.852522.610522.8626622.720622.8617722.859722.8588822.860822.8579922.861922.8551020.8531022.862n22.862（tn）1022.853（Tn）2. 实验数据处理1)温度校正值T校正的确定氧弹式量热计不是严密的绝热系统，在测量过程中，系统与环境难免发生热交换，因此，从温度计上读得的温度差不是真实的温度差，可用下式进行校正。本特公式（03，bt）：式中：V0 初期温度平均变化率； Vn 末期温度平均变化率； n 主期点火后（除t0外）温度读数次数（或主期记温间隔数）； m 主期温度快速上升时的半分钟间隔数（查表见原理部分）。计算示例：n = ；m = 42)仪器水当量C的确定（本次实验仪器水当量C已由实验室测定，这部分报告上不写。） C =10491.94JK -1式中： m 苯甲酸质量，g； Q1 苯甲酸热值（Qv Jg-1）； l 烧掉的引火丝长度； Q2 引火丝热值（Qv28 J/15cm）。3) 计算萘的恒容燃烧热QV ，并计算其恒压燃烧热Qp。C10H8(s) + 12O2(g) = 10CO2(g) + 4H2O(l) n = 10-12 = -2本次实验C =10491.94JK -1（注意：QV的单位应化为Jmol-1或kJmol-1，才能应用下式计算Qp。）Qp = QV + nRT4) 计算测量结果的相对误差文献值：萘的恒压燃烧焓Qp= -5153.8kJmol-1（p，25）六、思考题1. 固体样品为什么要压成片状？2. 如何用萘的燃烧热数据来计算萘的标准生成热？七、注意事项1. 每次使用钢瓶时，应在老师指导下进行； 2. 坩埚每次使用后。应清洗干净并檫干； 3. 试样燃烧热的测定和水当量的测定，应尽可能在相同条件下进行。实验二 差 热 分 析一、实验目的1. 掌握差热分析原理。2. 学会差热分析仪的操作，并对硫酸铜进行差热分析。3. 学会差热分析图谱定性处理的基本方法，对实验结果做解释处理。二、实验原理差热分析（简称DTA）是一种热分析法，可用于鉴别物质并考察物质组成结构以及物质在一定得温度条件下的转化温度、热效应等物理化学性质，它广泛地应用于许多科研领域及生产部门。许多物质在加热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随有焓的改变，因而产生热效应，其表现为该物质与外界环境之间产生温度差，差热分析就是通过测定温度差来鉴别物质，确定其结构，组成或测定其转化温度、热效应等物理化学性质。在测定之前，先要选择一种热中性物质作为参比物，该物质在温度变化的整个过程中不发生任何物理化学变化，不产生任何热效应。将样品与参比物同时放入一个可按规定速度升温或降温的电炉中，然后分别记录参比物的温度（也可记录样品本身或样品附近环境的温度）以及样品与参比物的温度差，随着测定时间的延续，就可以得到一张差热图或热谱图。图2-1即为一张理想的差热图。tabcdeTDT图2-1 理想的差热曲线在差热图中有两条曲线，其中曲线T为温度曲线，它表明参比物（或其它参考点）温度随时间的变化情况，曲线D为差热曲线，它反映样品与参比物间的温度差T同时间的关系。图2-1中，与时间轴t平行的线段ab、de表明样品与参比物间温差为零或恒为常数，称为基数；bc、cd段组成差热峰。一般规定放热峰为正峰，此时样品的焓变小于零，温度高于参比物；吸热峰则出现在基线的另一侧，称为负峰或吸热峰。在实际测定中，由于样品与参比物间往往存在着比热、导热系数、粒度、装填疏密度等方面的差异，再加上样品在测定过程中可能发生收缩或膨胀、差热曲线就会产生漂移，其基线不再平行于时间轴，峰的前后基线也不在一条直线上，差热峰可能比较平坦，使b、c、d三个转折点不明显，这时可以通过作切线的方法来确定转折点，进而确定峰得面积。分析差热图谱可根据差热峰的数目、位置、方向、高度、宽度、对称性以及峰的面积等。峰的数目表示在测定温度范围内，待测样品发生变化的次数；峰的位置表示转化的温度范围；峰的方向指示过程是吸热还是放热；峰的面积反映热效应的大小（在相同测定条件下）。峰高、峰宽及对称性除与温度有关外，往往还与样品变化过程的动力学因素有关。这样从差热图谱中峰的方向和面积可以测得变化过程的热效应（吸热或放热、以及热量的数值）。除了测定热效应外，由差热图谱的特征还可用以鉴别样品的种类，计算某些反应的活化能和反应级数等。三、仪器和试剂1. 试剂：CuSO45H2O(分析纯)，-Al2O3(分析纯) 2. 