实验3,华南师范大学实验报告

华南师范大学实验报告姓名：课件密码：27137组别:学号：实验题目：二茂铁及衍生物对柴油的助燃和消烟作用【前言】1、实验目的①本实验选择不同的燃油添加剂；利用氧弹量热计测定燃油在不同添加剂存在下的燃烧热，了解和比较不同汽油添加剂对柴油燃烧效率与速率的影响以及添加剂的节能助燃效应。②学习和掌握甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测定SO2气体的浓度以及盐酸萘乙二胺分光光度法测定NO2气体浓度的分析方法以及气相色谱测定方法,并应用于汽油燃烧后尾气成份的测定。③通过物理化学实验基本技术---量热技术的使用与气体无机污染物的多种分析方法（包括分光光度法和气相色谱法）的学习与应用使学生综合了解汽油添加剂在燃油助燃、消烟节能以及减少汽油尾气排放减少大气污染中所起的作用。关注社会、关注环境。2、实验意义本实验用自制的二茂铁作为添加剂，利用氧弹量热计测定燃油在是否有添加剂存在下的燃烧热，了解和比较添加二茂铁对柴油燃烧效率和速率的影响以及二茂铁的节能助燃效应。同时，学习和掌握甲醛法和盐酸萘乙二胺分光光度法分别测定SO2和NO2气体的浓度，并应用于柴油燃烧后尾气成分的测定。3、文献综述与总结3.11951年末，Kealy和Pauson利用环戊二烯成功地制备出C10H10Fe。次年，德国的Ficsher利用X光衍射技术发现二茂铁化合物具有异常高的化学稳定性。1956年Wilkinson和Woodward等通过红外光谱、磁化率以及偶极矩等技术手段确定二茂铁具有夹心结构的金属π配位化合物，证实其具有可靠的金属性能。这些研究成果是20世纪金属有机化学的重大发现，Ficsher和Wilkinson也因此获得1973年度的诺贝尔化学奖。是由于其特殊的结构和特别高的稳定性，二茂铁很快就引起了人们的研究兴趣，其合成方法也层出不穷。20世纪70年代，德国研发出了电解合成方法,随后又对该方法进行了改进，从而开辟了合成二茂铁的新天地。我国于20世纪60年代开始研制，并于1989年将二茂铁的生产和研发列为火炬计划项目。目前国外生产二茂铁的地区主要分布在德国、俄罗斯、美国等地。国内生产销售二茂铁的单位主要分布在山东、江苏、上海等地。市场价格大约为3.6万元/吨～6万元/吨不等。而进口二茂铁的价格会更高。3.2柴油用二茂铁的相关知识3.2.1二茂铁的消烟助燃作用发现较早，无讼是添加在固体燃料、液体燃料或气体燃料中，都能发挥这种效应，尤其对于在燃烧时产生烟大的烃类，其效果更为显著。将二茂铁及其衍生物添加到固体、液体或气体燃料中，能发挥其助燃、消烟和抗爆等作用，尤其是对燃烧时产生大量烟尘的烃类，效果更为显著。添加到火箭的固体燃料中，能促进燃料的充分燃烧和起到消烟作用。在柴油中加入0.1%（质量分数）的二茂铁，能起到消烟助燃作用，降低柴油发动机的排烟量和尾气中一氧化碳的含量，可减轻排放气体对环境的污染，增强发动机的功率。

3.2.2

二茂铁还能清除柴油机引擎燃烧室表面的沉积炭，并能沉积一层氧化铁膜，该膜能有效地防止炭粒子的重新沉积。将二茂铁及其衍生物添加到汽油中，可提高汽油的辛烷值并增强抗爆性能，添加到燃烧重油的锅炉中，减少生成烟尘的效果更为明显，既可提高燃油的燃烧效率，又可节约燃料油。

3.2.3二茂铁添加在煤油或柴油中，由于该发动机不用点火装置，所以不良的影响较少，在燃烧中除了消烟助燃外，其还有促使一氧化碳较化为二氧化碳的作用。另外，它在燃烧中可提高燃烧热、增加功率而达到节能和减少大气污染的效果，二茂铁添加到锅炉燃料油中，可减少烟的生成和喷嘴积碳。在柴油中添加0.1%，可消烟30-70%，节油10-14%,功率提高10%。3.3二茂铁及其衍生物的应用二茂铁主要是由1个二价铁离子和2个环戊二烯基构成，其化学上的学名是双环戊二烯基铁。由于在其结构中，亚铁离子夹在配体环戊二烯基之间，因此二茂铁也被形象地称为夹心化合物。它是一种橙(或桔)黄色的针状结晶，且具有类似樟脑的气味。相对分子质量为186，熔点是172～173℃,40℃时的分压为40Pa，沸点是249℃，隔绝空气加热至400℃不分解,但在100℃开始升华。其分子呈极性，具有高度热稳定性、化学稳定性和耐辐射性,对空气和湿气都稳定。二茂铁不溶于水、氢氧化钠和热的浓盐酸，但溶于甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、汽油、煤油、柴油、二氯甲烷、四氢呋喃、苯等有机溶剂。若采用卤化烃为溶剂，则二茂铁会在紫外光的作用下，发生光激发反应，其电子吸收光谱在大约315nm和320nm处出现吸收峰。在强酸性介质中，易被氧化成顺磁性的蓝色二茂铁阳离子，其紫外可见光谱会在615nm处出现强吸收峰。