苯共振能的测定

1、苯共振能的测定丁月蓉1* 通讯作者：（学号）201311104122收稿日期：2015/9/6， 杨树2（1昆明理工大学理学院，云南昆明，650500；2 昆明理工大学化学工程学院，云南昆明，650500）摘要：利用氧弹热量计测定苯的共振能是通过测定苯、环己烯、环己烷这三种物质的燃烧热间接测定，再利用燃烧热数据运用差值法估算得到苯的共振能为484kJ·mol-1。说明苯分子共轭后稳定性增强，但是数据由于未平行测定导致和文献参考值出入很大，没有参考价值。关键词：苯环己烯共振能燃烧热引言杂化体的能量总是低于各极限结构，常用共振能的概念来表示该降低值。它被定义为杂化体能量低于最稳定极限结构

2、能量的数值，常与另一个概念离域能混用。电子的离域降低了轨道能，增加了分子的稳定性，常会造成分子的芳香性，如苯。共振能随着极限结构数的增多而增大，尤其是存在等价极限结构时（能量相等）。苯分子是一个典型的共轭分子，其P电子轨道相互平行重叠，形成离域的大键。共振能E（或称稳定化能）可以用来衡量一种共轭分子的稳定性。通过测定燃烧热这一经典的热化学实验，能将热力学数据比较直接的与一定的结构化学概念联系起来，有利于开阔我们的思路1。1实验部分1.1常用的实验药品及仪器：环己醇、浓硫酸、浓磷酸、对甲基苯磺酸、食盐、无水氯化钙、5碳酸钠水溶液。氧弹量热计， 压片机， 数字贝克曼温度计， 分析天平、苯、 环己烯

3、、 环己烷、 苯甲酸 、 药用胶囊、镍铬合金丝、量杯、SWC-D数字温差仪。1.2实验原理1.2.1环己烯的合成：烯烃是重要的有机化工原料。工业上主要通过石油裂解的方法制备烯烃，有时也利用醇在氧化铝等催化剂存在下，进行高温催化脱水来制取,实验室里则主要用浓硫酸，浓磷酸做催化剂使醇脱水或卤代烃在醇钠作用下脱卤化氢来制备烯烃。根据文献的查阅，现在的超强固体酸，和在油浴的条件的方法正在大力推广，但是由于实验室条件有限，所以还是采用了较为成熟传统的方式。本实验就采用浓磷酸做催化剂使环己醇脱水制备环已烯。通过几种催化剂的产量对比（包含了浓硫酸，浓磷酸，对甲苯磺酸钠，三氯化锌），最终选择了产率相对较高也比

4、较熟悉的浓磷酸作为催化剂制取苯甲酸钠。折光率是由于在测定的时候，数显的折光率测试仪没有调试好，所以在摸索条件的时候得到了不可靠的数据，所以选择催化剂的时候，选用的是以前有机实验课上用过的浓磷酸。1.2.2燃烧热的测定苯、环己烯、环己烷三种分子都含有碳六环，环己烯和环己烷的燃烧热H的差值E与环己烯上的孤立双键有关即EH环己烷H环己烯 （1）如将环己烷与苯经典定域结构相比较，两者燃烧热的差值应等于3E，事实上H环己烷H苯3E （2）显然，这是因为共轭结构导致苯分子能量降低，其差值即为苯的共振能：H环己烷H苯3EE （3）整理三式并把HQpQvnRT带入可得苯的共振能与恒容燃烧热的关系式E3Qv,环

5、己烯2Qv,环己烷Qv,苯21.3 试验方法1.3.1环己烯的合成5-61）向50ml干燥的圆底烧瓶中加入环己醇20.8ml，浓磷酸8ml和几粒沸石，充分震荡摇匀，搭好分馏装置。2）用电炉加热混合物至沸腾，控制温度不超过90摄氏度，当烧瓶内出现阵阵白雾即可停止加热。3）将馏出液用1g食盐饱和，然后用24ml5%的碳酸钠中和微量的酸，并进行分液。4）将上层有机相倒入干燥的锥形瓶中，加入适量的无水氯化钙干燥。静置15分钟，进行蒸馏。1.3.2测定弹式量热计的热容测定弹式量热计的热容 称取0.9 g 左右的苯甲酸，在已擦干净的压片机上压片，用实验所用的镍铬合金丝为点火丝，装成“成”字形，附着在压片机