仪器：CRY-1P差热分析仪四、实验步骤1. 转动电炉上的手柄把炉体升到顶部，然后把炉体向前方转出。取两个空的铝坩锅，在二个铝坩埚中分别称取样品CuSO45H2O和参比物-Al2O3（小于30mg）。将样品坩埚放在样品杆上的左侧托盘上，参比物放在右侧，将炉体转回原处（检查是否确实回到原处，否则样品杆会折断），再轻轻地向下摇到底，此时炉体把小坩埚罩上。开启水源使水流畅通。2. 开启控制系统单元开关， “差动、差热”选择开关置于“差热”位置。量程置于“100V”位置。在放大单元的面板上设置程序升温条件：采样起始温度为30，结束温度400，加热时间为37min。3. 启动计算机运行软件，进入差热实验软件系统。在主菜单中选（1）初始化，输入量程和试样重量。再选（3）采样，输入程序升温条件及相应的实验条件。在空气气氛下，接通电炉电源，进行试样采样，电炉温度按给定要求升温。在加热过程中可观察显示器上出峰情况。当出完最后一个脱水峰后（共3个大峰），停止数据采集并对数据保存。4. 转动电炉上的手柄把炉体升到顶部，让炉体冷却。5. 差热峰的处理，在主菜单中选（8）峰处理，分别算出3个峰的开始温度、外推温度、峰顶温度和结束温度，自动得出峰面积和热效应，对处理结果保存。6. 差热图谱及处理结果的打印，在主菜单中选（10）结果报告并打印。 五、数据记录和处理1. 定性说明硫酸铜的差热图谱，标出相应峰的脱水反应。2. 分析CuSO45H2O 脱水时几步热效应的大小。六、思考题1. 为什么要控制升温速率？升温过快或过慢有何影响？2. 影响差热分析的主要因素有哪些？附：差热分析实验步骤1、将CuSO45H2O放入研钵中，并将其碾成粉末。2、将CuSO45H2O放入在铝坩埚中，准确称量20mg左右，在另一只坩埚中放入质量相等的参比物（a-Al2O3 ）（实验前a-Al2O3 参比物已放置好）3、平稳摇动炉体手柄，使炉体平稳上升到顶端，然后将炉体往后转90度，将样品坩埚放在样品专架的左侧托盘上，参比物坩埚放在右侧的托盘，注意要小心轻放，别把试样打翻在样品杆内，放好坩埚后，转回炉体，（注意炉体转回一定要到位，否则在摇动手柄降下炉体时容易造成压断样品杆）。平稳摇动手柄，把炉体降到底部，并打开冷却水。图 温控单元面板装置及功能未经允许不准摇动手柄使电炉上升或下降。4、开机预热（教师指导下完成）打开仪器各控制单元电源开关（差热放大单元，数据接口单元，温控单元）。打开温控单元电源开关时，同时观察SV显示是否为STOP，否则按住朝上键“” 使SV显示STOP此时，不要开启电炉电源。 开启计算机进入CRY1P应用软件主菜单，仪器在此状态预热30分钟，此时可进行采样前的设置。5、仪器各单元调整（教师指导下完成） 差热放大单元调整：将工作开关放在“差热”位置，量程选择开关选择“100V挡。“调零”旋钮在量程开关放在短路位置时，用来调整放大器零位调整，即差热放大单元上偏差指示表零位调整。“斜率调整”开关，仪器出厂已经调整好，使用时不要随便调动。 “移位”旋钮调整差热基线在采样图象中的位置，已经调整好使用时不要随便调动 温控单元：程序指令设定可通过温控仪面板上四个按键来完成。a.一按即放移位键“”，温控仪面板上PV显示为C01，SV显示为0，表示程序指令起始温度为0度； b.再按确认键键PV显示为T01，SV显示为300，表示程序指令第一段从0升温至300 ，若升温速率为10/分（升温速率=（C02C01）T01），需时间为30分钟，（SV显示值为30，可根据实际需要作修改，具体操作可通过朝上键“”、朝下键“”.和移位键“”来完成）。c.再按一下确认键PV显示为C02，SV显示为300表示程序指令经过第一段时间后，达到300度d.再按一下回键PV显示为T02，SV显示为120表示设置到此为止， 当程序指令执行完成后系统自动关闭。注意：当程序指令设定完成后，等待几分种，温控仪会自动退出设定状态，返回起始停止STOP状态。5、计算机菜单设置（教师指导下完成）采 样 类 型 ： 直接采样， DTA量程：100V采样起始温度： 0 升温速率：10采样结束温度： 300 保持时间：不填 名 称 名： CuSO45H2O 样品重量：（实际称量重量）气 体 ： 不填 气体流量：不填操 作 者： 6、点击“确认”，计算机进入采样等待或采样（教师指导下完成）7、（教师指导下完成）按住朝下键“V”，等SV显示为“RUN”时松手，等SV显示由0开始上升，同时，观察电炉电压表指示应在10V以下（否则马上再按