二茂铁与芳香族化合物化学性质相似，具有独特的芳香性，甚至在一些情况下，其芳香性能大于苯环。二茂铁为18电子构型，具有良好的稳定性，其中心铁原子和环戊二烯基都具有一定的活性，从而可以进行一系列的有机反应。在二茂铁的环上容易发生亲电取代反应，可进行金属化、氯化、酰基化、烷基化、磺化、甲酰化以及配合体交换等反应，从而可制备一系列用途广泛的衍生物。目前，其衍生物多达数百种二茂铁及其衍生物最广泛的用途是作为催化剂，如不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、芳酮硅烷化等。二茂铁及其衍生物还可以作为燃料油添加剂，起到节油、消烟、结炭、无腐蚀、抗爆、提高燃烧值等作用。二茂铁衍生物具有疏水性，这使其能够顺利地通过细胞膜，与细胞内物质相互作用，此外它还具有良好的稳定性、低毒性，因而可作为治疗某些疾病的药物，如抗癌药物等。由于二茂铁及其衍生物还具有氧化还原可逆性，可在酶的作用下参与代谢作用，所以它们还可用来制造植物生长调节剂、杀虫剂等。二茂铁衍生物具有良好的电导特性，当二茂铁与共轭体系衔接时，可以形成性能良好的分子导线。第一个含二茂铁代表性的分子导线是1,1′-双(三甲基甲硅烷乙炔基)二茂铁。二茂铁的热稳定性、氧化还原性、结构可变性和金属特性，使得其在液晶材料方面的应用前景也十分广阔。此外，二茂铁衍生物还被广泛地应用到抗菌剂，聚合物、纳米材料、电化学元件、生物化学、分析化学等邻域，对其的开发利用成为金属有机化学界的热议话题。3.4二茂铁系列添加剂二茂铁具有2个环戊二烯丌键结合的层状结构，丌键结合对称分子所具有的芳环性质，使其有很高的辛烷值及抗爆性，在节油、消烟、结炭、抗爆、提高辛烷值等方面有着重要的作用。将二茂铁及其衍生物添加到固体、液体或气体燃料中，都有助于消烟和抗爆等作用，比如二茂铁可作为取代造成公害的四乙基铅的汽油抗震剂，还可以作为油漆的快干剂、长效助燃剂等，尤其是对燃烧时产生大量烟尘的烃类，效果更为显著。二茂铁及其衍生物添加到锅炉燃料中，可减少烟的生成和喷嘴积炭，也可掺在煤粉中作助燃减烟使用。此外，将二茂铁添加到动力机械燃料中，可使燃烧室的积炭减少，以降低烟尘对大气的污染。比如，混合柴油中添加200×10二茂铁，烟度下降17％；在JP一4柴油中添加200×10二茂铁，烟度下降35％；添加500×10时燃烧器表面碳沉积减少75％。含氨基硅烷二茂铁的硅烷聚合物可改善冷冻润滑剂的热和水解性能。二茂铁衍生物还被用于火箭燃料的添加剂以提高固体推进剂的燃烧速度。作为消烟节能添加剂常用于汽油、柴油、重柴油等液体燃料，对节约能源、减少烟尘、防止环境污染有明显效果，因而可广泛应用于各种拖拉机、铲运车、载重汽车和内燃机车等。二茂铁及其衍生物还是一类应用较广、提高推进剂燃速幅度较大的燃速催化剂。其最主要的用途是作燃料助燃剂，如：用于提高汽油辛烷值(效能为四乙基铅的80％左右)，可代替四乙基铅制得无铅汽油；用于促进柴油燃烧完全，加入0．1％可使烟炱降低65％；在煤炭中加入0.05％，可使一氧化碳下降75％；用在火箭燃料中(用量为1％～3％)可使燃烧速度提高1-3倍。因此，二茂铁是优良的助燃催化剂，它不仅能使动力机械燃烧室的积炭减少，延长机械使用寿命，同时可提高燃料利用率，减少烟尘对大气的污染。柴油是一类分子量较大的烃类混合物，不易完全燃烧，直接用于汽车燃料，易使发动机燃烧室积碳、排放的尾气产生黑烟。本研究的目的在于探究添加二茂铁后，以改善柴油的燃烧状况，提高柴油的燃烧热值及对尾气的消烟效果。【实验部分】1、实验仪器与药品1.1实验仪器氧弹式量热装置、紫外分光光度计、数显温差测量仪、贝兊曼温度计、电子天平、万用电表、烧杯、量筒、比色管、秱液管、容量瓶、玱板吸收瓶1.2实验药品二茂铁、柴油、高压氧气瓶、二氧化硫标准吸收液（甲醛缓冲吸收液）、盐酸副玫瑰苧胺（PRA）0.05%、氨磺酸钠0.06%、氢氧化钠（1.5mol/L）、二氧化氮显色液、亚硝酸钠标准使用液（2.5μg/mL）、二氧化硫标准使用液（1μg/mL)2、实验原理2.1燃烧热的测量原理有机物的燃烧热是指1mol有机物在一个大气压下完全燃烧所放出的热量。在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热，它等于这个燃烧反应过程中内能变化。在恒压条件下测得的燃烧热成为恒压燃烧热，它等于这个燃烧反应过程的焓变。化学反应热效应通常是通过恒压热效应表示，若参加燃烧反应的是一个大气压下1mol有机物，则恒压热效应即为该有机物的标准燃烧热。在实际测量中，燃烧反应在恒容条件下迚行（如氧弹式卡热计中迚行），这样直接测得的是反应的恒容热效应。