6、上压片。并在分析天平上精确称重后置于量热计燃烧匙中，使合金丝接在点火电极上。然后小心装进氧弹里， 氧弹充入高压氧气，将氧弹置于量热计中，加入3000 ml 水，接通电源, 按量热计的操步骤测定水的温度升高值, 待温度基本稳定后用SWC-D数字温差仪每隔30s记录一组数据，点火前后各记录五分钟。1.3.3胶囊燃烧热的测定由于单个胶囊的燃烧热数值太小，可用镊子将其挤扁再折叠压片称量，一般用13个胶囊燃烧，使用同样的镍铬合金丝作为点火丝，刚好能使水温升高一定的温度。可以得出胶囊的燃烧热，最后量取剩余点火丝的长度。1.3.4测定试样的燃烧热3（1）选取3个密封良好的药用胶囊，在天平上称其质量，打开其中

7、两个个胶囊，用滴管小心的滴入苯，胶囊和苯控制总量在0.65g左右，再套好胶囊称其质量，扣除胶囊质量即得苯的质量。另外一空胶囊用于装点火丝，将装好苯的胶囊置于燃烧匙中，接上点火丝，此时最好将点火丝紧贴在胶囊上以保点火成功，然后充入氧气，测其燃烧热，扣除胶囊的燃烧热后即为苯的燃烧热。（2）选取3个密封良好的药用胶囊，在天平上称其质量，打开其中两个个胶囊，用滴管小心的滴入环己烷，胶囊和环己烷控制总量在0.66g左右，再套好胶囊称其质量，扣除胶囊质量即得环己烷的质量。另外一个空胶囊用于装点火丝。将装好环己烷的胶囊置于燃烧匙中，接上点火丝，此时最好将点火丝紧贴在胶囊上以保点火成功，然后充入氧气，测其燃烧

8、热，扣除胶囊的燃烧热后即为环己烷的燃烧热。（3）选取3个密封良好的药用胶囊，在天平上称其质量，打开其中两个个胶囊，用滴管小心的滴入环己烯，胶囊和环己烯控制总量在0.62g左右，再套好胶囊称其质量，扣除胶囊质量即得环己烯的质量。另外一个空胶囊用于装点火丝。将装好环己烯的胶囊置于燃烧匙中，接上点火丝，此时最好将点火丝紧贴在胶囊上以保点火成功，然后充入氧气，测其燃烧热，扣除胶囊的燃烧热后即为环己烯的燃烧热。1.4计算方法燃烧热的计算所用公式分别有三个：C=26480.5×m苯甲酸+8.37×l丝T(该公式计算体系的热容)Q胶囊 =T×C-8.37×L丝m胶囊（

9、胶囊燃烧热）QX=C×T-8.37×L丝-Q胶囊×m胶囊mM2、结果讨论2.1实验数据记录2.1.1环己烯的合成（23.6）催化剂的选取表1三种催化剂对产率的影响催化剂产率折光率浓硫酸31%1.5712磷酸49%1.5702对甲苯磺酸51.2%1.5743用实验合成的环己烯通过称重，测定折光率，得到以下数据。表2 环己烯的产率及折光率催化剂产率折光率磷酸63.97%1.4444在选取催化剂的过程中，虽然对甲苯磺酸产率最高，而磷酸的相对次之，但是在参考折光率可以发现，在温度接近20时，磷酸作催化剂的产物更纯一些。根据查阅所得数据，环己烯在20时的折光率为1.4465

10、，对比可知合成的环己烯纯度还是比较高的，可以近似认为是纯物质，而产率也比在摸索最优条件时要高。2.1.2燃烧热(表3苯甲酸和合金丝(L=12cm)的测定质量/g初温/温差校正值用去丝长/cm时间间隔/s0.881819.311.57967.430图1 苯甲酸雷诺温度校正图根据公式计算得到：C=14722J·K，苯甲酸在压片过程中由于压制的不是特别紧实，所以在栓的过程中有部分药品脱落，造成质量上的损失，因此计算出来体系的热容有点偏小。2、胶囊的测定表4胶囊的测定质量/g初温温差校正值用去丝的长度时间间隔/s1.286418.681.61156.430 图2胶囊雷诺温度校正图根据公式得：

11、Q胶囊=18401J·g，胶囊是在捏扁之前称重，在捏扁过程中手上的汗渍可能会对结果有所影响。3、苯的测定表5苯的测定胶囊质量/g总质量/g苯的质量初温温差校正值用去丝长/cm时间间隔/s0.29850.70320.404721.021.552210.030图3 苯雷诺温度校正图根据公式可得：Q苯=3326 kJ·mol，苯的文献参考值为3265kJ·mol，实验所得数据要比理论值高。可能是在实验过程中没有更换水，导致一开始体系温度就有点高，从而因其误差。表6环己烷胶囊质量/g总质量/g环己烷的质量/g初温温差校正值用去丝长/cm时间间隔/s0.29700.6251

