燃烧热的测定实验报告解读

1 浙江万里学院生物与环境学院浙江万里学院生物与环境学院 化学工程实验技术实验报告 实验名称 燃烧热的测定 姓名成绩 班级学号2012013398 同组姓名实验日期2015 年 6 月 19 日 指导教师签字批改日期 年 月 日 2 一 一 实验预习实验预习 30 分 1 实验装置预习 10 分 年 月 日 指导教师 签字 成绩 2 实验仿真预习 10 分 年 月 日 指导教师 签字 成绩 3 预习报告 10 分 指导教师 签字 成绩 1 实验目的 1 用氧弹量热计测定蔗糖的燃烧热 2 掌握恒压燃烧热与恒容燃烧热的概念及两者关系 3 了解氧弹量热计的主要结构功能与作用 掌握氧弹量热计的实验操作技术 4 学会用雷诺图解法校正温度变化 2 实验原理 标准燃烧热的定义是 在温度 T 参加反应各物质均处标准态下 一摩尔 相的物质 B 在纯氧中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 如苯甲酸在 298 15K 时的燃烧反应过程为 液 气 气 固 OHCOOCOOHHC 22256 37 2 15 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 1 nRTQQ VP 或 2 nRTUH 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 为反应的绝对温度 本实验通 过测定蔗糖完全燃烧时的恒容燃烧热 然后再计算出蔗糖的恒压燃烧 H 在计算蔗糖的恒 3 压燃烧热时 应注意其数值的大小与实验的温度有关 其关系式为 3 PrP C T H 式中的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 PrC 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 热量是一个很难测定的物理量 热量的传递往往表现为温度的改变 而温度却很容易测 量 如果有一种仪器 已知它每升高一度所需的热量 那么 我们就可在这种仪器中进行燃 烧反应 只要观察到所升高的温度就可知燃烧放出的热量 根据这一热量我们便可求出物质 的燃烧热 在实验中我们所用的恒温氧弹量热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 2MPa 左右大气压的纯氧 这一装置的构造将在下面做详细介绍 为了确定氧弹量热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 或标准物质法标定 本实验用标准物质法来测量氧弹量热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 其恒容燃烧时所放出的热量为 26460 J g 1 实验中将苯甲酸压 片后准确称量与该数值的乘积即为所用苯甲酸完全燃烧放出的热量 点火用的 Cu Ni 合金丝 燃烧时放出的热量 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 其总和一并传给氧弹量热计使其温度升高 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 2000 毫升水 等所吸收 得到温度的变化为 T 所以氧弹量 热计的热容为 4 T VlmQ T Q C V 98 5 9 2 卡 式中 m 为苯甲酸的质量 准确到 1 10 5克 l 为燃烧掉的铁丝的长度 cm 2 9 为每厘米铁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 L 3的 NaOH 溶液的体积 5 98 为消耗 1mL 0 1mol L 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 2000mL 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 5 待测物质的摩尔质量 待测物质的质量 卡 待测物 M m VlTC QV 98 5 9 2 然后根据公式 1 求得该物质的恒压燃烧热 QP 即 H 四 用雷诺作图法校正四 用雷诺作图法校正 T 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 T 而用雷诺 4 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 图 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 2 校正 方法相似 必须注意 应用这种作图法进行校正时 氧弹量热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 3 实验装置与流程 将燃烧热实验的主要设备 仪器和仪表等按 编号顺序添入图下面相应位置 1 氧弹 2 测温探头 3 内筒 4 内筒底座 5 外筒 6 搅拌装置 