若把参加反应的气体不生成的气体作为理想气体处理，则存在下列关系式：测量的基本原理是能量守恒定理，样品完全燃烧放出的热量促使卡热计本身及其周围介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化，就可求算出该样品的恒容热效应，在量热计不环境没有热交换情冴下，其关系式为：m样为样品的重量（克）；Qv为样品的恒容燃烧热（焦/克）；W(卡计+水)是指氧弹卡计和周围介质的热当量（焦/度），它表示卡计和水每升高一度所需要吸收的热量，W(卡计+水)=14543.35（J/K）（水3000ml），W(卡计+水)一般用经恒重的标准物如苧甲酸来标定，苯甲酸的恒容燃烧热为26459.6J/g。△T为燃烧前后温度的升高值；m点火丝为点火丝的质量；Q点火丝为点火丝的燃烧热，其值为6694.4J/g。在实验过程中热漏是无法完全避克的，因此，燃烧前后温度的变化值必须经过雷诺作图法或者计算法校正。通过（2）式，分别测量柴油和在柴油中加入二茂铁后柴油燃烧放出的热量的燃烧值，即可研究二茂铁作为柴油燃烧的添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。本实验以△T/m（单位重量柴油燃烧引起的温度变化值）研究添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。图1弹式量热计装置图2雷诺作图法2.2不完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响根据2.1的实验原理与方法，对不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响可从燃烧速率（△T/t）、燃烧效率（△T/m）以及燃烧后碳渣的重量和尾气成分的变化四个方面进行研究。尾气可通过氧弹装置中的排气孔收集到集气装置中的排气孔收集到集气装置中，利用相关的分析方法与手段进行尾气的地量分析与测定，研究不完全燃烧条件下二茂铁对柴油的燃烧效率和速率的影响以及消烟助燃作用。2.3燃油燃烧尾气成分的测定2.3.1SO2气体的测定甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法可用于测定尾气中SO2气体的浓度。SO2气体被甲醛缓冲溶液吸收后，生成稳定的羟基甲磺酸加成化合物，在样品溶液中加入氢氧化钠使加成化合物分解，释放出的二氧化硫与盐酸木玫瑰苯胺、甲醛作用，生成紫红色的化合物，可在577nm处进行测定，此方法的主要干扰物为氮氧化合物、臭氧和某些重金属，加入胺磺酸钠可消除氮氧化物干扰，采用后放置一段时间臭氧可自行分解，磷酸及环己二胺四乙酸二钠盐可消除或减少某些金属离子干扰。此方法适宜的浓度范围0.003~1.07mg/m3.最低检出限0.2μg/10ml。通过氧弹排气孔收集燃油燃烧后的尾气到装有甲醛缓冲吸收液的无色多孔玻板吸收瓶中，利用甲醛缓冲溶液吸收-盐酸副玫瑰苯胺分光光度法测定尾气中SO2气体的浓度。以每克柴油放出二氧化硫气体的重量（μg）表示燃烧尾气中SO2气体的含量。2.3.2NO2气体测定盐酸萘乙胺分光光度法可用于测定尾气中NO2气体浓度。空气中的二氧化氮与吸收液中的氨基磺酸钠进行重氮反应，再与N-（1-萘基）乙二胺盐酸作用，生成粉红色的偶氮染料，可在波长540nm处进行测定，此方法的干扰物为臭氧，对二氧化氮的测定产生负干扰，采样时可在吸收瓶入口处接一段15~20cm长的硅胶管，即可将臭氧浓度将低到不干扰二氧化氮的测定水平，此方法的检出限0.12μg/10ml，空气中二氧化氮的最低检出浓度为0.005mg/m3.通过氧弹排气孔手机燃油燃烧后的尾气到装有NO2气体洗手液的棕色多孔玻板吸收瓶中，利用盐酸萘乙胺分光光度法测定尾气中NO2气体的含量。图3尾气收集装置示意图3、实验步骤3.1氧弹量热计的使用与QV的测量利用氧弹量热计测定样品的恒容燃烧热QV，以QV、△T/W、△T/△t作为柴油燃烧效率不燃烧速率的评价指标。量热计水当量值(水:3000ml)：W（卡计+水）=14541.35(J/k)；Q铁丝=6694.4J/g3.2不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧燃值和燃烧速率的影响及尾气成分测定充氧压力：9atm，①称取柴油1.3g,加入二茂铁(自合成样品或标准试剂样品)，使柴油中二茂铁含量分别为0.0%;1.0%;,测量柴油燃烧反应前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取△T；②通过△T，求取样品燃烧QV、△T/W；并仔细观察坩埚灰渣情冴和排出气体气味，称量灰渣重量。③通过燃烧反应曲线，燃烧时温度上升的速率和△T，求取△T/△t。