实验讲义燃烧热的测定

实验一燃烧热的测定一、目的要求1．掌握氧弹式量热计的原理、构造及使用方法；2．了解微机氧弹式量热计系统对燃烧热测定的应用。二、实验原理燃烧热是指1摩尔物质等温、等压下与氧完全燃烧时的焓变，是热化学中重要的基本数据。本实验采用的氧弹式量热计是一种恒温夹套式量热计，在热化学、生物化学以及工业部门中用得很多。它测定的是恒容燃烧热。对于有固定化学组成的纯化学试剂：（1）固体样品如奈、硫；（2）液体样品如乙醇、环己烷，可以准确写出它们的化学反应方程式，通过下列关系式求出常用的恒压燃烧热，最终得到它们的反应焓变ΔCHm。Qp.m＝Qv.m＋B（g）RT（1-1）对于化学组成不固定的物质，有化学组分相同，但化学组成不一样，例如甘蔗由于压榨的工艺不同，虽然都是甘蔗渣，但它们的含水量、糖分等可能不同；有的化学组成也不同，例如不同号的柴油，由于提炼分馏时的温度不同，不但它们的化学成分不同，化学组成也不同，对这类物质只能测定恒容燃烧热，并且只能在具体的物质间进行比较，反过来研究工艺等类的问题，这类燃烧热的结果，在实践中经常用到，也是一种研究工作的方法之一。测量燃烧热的原理是能量守恒定律，一定量待测物质在氧弹中完全燃烧，放出的热量使量热计本身及氧弹周围介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化值ΔT，就可以算出样品的恒容燃烧热Qv—(m/M)Qv.m＝(ＶρC水＋C卡)ΔT－2.9l(1-2)式中：ｍ是样品的质量（g），M是待测物质的分子量，Qv.m是待测物质的恒容摩尔燃烧热（J/mol），Ｖ是测定时倒入内桶中水的体积（mL），ρ是水的密度，C水是水的热容，l是点火铁丝实际消耗长度（其燃烧值为2.9J/cm），C卡是量热计的热容，表示量热计本身温度每升高一度所需吸收的热量，可用已知燃烧热的标准物质来标定。如苯甲酸，它的恒容燃烧热Qv＝-26460J/g。本实验的关键是首先样品必须完全燃烧，所以氧弹中须充高压氧气。其次必须使燃烧尽可能在接近绝热的条件下进行。但是系统与周围环境发生热交换仍无法完全避免，因此燃烧前后温度的变化值不能直接测量准确，必须经过雷诺作图法校正。方法如下：图1－1雷诺校正图图1－2雷诺校正图称适量待测物质，使燃烧后量热计的水温升高1.5－2.0度，预先调节水温低于环境约1.0度。将燃烧前后历次观察的水温对时间作图，联成FHDG线，见图1－1。图中H点相当于开始燃烧之点，D点为观察到的最高的温度读数点，J为外套温度读数点，经过J点作平行线JI交折线于I点，过I点作垂直线，与FH线和DG线的延长线交于A、C两点，则A点与C点所表示的温差即为所求温度的升高值。图中AA’表示由于环境辐射和搅拌引进的热量而造成量热计温度的升高，必须扣除之，CC’表示由于量热计向环境辐射出热量而造成量热计温度的降低，因此须添加上。经过这样校正后A、C两点的温差较客观地表示了由于样品燃烧使量热计温度升高的数值。有时量热计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率较大，往往不断引进少量热量，使燃烧后的最高点不出现（图1－2），这种情况下仍然可以按照同法校正之。三、仪器装置及药品6142543231图1－4氧弹的构造1进出气口2电极图1－3氧弹式量热计3坩埚1外桶2内桶3氧弹4搅拌器4铁丝5传感器6控制器氧弹式量热计一台，精密温度温差仪一台，压片机一台，充氧器一台，铁丝，无水乙醇(A.R)，苯甲酸(A.R)。四、实验步骤1.准备氧弹。把氧弹的弹头放在弹头架上，然后将一段约10cm长的铁丝两端固定在弹头中两根电极上，注意铁丝不能与坩锅壁相碰。用移液管取1mL乙醇放入坩埚中，保证铁丝能与乙醇接触。把弹头放入氧弹套筒内，拧紧弹盖。将氧弹置于充氧器底座上，使其进气口对准充氧器的出气口，按下充氧器手柄。打开氧气瓶阀门，顺时针旋（即打开）减压阀，使表压达10kg/cm2以上，充氧120秒后逆时针旋（既关闭）减压阀，拉起充氧器手柄，然后将氧弹放入量热计内桶中，注意不要与搅拌器相碰。