1 电加热棒 2 塔釜 3 压力表 4 塔体 5 放空阀 6 冷凝器 7 铜电阻 8 转子流量计 9 阀门 10 取样口 11 液位计 12 原料槽 13 磁力泵 14 仪表箱 15 高位槽 精馏装置流程图 1 电加热棒 2 塔釜 3 压力表 4 塔体 5 放空阀 6 冷凝器 7 铜电阻 8 转子流量计 9 阀门 10 取样口 11 液位计 12 原料槽 13 磁力泵 14 仪表箱 15 高位槽 精馏装置流程图 5 1 氧弹体 2 氧弹盖 3 螺帽 4 进气孔 5 排气孔 6 氧弹头 7 燃烧杯 8 电极 9 遮板 10 卡 套 4 简述实验所需测定参数及其测定方法 1 量热计水当量的测定 求 C卡 1 样品压片 压片前先检查压片机钢模是否干净 否则应用酒精棉球进行清洗 并使 其干燥 用台秤称 0 8 1 0g 苯甲酸 倒入压片机内 用压片机螺杆徐徐旋紧 用力使样品压 牢 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 在电子天平上用减量法准确称量后供燃烧使用 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 10 毫升蒸馏水 把盛有苯甲酸的坩埚放在坩埚架上 将已准确称量好的 15cm 长镍丝中段弯成螺旋状 两端小心地绑牢于氧弹中两根电极 3 见图 4 氧弹剖面图 中段 和苯甲酸片接触 镍丝勿接触坩埚 旋紧氧弹盖 用万用电表检查两电极是否通路 若通路 即可充氧气 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 氧气减压器的使用见附 录 必须认真学习 充完气后 再用万用表检查两个电极是否相通 1 电加热棒 2 塔釜 3 压力表 4 塔体 5 放空阀 6 冷凝器 7 铜电阻 8 转子流量计 9 阀门 10 取样口 11 液位计 12 原料槽 13 磁力泵 14 仪表箱 15 高位槽 精馏装置流程图 1 电加热棒 2 塔釜 3 压力表 4 塔体 5 放空阀 6 冷凝器 7 铜电阻 8 转子流量计 9 阀门 10 取样口 11 液位计 12 原料槽 13 磁力泵 14 仪表箱 15 高位槽 精馏装置流程图 6 2 燃烧和测量温差 1 打开测热控制器与计算机 2 用 1 10 的水银温度计准确测量量热计恒温水外套 7 的实际温度 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 按图将内筒放在外筒隔热支架上 然后将氧弹座套在已经装好试样 充好氧气的 氧弹上 用专用提手将氧弹平稳放入内筒 8 装中 用容量瓶准确量取 2000ml 已调好温度的 水 置于内筒 8 中 并检查氧弹的气密性 如有气泡出现 表明氧弹漏气 应找出原因 加 以纠正 重新装样充氧 注意箱体盖上的两个长短电极 要求与氧弹可靠接触 最后盖上箱 盖 将温度传感器探头插入内筒水中 测温探头和搅拌叶不得接触弹筒和内筒壁 5 打开量热应用软件 进入程序操作阶段 系统默认 进行热量测试 按 开始 后 操作鼠标单击进入 系统设置 菜单 进 行配置参数的设定 参数设定完毕 按下 1 开始测试 或 2 开始测试 一般 1 台计算 机只控制一台热量计 所以通常操作 1 开始测试 检查是否将测温探头是否已经放入 内筒是 若是 则按下 启动 此时内筒中的搅拌器开始运转 自动搅拌 5 分钟使内筒 中的水温均匀后 热量计开始自动进入初期温度测定 初期温度测定完之后 计算机提示将 测温探头移入筒 处筒温度测定好之后 计算机又提示将测温探头移入内筒 热量计开始自 动点火 并进行主期与末期的温度测定 显示出实验结果 标志着实验结束 6 测试完毕 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 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 1 mol L 3NaOH 滴定之 最后用蒸馏水仔细洗涤弹头 电极 坩埚架 弹筒内壁和坩埚 3 蔗糖恒容燃烧热的测定 称取 0 6 克的蔗糖 按上述操作步骤与计算机软件提示 进行压片 称重 燃烧等实验 操作重复一次 测量蔗糖的恒容燃烧热 QV 并根据公式 1 计算 QP 即为 H 并与手册 作比较 计算实验的相对误差 5 实验操作要点 1 压片时应将 Cu Ni 合金丝压入片内 2 氧弹充完氧后一定要检查确信其不漏气 并用万用表检查两极间是否通路 3 氧弹充氧的操作过程中 人应站在侧面 以免意外情况下弹盖或阀门向上冲出 发 7 生危险 4 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 5 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 6 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 20 5 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 