比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异。④分别测定含量为0.0%、1.0%的样品燃烧反应后尾气排放中二氧化硫和二氧化氮的含量。3.3二氧化硫气体的测定实验步骤①二氧化硫标准曲线的绘制a．取14支10ml具塞比色管，分A、B两组分别对应编号，A组按下表配制标准系列：二氧化硫标准系列（标准使用液浓度1.00微克/毫升）b.B管组各管中分别加入0.05%PRA使用液1ml；c.A管组分别加入0.06%胺磺酸钠溶液0.5ml,1.5mol/L氢氧化钠0.5ml,混匀。d.逐管迅速分别将管中溶液全部倒入对应编号并已装有PRA使用液的B管中，立即具塞摇匀后显色，5分钟后以水为参比溶液，在577nm处测定样品中二氧化硫含量。e.将扣除空白试样的吸光度不二氧化硫含量作图,可得二氧化硫标准曲线。②样品测定将3.00ml甲醛缓冲吸收液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气，然后将吸收瓶中的样品全部秱入10ml比色管中,用少量甲醛缓冲液洗涤吸收管,倒入比色管中,并用吸收液稀释至5.0ml标线。加入0.060%胺磺酸钠0.5ml,摇匀，放置10分钟,以除去氮氧化物干扰,加入1.50ml/mol氢氧化钠0.5ml,混匀。再将此管中溶液倒入已装入PRA使用液1.00ml的比色管中,具塞摇匀，室温下显色5分钟后测定所测样品消光值，根据消光值通过二氧化硫标准曲线查得相应二氧化硫浓度，计算排放的二氧化硫总量，以每克柴油放出二氧化硫的微兊数衡量燃烧尾气中二氧化硫的排放量。3.4二氧化氮气体的测定方法——盐酸萘乙二胺分光光度法①二氧化氮标准曲线的绘制a．取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亚硝酸钠标准溶液系列b.将各管混合均匀,置于暗处中放置20min(室温低于20℃时显色40min以上)后,用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度.c.将扣除空白试样的吸光度不亚硝酸浓度作图,可得亚硝酸钠标准曲线.②样品测定将5.00ml二氧化氮显示液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气。然后将吸收瓶中的样品暗处放置20min(室温低于20℃时显色40min以上),用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度，将所测消光值在二氧化氮标准曲线上查得相应二氧化氮浓度，计算排放二氧化氮的总量，以每兊柴油放出二氧化氮的微克数衡量尾气中二氧化氮的排放量。实验现象与结果4.1实验现象①未添加二茂铁时，一定量的柴油燃烧后，在坩埚壁上面有黑色的残渣，而且残渣的量很多，并伴有少量刺激性气味气体。而添加二茂铁后，几乎没有柴油燃烧剩余，残渣的表面带有点褐色最里面则为黑色，并伴有刺激性气味。②经过点火之后，铁丝的重量有明显减少，但是因为表面沾上的炭黑影响，造成称量时重量反而增加，故有一定的误差，另外，有段铁丝在点燃后掉进了炭黑当中，也造成了重量的大量减少，故有一定的误差。③将排出的气体通入SO2显色液时溶液盐酸没有明显变化，而通入NO2显色液中则发现溶液颜色变为了粉红色。4.2实验结果用图解法求出燃烧的条件下，不同种类的添加剂和柴油混合体系燃烧时引起卡计温度变化的差值，根据（2）式计算恒容燃烧热Qv，并计算每克柴油燃烧所引起的温度变化值△T/W。以每克柴油燃烧所引起的温度变化值△T/W衡量柴油的燃烧效率。表一：实验一：不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据柴油质量：1.3129g原铁丝重量：0.0127g后称重铁丝：0.0122g点火前的温度/℃点火后的温度/℃后期温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃0.51.01.52.02.53.03.525.80225.83325.85525.87025.88025.88825.8944.04.55.05.56.06.57.026.03526.64727.31727.71327.92428.06228.1547.58.08.59.09.510.010.528.22028.26728.30528.33328.35528.37328.38611.011.512.012.513.028.39728.40628.41328.41828.422表二：实验二：不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据柴油质量：1.3076g原铁丝重量：0.0148g后称重铁丝：0.0142g二茂铁：0.0134g点火前的温度/℃点火后的温度/℃后期温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃0.51.01.52.02.53.03.54.026.14626.15926.1726.17926.1926.19426.19826.2014.55.05.56.06.57.07.58.026.28626.64627.0827.52227.86928.1228.29128.4168.59.09.510.010.511.011.512.028.49328.55628.60428.63928.66528.68628.70328.71612.513.013.514.014.528.72728.73628.74428.74928.75328.50226.249228.50226.24925.99828.175表三：实验三：不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据柴油质量：1.3167g原铁丝重量：0.0152g后称重铁丝：0.0133g点火前的温度/℃点火后的温度/℃后期温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.525.97525.98125.99526.00526.01326.01726.02226.02726.0326.03126.0326.06.57.07.58.08.59.09.510.010.511.026.06626.33126.74927.16327.85428.07828.2328.33828.42128.47928.52411.512.012.513.013.514.014.515.015.528.55728.58528.60628.62228.63728.64828.65728.66428.67116.016.517.017.528.68428.6828.68428.687表四：实验四：不完全燃烧条件下柴油燃烧热数据柴油质量：1.3033g原铁丝重量：0.0145g后称重铁丝：0.0051g二茂铁：0.0134g点火前的温度/℃点火后的温度/℃后期温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃0.51.01.52.02.53.03.54.025.52425.28325.2625.26125.26525.26925.27225.2754.55.05.56.06.57.07.58.08.525.38425.85626.33326.72627.06527.25127.51227.59227.6499.09.510.010.511.011.512.012.527.69227.72627.75327.77327.78927.80227.81427.82813.013.514.014.515.015.527.83427.83827.84227.84527.84827.85125.36128.43327.700225.36128.43327.70026.125经过雷诺矫正后△T1=28.175-25.998=2.177K△T2=28.502-26.249=2.253K△T3=28.433-26.125=2.308K△T4=27.700-25.361=2.339K由,因为没有称重碳渣重量，仅凭外观定，大概不加二茂铁有重达0.5g，加了二茂铁后为0.25g左右，以此为标准Qv1=[14541.35×2.177-（0.0127-0.0122）×6694.4]/(1.3129-0.5)=38938.58J/gQv2=[14541.35×2.253-（0.0148-0.0142）×6694.4）]/(1.3076+0.0134-0.25)=30586.04J/gQv3=[14541.35×2.308-(0.0152-0.0133)×6694.4]/(1.3167-0.5)=41078.38J/gQv4=[14541.35×2.339-(0.0145-0.0051)×6694.4]/(1.3033+0.0134-0.25)=31826.46J/g计算不同添加剂和柴油混合体系的燃烧速率△T/△t（即单位时间燃烧体系温度随时间的变化率），研究添加剂对燃油燃烧速率的影响规律。以单位时间燃烧体系温度随时间的变化率△T/△t衡量柴油的影响规律。△T1/△t1=2.177/(8.0-3.5)=0.484K/min△T2/△t2=2.253/(7.5-4.0)=0.644K/min△T3/△t3=2.308/(10.5-6.0)=0.513K/min△T4/△t4=2.339/(8.5-4.0)