12、0.328119.831.39399330图4环己烷雷诺温度校正图根据公式得：Q环己烷=3826 kJ·mol，它的理论值为3916 kJ·mol，二者差距较小，其中可能的原因应该是在燃烧过程中，温度较高而有机溶剂有挥发性。而且称量过程中也会有损失，这样以来，就会使校正温度偏低，从而导致结果整体偏低。表7表环己烯的测定胶囊质量/g总质量/g环己烯的质量/g初温温差校正值用去丝长/cm时间间隔/s0.29830.70000.401718.901.65127.530图5环己烷雷诺温度校正图根据公式得：Q环己烯=3822kJ·mol，环己烯的理论数值为3747kJ

13、83;mol，实验数据与该数据存在着较大的差异，但是又找不出原因所以可能是实验错误导致的。表8苯共振能的测定物质QC/ kJ·molE/ kJ·mol环己烷环己烯苯3828382233264842.2数据处理(1)苯甲酸数据处理已知苯甲酸标准C=24680.5 Jg合金丝C=8.37 Jg燃烧的合金丝长度为L=7.4cm 已知合金丝1cm为1mg 燃烧的苯甲酸质量为m=0.8818-7.2*1/1000=0.8744g 由雷诺校正图知t=1.5769C=Q/t=(0.8744*26480.5+8.37*7.4)/1.5769=14722JK(2)胶囊数据处理已知胶囊质量m=

14、1.2864g 燃烧的合金丝长度为L=6.4cm 雷诺校正图知t=1.6115 -Q(胶囊)=Ct-8.37*L/m=14722*1.6115-8.37*6.4)/m(胶囊) =18402Jg(3)苯的数据处理已知苯质量m=0.4047g 燃烧的合金丝长度为L=10cm 雷诺校正图知t=1.5522 -Q(苯)=（Ct-8.37*L丝-Q胶*m胶）/n=（14722*1.5522-8.37*10-18401*0.2985）/(0.4047/78)/1000=3330 kJmolH=Q+nRT=3330-1.5*8.314*(273.15+21.02)/1000=3326 kJmol(4)环己烷

15、的数据已知环己烷质量m=0.3281g 燃烧的合金丝长度为L=9.3cm 雷诺校正图知t=1.3939 -Q(环己烷)=（Ct-8.37*L丝-Q胶*m胶）/n=（14722*1.3939-8.37*9.3-18401*0.2970）/(0.3281/84)=3835 kJmolH=Q+nRT=3835-3*8.314*（273.15+19.83）/1000=3828 kJmol(5)环己烯的数据处理已知环己烯质量m=0.4017g 燃烧的合金丝长度为L=7.5cm 雷诺校正图知t=1.6512 -Q(环己烯)=（Ct-8.37*L丝-Q胶*m胶）/n=（14722*1.6512-8.37*7

16、.5-18401*0.2983）/(0.4017/82)=3828 kJmolH=Q+nRT=3828-2.5*8.314*(273.15+18.90)/1000=3822 kJmol（6）苯共振能的计算苯的共振能：E=(H环己烷 H苯）3（H环己烷H环己烯） =484 kJ·mol3、结论1）根据实验测得苯的共振能为查阅多个文献可知E=801204 kJ·mol-，但是实验数据却大的如此多，根据理论数据，Qc环己烯=37471kJ·mol-但是实验数据却大了100多千焦，所以可以推测主要问题出在了环己烯燃烧热的测定上，由于实验数据与参考文献上的数值出入较大，所以

17、此次实验的结果并不可靠。而苯的燃烧热也稍大了点，环己烷的之比较相近。2） 误差产生的原因有以下几点：a、在称量过程中的误差b、测定过程仅有一遍，所以不能排除操作失误的可能性。c、由于环己烯取得量较大，所以导致在燃烧的过程中出现问题，导致t偏大所以测量 后的计算值就比较大。D、环己烷的测定偏小可能是由于燃烧时温度较高，有部分药品挥发。3）实验有待改进的地方 虽然苯的共振能的实验数据与理论数据相差较大，但是从另外一个角度来看，苯和环己烷测得的燃烧热数值和理论数值相差还是比较小的，所以也不能全盘否定用燃烧热的方法测定苯的共振能不可行，而且很多时候人为的原因也会造成很离谱的结果，我们实验采用一锤定音的方式并没有平行测定，这可以说时实验失败最直接的原因，所以在以后的试验中测定应该保持科学的严谨态度，做平行测定，给出科学的解释。总的来说呢成败各占一半，失败的就不再重复讲述了，但是也得肯定我们在此次实验中所付出的努力和所学到的知识。感谢老师的指导，感谢同组人员的辛勤努力以及全力配合。参考文献1朱京, 陈卫, 金贤德, 等. 液体燃烧热和苯共振能的测定J. 化学通报, 1984, 3: