实验二燃烧焓的测定

1实验二燃烧焓的测定一、实验目的：1、使用弹式量热计测定萘的燃烧焓。2、明确燃烧焓的定义，了解恒压燃烧焓与恒容燃烧焓的差别及相互关系。2、了解量热计的原理和构造，掌握其使用方法。3、掌握贝克曼温度计的使用方法。4、学会用雷诺图解法校正温度变化。二、预习要求：1、明确燃烧热的定义，了解测定燃烧热的意义。2、了解氧弹式量热计的原理和使用。熟悉温差测定仪的使用。3、明确所测定的温差为什么要进行雷诺图校正。3、了解氧气钢瓶的使用及注意事项。三、实验原理：燃烧热的定义是：一摩尔的物质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：燃烧热可在恒容或恒压情况下测定。由热力学第一定律，恒容过程的热效应Qv，即ΔU。恒压过程的热效应Qp，即ΔH。它们之间的相互关系如下：Qp=Qv+Δn(RT)(2.1)或ΔH=ΔU+Δn(RT)(2.2)其中Δn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。本实验通过测定萘的恒容燃烧热，然后再计算出萘的恒压燃烧ΔH。在实验中用压力为2.5~3Mpa的氧气作为氧化剂。用氧弹量热计进行实验时，在量热计与环境没有热交换的情况下，实验时保持水桶中水量一定，可写出如下的热量平蘅式：2-Qv×a-q×b+5.98c=C卡×△T(2.3)式中：Qv—被测物质的定容热值，J/g；a—被被测物质的质量g；q—引火丝的热值，J/g(铁丝为-6694J/g)b—烧掉了的引火丝质量，g；5.98—硝酸生成热为-59831J/mol，当用0.100mol/lNaOH滴定生成的硝酸时，每毫升相当于-5.98J（由于此项结果对QV的影响甚微，所以常省去不做）；c—滴定生成的硝酸时，耗用0.100mol/lNaOH的毫升数；C卡为量热卡计的热容J/K；△T—与环境无热交换时的真实温差。为了确定量热卡计的热容，可用通电加热法或标准物质法。本实验用标准物质法来测量量热卡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，其恒容燃烧时放出的热量为26460J.g-1。四、用雷诺作图法校正ΔT：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ΔT。而用雷诺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，如图2.1和图2.2所示。图2.1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ΔT。图中AA′为开始燃烧到温度升至室温这一段时间Δt1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Δt2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2.2，校正方法相似。3图2-1绝热较差时的雷诺校正图图2-2绝热良好时的雷诺校正图必须注意，应用这种作图法进行校正时，卡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。五、实验装置：图2.3是实验室所用的氧弹量热计的整体装配图，图2.4是用来测量恒容燃烧的氧弹结构图。图2.5是实验充氧的示意图，下面分别作以介绍。4图2.3中，内筒C以内的部分为仪器的主体，即为本实验研究的体系，体系C与外界以空气层B绝热，下方有绝缘的垫片4架起，上方有绝热胶板5敷盖。为了减少对流和蒸发，减少热辐射及控制环境温度恒定，体系外围包有温度与体系相近的水套A。为了使体系温度很快达到均匀，还装有搅拌器2，由马达6带动。为了准确测量温度的变化，我们由精密的温差测定仪来实现。实验中把温差测定仪的热敏探头插入研究体系内，便可直接准确读出反应过程中每一时刻体系温度的相对值。样品燃烧的点火由一拨动开关接入一可调变压器来实现，设定电压在24V进行点火燃烧。图2.4是氧弹的构造。氧弹是用不锈钢制成的，主要部分有厚壁圆筒1、弹盖2和螺帽3紧密相连；在弹盖2上装有用来充入氧气的进气孔4、排气孔5和电极6，电极直通弹体内部，同时做为燃烧皿7的支架；为了将火焰反射向下而使弹体温度均匀，在另一电极8(同时也是进气管)的上方还有火焰遮板9。六、实验步骤：1、样品压片：压片前先检查压片用钢模是否干净，否则应进行清洗并使其干燥，用台秤称0.8g苯甲酸（或0.6g萘），并用直尺准确量取长度为20cm左右的细Cu-Ni合金丝一根，准确称量并把其双折后在中间位置打环，置于压片机的底板压模上，装入压片机内，倒入预先粗称的苯甲酸样品，使样品粉末将合金丝环浸埋，用压片机螺杆徐徐旋紧，稍用力使样品压牢(注意用力均匀适中，压力太大5易使合金丝压断，压力太小样品疏松，不易燃烧完全)，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，在分析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1毫升蒸馏水。将样品片上的合金丝小心地绑牢于氧弹中两根电极8与10上(见图2.4氧弹剖面图)。旋紧氧弹盖，用万用电表检查两电极是否通路。若通路，则旋紧出气口5后即可充氧气。按图2.5所示，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，再次检查电极是否通路，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)3、燃烧和测量温差：按装置图将氧弹卡计及内筒，搅拌器装配好。(1)用1/10的水银温度计准确测量量热计恒温水套A（外套）的实际温度。(2)打开温差测定仪，让其预热，并将测温探头插入外套测温口中。6(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)把充好氧气的氧弹放入已事先擦洗干净的内筒C中。用容量瓶准确量取3000ml已调好温度的水，置于内筒C中。(5)检查点火开关是否置于“关”的位置，插上点火电极，盖上绝热胶木板。(6)开启搅拌马达，调节温差测定仪设定旋纽，使温差测定仪上指示为1.000，此时对应的实际温度为外套温度。(7)迅速把测温探头置于内筒C上端的测温口中，观察温差测定仪的读数，一般应在0.000-0.500之间（太低或太高都要重新调节水温，以保证外套水温在燃烧升温曲线的中间位置）。报时器每半分钟响一次，响时即记录温差测定仪上温度的读数，至少读5-10min。(8)插好点火电源，将点火开关置于“开”的位置并立即拨回“关”的位置。在几十秒内温差测定仪的读数骤然升高，继续读取读数，直至读数平稳（约25个数，每半分钟一次。如果在1-2分钟内，温差测定仪的读数没有太大的变化，表示样品没有燃烧，这时应仔细检查，请教老师后再进行处理）。停止记录，拔掉点火电源。(9)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，准确称取剩余的铁丝，根据公式2.3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0.1mol.dm-3NaOH滴定之。(100实验完毕，清洗仪器，关闭电源，整理实验台。七、实验注意事项：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、将氧弹放入量热仪前，一定要先检查点火控制键是否位于“关”的位置。点火结束后，应立即将其关上。4、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，发生危险。八、数据记录及处理：71、记录下列数据：室温：℃；实验温度：℃苯甲酸重：g；Cu-Ni合金丝质量：g剩余Cu-Ni合金丝质量：g萘的质量：g2、处理和计算由实验记录的时间和相应的温度读数作苯甲酸和萘的雷诺温度校正图，准确求出二者的△T，由此计算C卡和萘的燃烧热QV，并计算恒压燃烧热QP。3、结果讨论根据所用的仪器的精度，正确表示测量结果，计算绝对误差，并讨论实验结果的可靠性。九、讲课重点：1、量热计的工作原理及燃烧热的测定原理；2、量热计常数和标准摩尔生成热的计算。3、贝克曼温度计的使用、氧弹量热计系统的具体操作及注意事项。十、讲课难点：1、量热计的工作原理及燃烧热的测定原理；2、贝克曼温度计的使用、氧弹量热计系统的具体操作及注意事项。