2.准备内桶水温。打开精密温度温差仪电源，将传感器插入外桶中读取外桶水温值。接着将传感器插入含自来水3500mL的塑料大量杯中，用冰块降温，令其低于外桶水温约0.5~1.0度左右(最佳0.8℃)。用容量瓶准确取3000mL已调节好的自来水注入内桶。将氧弹放入内桶，水淹没氧弹。将电极插头插在氧弹两电极上，盖上量热计盖子，将传感器插入内桶水中，打开量热计电源，开启搅拌开关，进行搅拌。3.采零锁定。待水温基本稳定后，将温差仪“采零”并“锁定”，此时内桶作为温度的零点，然后将传感器放入外桶中，当温差数据基本稳定后，读取温差值，即为外桶水温值t(℃)(虽然是温差值，但内桶为温度零点，故亦称外桶温度)，再将传感器插入内桶水中。*注意：此后温度都指温差仪上温差的数值。4.记录数据。①当传感器自外桶放入内桶后，等待温度仪上显示温差部分的数值不再往下降，而是开始往上升时，记录该温差值。之后每隔30s采集一次温差数据，持续5分钟。②按“点火”按钮（在①完成之前不可触动点火按钮），可多次重按。若点火成功，可观察到温差很快上升。③按了点火按钮后，每隔15s采集一次温差数据，再持续采集数据20分钟，然后停止记录数据。5.停止实验。关闭量热计电源，将传感器放入外桶，取出氧弹，用放气阀放出氧弹内的余气，旋开氧弹盖查看。倒掉内桶中的水并擦干待下次用。实验中若需要测量量热计的水当量，即(ＶρC水＋C卡)，可以用已知恒容燃烧热的苯甲酸为样品，按上述实验步骤进行测量。苯甲酸等固体样品，用台秤称约1.0克苯甲酸，在压片机中压成片状（不能压太紧），将此样品在电子天平上准确称量。将样品放置于坩埚中铁丝上，保证两者接触。把弹头放入氧弹套筒内，拧紧弹盖。重复实验步骤1~4，在获取了△T后，可以通过公式(1-2)计算(ＶρC水＋C卡)。五、数据记录与处理1．记录数据。外桶水温：℃表1样品燃烧过程的温度变化前期(30s/次)主期(点火后，15s/次)后期(30s/次)时间(min:s)温度(℃)时间(min:s)温度(℃)时间(min:s)温度(℃)时间(min:s)温度(℃)0:305:157:4510:301:005:308:0011:005:007:3010:0015:002．按图1-1的方式作温度-时间图，并计算出温差值△T。3．根据式(1-2)计算样品的恒容燃烧热Qv.m。4．根据式(1-1)计算样品的恒压燃烧热Qp.m并与文献值比较。六．思考题1．内桶中加入的水，为什么要准确量取其体积？2．用氧弹量热计测定燃烧热的装置中哪些是系统，哪些是环境？系统和环境之间通过哪些可能的途径进行热交换？七、学生设计实验参考1.不同产地煤燃烧值的比较分析；2.不同号的燃油燃烧值的分析比较；3.不同含水量的乳化柴油燃烧值的比较；4.可任意自选其它系统进行测量和研究。实验二液体饱和蒸汽压的测定一、目的要求1.明确液体饱和蒸汽压的定义及气液平衡的概念，了解纯液体饱和蒸汽压与温度的关系—克劳修斯—克拉贝龙方式。2.用纯液体饱和蒸汽压测定装置测定不同温度乙醇的饱和蒸汽压，并求其平均摩尔气化热和正常沸点。3.熟悉和掌握气压计的使用方法。二、原理在一定的温度下，纯液体与其气相达成平衡时的压力，称为该温度下液体的饱和蒸汽压。饱和蒸汽压与温度的关系可用克劳修斯-克拉贝龙方式来表示。2lnRTHdTPdmV（2-1）ΔVHm为在温度T时的纯液体的摩尔气化热；R为气体常数；T为绝对温度。在一定的温度变化范围内，ΔHv可视为常数，可当作平均摩尔气化热。将（2-1）式积分得：'lnCRTHPmV或lg2.303VmHPCCRATT（2-2）C为积分常数。由式（2-2）可知，lgP与1/T是直线关系，直线的斜率：A=-ΔVHm/2.303R，因此可求出ΔvHm。测定饱和蒸汽压的方法主要有以下三种：(1)饱和蒸汽压法在一定的温度和压力下，把干燥气体缓慢地通过被测液体，使气流为该液体的蒸汽所饱和。然后可用某物质将气流吸收，知道了一定体积的气流中蒸汽的重量，便可计算蒸汽的分压，这个分压就是该温度下被测液体的饱和蒸汽压。此法一般适用于蒸汽压比较小的液体。(2)静态法在某一温度下，直接测量饱和蒸汽压，此法适用于蒸汽压比较大的液体。(3)动态法在不同外界压力下测定液体的沸点。本实验用静态测定乙醇在不同温度下的饱和蒸汽压。所用的仪器是纯液体蒸汽压测定装置，见图2-1，4是平衡管，由A和U形管B、C组成。平衡管上焊接一冷凝管5，以橡皮管用12与压力计相连，压力计与减压系统相连接。A内装待测液体，当A球的液体面上纯粹是待测液体的蒸汽，而B管与C管的液体面处于同一水平时，则表示B管液体面上的蒸汽压（即A球面上的蒸汽压）与加在C管液面上的外压相等。此时，体系气液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。用当时的大气压减去压力计的压力，即为该温度下液体的饱和蒸汽压。当外压是1大气压时的温度，叫做液体的正常沸点。三、仪器和药品纯液体蒸汽压测定装置一套；抽气泵（公用）；DP-A精密数字气压计；无水乙醇（A·R）四、实验步骤图2-1液体饱和蒸气压测定装置图1.系统漏气检查打开连通大气的“平衡阀1”，开启压力计并按“采零”、单位为“kPa”,打开真空泵，关闭连通大气的平衡阀1，连通抽气阀和平衡阀2，抽气，使系统减压。此时压力计的显示压力的数值随系统减压程度的加大而增加。当压力计显示压力为-50~-60kPa时，关闭平衡阀2和抽气阀，如果在1分钟内，压力计显示压力基本不变。则表明系统不漏气；若有明显变化，则说明漏气，应仔细检查各接口处直至不漏气为止。2.不同温度下乙醇的饱和蒸汽压的测定1mmHg=1mmHg×101.325kPa/760mmHg=0.13332kPa打开恒温水浴的搅拌、加热开关。打开恒温控制器开关，设定“回差”为0.1，将智能恒温控制器设定到50℃，接通冷却水。当恒温水浴达到设定温度后，打开抽气阀和平衡阀2，使系统减压至压力计读数约为-75kPa，关闭抽气阀和平衡阀2。同时有气泡自平衡管C管逸出，气泡逸出的速度以一个一个地逸出为宜，不能成串成串地逸出，当气泡逸出速度太快时可微打开平衡阀1，缓缓放入空气调节。保持如此沸腾状态约2min。然后打开连通大气的平衡阀1（切不可太快，以免空气倒灌入球。如果发生空气倒灌，则打开平衡阀2抽气），当C管与B管中两液面趋于水平时，将平衡阀1关闭，读取压力计读数。自50℃起液体温度每升高5℃测定一次，共测5个点。在升温过程中，应注意调节使气泡逸出的速度以一个一个地逸出为宜。（饱和蒸汽压=大气压—︱压力计读数︱）实验完毕，打开平衡阀1使系统恢复至大气压。关闭冷却水。五、数据处理和结果被测液：室温：℃大气压：数据记录温度压力计读数乙醇饱和蒸汽压t/0CT/K1/TPlgP（1）由上表格数据绘出蒸汽压P对温度T之曲线（P-T图）。（2）绘出lgP-1/T之直线图，求出此直线斜率，由斜率算出乙醇在此温度间隔中的平均摩尔气化热ΔVHm和乙醇的正常沸点。（3）以上数据采用计算机进行处理，并打印图形、结果和相关系数。六、思考题（1）说明饱和蒸汽压、正常沸点和沸腾温度的含义。本实验用什么方法测定乙醇的饱和蒸汽压？（2）何时读取压力计的读数？所取读数是否就是乙醇的饱和蒸汽压？附录1：实验操作：1．打开电源开关。2．开启搅拌开关，搅拌器调至慢挡。3．开启加热开关，加热器先调至“强”位置，(但当温度接近所设温度前20C～30C）将加热器置于“弱”挡位置，以减缓升温速度，使温度上升平稳，避免温度过冲，以达到理想的控温效果。4.打开SWQ控温器电源开关，调节控温器上的各功能。5．关机：首先关断SWQ智能数字恒温控制器电源，然后关闭加热器和搅拌器的电源开关。附录2：SWQ智能数字恒温控制器使用方法1.开电源开关。按“回差”键，回差将依次显示为：0.5、0.4、0.3、0.2、0.1。选择所需的回差值即可。2.设置恒温温度。按“▼”,”▲”各键,依次调整设定温度的数值至所需温度值，设置完毕转换到工作状态(“工作”指示灯亮)。3.仪器工作状态:当介质温度