7 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 8 本装置可测绝大部分固态可燃物质 对一般训练操作最好采用 蔗糖 葡萄糖 淀 粉 萘 葸等物 液态可燃物 沸点高的油类可直接置于燃烧皿中 用引燃物 如棉线 引燃 测定 如是沸点较低的有机物 可将其密封于小玻璃泡中 置于引燃物上将共烧裂引燃测定 之 9 氧弹热量计是一种较为精确的经典实验仪器 在生产实际中仍广泛用于测定可燃物 的热值 有些精密的测定 需对氧弹中所含氮气的燃烧值作校正 为此 可预先在氧弹中加 入 5ml 蒸馏水 燃烧以后 将所生成的稀 HNO3溶液倒出 再用少量蒸馏水洗涤氧弹内壁 一并收集到 150mL 锥形瓶中 煮沸片刻 用酚酞作指示剂 以 0 100mo1 dm 3的 NaOH 溶液 标定 每毫升碱液相当于 5 98J 的热值 这部分热能应从总的燃烧热中扣除 10 若用本实验装置测出苯 环已烯和环己烷的燃烧热 则可求算苯的共振能 苯 环 己烯和环已烷三种分子都含有碳六元环 环己烷和环己烯的燃烧热焓 H 的差值 E 与环环 己烯上的孤立双键结构相关 它们之间存在下述关系 6 E H H 环已烷环已稀 如将环己烷与苯的经典定域结构相比较 两者燃烧热焓的差值似乎应等于 3 E 事实证 明 7 H H 3 E 环已稀苯 显然 这是因为共轭结构导致苯分子的能量降低 其差额正是苯分子的共轭能 E 即满 足 8 3 E EHH 环已烷苯 将 1 8 式代入 1 10 式 再根据 经整理可得到苯的共振能与恒容 pV H Q Q nRT 燃烧热的关系式 8 9 VVV E 3 Q 2 Q Q 5 环已烷 环已烯 苯 这样 通过一个经典的热化学实验 将热力学数据比较直观地与一定的结构化学概念联 系起来 有利于开阔学生的思路 二 实验操作及原始数据表实验操作及原始数据表 20 分 1 实验数据 苯甲酸 反应前期 1 次 min 反应中期 1 次 15s 反应后期 1 次 30s 时间温度时间温度时间温度 127 331127 342129 496 227 331 40 29 066229 493 327 332329 325329 489 427 332429 407429 485 527 334529 453529 48 627 336629 478629 476 727 338729 491729 47 827 339829 497829 466 927 34929 5929 461 101029 4991029 456 原始数据记录 燃烧丝长 15 cm 苯甲酸样品重 0 8136 g 剩余燃烧丝长 7 1 cm 水温 27 544 指导教师 签字 成绩 混合物 蔗糖 苯甲酸 反应主期 1 次 60s 时间温度 128 935 1 40 30 591 330 489 9 430 851 530 884 630 900 730 906 830 906 原始数据记录 燃烧丝长 15 cm 样品重 0 5167 g 剩余燃烧丝长 7 cm 水温 28 203 指导教师 签字 成绩 三 三 数据处理结果数据处理结果 30 分 1 由实验数据用雷诺校正作图分别求出苯甲酸 样品燃烧前后的 t始和 t终 10 T苯甲酸 2 2 T样品 1 7 2 由苯甲酸数据求出量热计当量 C 2 2 9 79 2264838136 0 9 2 T lmQ T Q C V 卡 9804 31J K 3 求出样品的燃烧热 QV 换算成 Qp 4433 0 26483342 5167 0 89 2 7 131 9804 9 2 待测物质的摩尔质量 待测物质的质量 卡 M m lTC QV 11004887 6J mol 7788644 59 0 8 314 298 15 11004887 6J molnRTQQ VP 四 思考题思考题 20 分 1 在本实验的装置中哪部分是燃烧反应体系 燃烧反应体系的温度和温度变 化能否被测定 为什么 答 在本实验装置中 氧弹的内部是被测物质的燃烧空间 也就是燃烧反应体系 由于做 燃烧实验时要在氧弹中充入高压的氧气 燃烧瞬间将产生高温 这样就无法将温度计 或温 差计 直接插入到高压氧弹中或者因为温度计无法承受高压或高温 另外温度计是玻璃或金 11 属外壳 在氧弹外面也无法与氧弹紧密接触 或者有的温度计 如热电偶 达不到测量精度 所以很难对燃烧反应体系进行温度或温度差的测量 2 在本实验的装置中哪部分是测量体系 测量体系的温度和温度变化能否被测 定 为什么 答 由于不能直接对燃烧反应体系进行温度或温度差测量 因此就需要将燃烧反应体系 氧 弹 放入到一种可以进行温度或温度差测量的介质中去 构成比燃烧反应体系大的测量体系 在本实验的装置中 盛水桶 3000ml 水 刚好可以淹没氧弹 和氧弹三部分组成了测量体系 温度计可以插入到水中并与水紧密接触 不需要承受高压和高温 这样可以根据测量体系的 温度变化去推断燃烧反应进行所放出的热量 3 在本实验中采用的是恒容方法先测量恒容燃烧热 然后再换算得到恒压燃烧 热 为什么本实验中不直接使用恒压方法来测量恒压燃烧热 答 原因 如果是使用