燃烧热的测定

燃烧热的测定实验目的1、掌握用氧弹热量计测量燃烧热的原理及使用方法2、掌握温差测量的实验原理和技术3、掌握用雷诺图解法进行温度校正的方法实验原理本实验采用环境恒温式氧弹热量计测量固体物质的燃烧热，热量计的结构及氧弹构造见实验教材第165页。氧弹热量计测量燃烧热的原理是能量守恒定律：待测样品在充满高压氧气（约1.2Mpa）的氧弹内完全燃烧，将释放的热量全部传给氧弹及其周围的介质（水）和其它附件（包括测温元件、搅拌器和内水桶等），通过测量介质的温度变化（本实验采用铂电阻温度计测量），求得待测样品的燃烧热，计算公式如下：(1)式中，w样品和M样品分别是被测样品的质量（g）和摩尔质量（gmol-1）；Qv,m为被测样品的恒容摩尔燃烧热，Jmol-1；q1点火丝（铜丝）的燃烧热,Jg-1；x为烧掉的点火丝的质量，g；q2为氧弹内的N2生成硝酸时放出的热量，J；K为仪器常数,JmV-1；V为记录仪上输出的不平衡电势信号，mV。仪器常数K一般用已知燃烧热的标准物质苯甲酸来标定。实验要求掌握的知识点（1）恒压燃烧热（Qp）与恒容燃烧热（Qv）1mol物质在恒温、恒容或恒温、恒压下完全燃烧时所释放的热量称为该物质的恒容摩尔燃烧热（Qv,m）或恒压摩尔燃烧热（Qp,m）。完全燃烧是指CCO2(g)，HH2O(g)，SSO2(g)，NN2(g)、ClHCl(aq)等。若将参与反应的所有气体看作是理想气体，则Qv,m和Qp,m之间有如下关系式：BBmvmpRTgQQ)(,,(2)式中，B(g)为参加燃烧反应气体组分的化学计量系数（反应物为负，产物为正）；R为摩尔气体常数；T为反应的热力学温度。VKqxqQMwmv21，样品样品用氧弹热量计测得的燃烧热为恒容摩尔燃烧热，然后由（2）式计算得到恒压摩尔燃烧热。（2）雷诺图解法用氧弹热量计测量物质的燃烧热，关键在于测准温度变化值。虽然氧弹热量计设计时，已采取措施尽量减少系统与环境之间的热损失，使系统近似看成是一个绝热系统，但实际上热量计与周围环境的热交换无法完全避免，对温差测量值有影响，一般需按雷诺（Renolds）图解法进行温度校正。具体方法为：称取适量待测样品，估计其燃烧后可使水温上升1.5-2.0oC。预先调节水温低于室温1.0oC左右。按操作步骤进行测定，将燃烧前后观察所得的一系列水温和时间关系作图，得一曲线如图所示。图中H点意味着燃烧开始，热传入介质；D点为观察到的最高温度值；从相当于室温的J点作水平线交曲线于I，过I点作垂线ab，再将FH线和GD线延长并交ab线于A、C两点，AC间的温差即为经过校正的T。图中AA’为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间t1内，由环境辐射和搅拌引起的能量所造成的升温，故应予扣除。CC’为水温升高到最高点D这一段时间t2内，热量计向环境的热漏造成的温度降低，计算时必须考虑在内。若热量计的绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器功率较大，不断引进的能量使得曲线不出现最高温度点，此时也可采用上述方法进行温度校正。实验注意事项1、待测样品需干燥，受潮样品不易燃烧且称量有误。2、燃烧第二个样品时，内筒水需调节水温。3、称量。苯甲酸：0.8-0.9g；萘：0.5-0.6g；蔗糖：1.3-1.4g（为什么？）4、样品压片时，不宜太紧。样品压得太紧，点火困难且不易燃烧完全。5、万用表测量两电极间的电阻时，一般要求电阻值不大于20欧姆。图1雷诺温度校正示意图实验数据和结果室温：18.2oC，大气压：101.45kPa表1实验结果样品样品质量/g铜丝质量/g剩余铜丝质量/g烧掉铜丝质量/g电势信号/mV苯甲酸0.83820.04280.01050.03231.541萘0.52670.03650.00600.03051.496（1）仪器常数K的计算(1)其中，苯甲酸Qv,m=-3226.9Jmol-1；铜丝（点火丝）燃烧热q1=-2510Jg-1；q2忽略不计。将表1内的有关数据代入（1）式，得K=-1445JmV-1（2）萘恒容燃烧热Qv的计算将表1中的有关数据和K值代入（1）式，得Qv（萘）=-5233.0kJmol-1（3）萘恒压燃烧热Qp的计算BBmvmpRTgQQ)(,,(2)已知，)()()()(222810lOHgCOgOsHC所以，BBg2)(则Qp,m（萘）=-5237.8kJmol-1结果分析与讨论表2为文献[1]提供的苯甲酸与萘的燃烧热数据。表2苯甲酸和萘的恒压燃烧热数据[1]恒压燃烧热KJmol-1Jg-1测定条件苯甲酸-3226.9-26410p，20oC萘-5153.8-40205p，25oCVKqxqQMwmv21，样品样品由文献值计算得到萘的恒压燃烧热测量偏差：测量偏差=（5237.8-5153.8）/5153.8100%=1.6%由此可见，实验测量值比文献值大，即实验所测得的释放的热量比文献报道要大，说明漏热对测量结果影响不大，主要测量误差可能包括以下三个方面：（1）没有考虑空气中N2生成硝酸时所放出的热量，第二次实验（萘燃烧热的测量）时所释放的热量可能比第一次实验（苯甲酸燃烧热的测量）多；（2）搅拌所引起的热效应。搅拌会使系统温度升高，在两次实验中搅拌所产生的热量可能不一样，第二次产生的热量可能更多；（3）两次实验所使用的水量不一样。第二次实验所用的水量可能比第一次少，导致仪器常数变大，从而使测量值偏大。思考题及参考答案1、燃烧热测定中什么是系统？什么是环境？所谓系统，是指研究对象。在本实验中，系统包括氧弹、内水桶、介质水、测温元件、搅拌器等，可近似看成是一个绝热系统。所谓环境，是指除系统之外且与系统有联系的那一部分物质与空间。在本实验中，环境主要指内水桶以外且与系统有联系的那一部分物质和空间，包括恒温水夹套、外水桶盖子上方的空气等。2、实验中引起系统和环境热交换的因素有哪些？如何避免热损失？系统与环境之间进行热交换的途径包括传导、对流和辐射。内水桶底部与外水桶不是直接接触，而是用传热性差的材料制成的垫子隔开，减少传导引起的热损失；氧弹完全浸没在介质水中，使燃烧释放的热量全部传给周围的介质；外水桶上部用盖子盖住，减少空气对流；盖子朝下的一面抛光，减少热辐射。3、应如何正确使用氧气钢瓶？一般高压气体钢瓶使用注意事项：（1）高压气体钢瓶放置场所要求通风良好，温度不超过35oC；（2）高压气体钢瓶必须装有调节器（即减压器）时方可使用。调节器分氢、氧、乙炔等三种，不准相互代用。压力计、导管等也要专用；（3）安装高压气体钢瓶调节器应牢紧，不得漏气。开瓶时，出气口处不准对人，缓慢开启，不得过猛，否则冲击气流会使温度升高，易引起燃烧或爆炸；（4）调节器卸下后，进气口切不可进入灰尘等脏物，并需置于干燥及通风的环境里保存；（5）在工作前应先将高压气体输入到调节器的高压室，然后缓慢旋转手柄（次级开关）调解气流，以保证安全。实验结束后，及时关好气瓶阀门，同时将调节器的手柄旋松（即关的状态）；（6）调节器、阀门及管道应禁油。4、在计算萘的燃烧热时，没有用到3000mL水的数据，为什么在实验中需要量准水的体积呢？若水体积量得不准，对测量结果有何影响？保证仪器常数不变。若第二次测量水体积量得不准，则导致两次测量的仪器常数不一样，用第一次测量得到的仪器常数来计算第二次测量的燃烧热必然会引起偏差。第二次测量时用水偏少，则燃烧热测量值偏大；反之，则偏小。5、如何知道氧弹内的样品已点燃？如何知道样品已经燃烧完全？若记录仪上的电势信号变大，表明氧弹内的样品已点燃。打开氧弹，若氧弹内没有明显的残渣，表明样品已经燃烧完全。6、如果内水桶的水温不加以调整，对测量结果会有什么影响？第一次实验结束后，由于燃烧放热，导致水温升高，若不重新调节水温，此时系统将向环境传热；第二次燃烧实验过程中，由于放热使介质水与环境之间的温差更大，引起更大的热损失，将导致测量结果偏小。7、该实验引起误差的主要因素有哪些？为什么？引起误差的主要因素包括：样品称量；系统与环境之间的漏热；燃烧完全程度；两次实验使所用的水量不等；搅拌引起的额外热效应；空气中N2变成硝酸所引起的热效应等。8、如何测定挥发性液体样品的燃烧热？分两步进行：第一步，测量胶囊的燃烧热；第二步，将液体样品放入胶囊中密封，测量胶囊和液体样品的燃烧热，该热效应扣除胶囊的燃烧热，即得到液体样品的燃烧热。若胶囊不易点燃，可在胶囊上面放易燃物质如苯甲酸等，起到助燃作用。9、若期望通过燃烧热测定获取苯的共振能，则应如何设计实验？用本实验装置测出苯、环己烯和环己烷的燃烧热，即可求算苯的共振能。具体原理和测量步骤如下：苯、环己烯和环己烷三种分子都含有碳六元环，环己烷和环己烯燃烧热的差值E与环己烯上的孤立双键结构有关，它们之间存在下列关系：)(Q(Qmp,mp,环己烯环己烷）E苯环上有三个双键，若这三个双键是孤立的话，则环己烷和苯的燃烧热之差值应为3E。但事实上，由于苯环上的三个双键是共轭的，所以两者之间存在差异，这个差异就是苯的共振能E：参考文献[1]复旦大学等编，物理化学实验（第二版），北京：高等教育出版社，1993。起草人：厉刚、郭永胜)()(2)(3)()(2)(3E3)(Q(Q,,,,,,mp,mp,苯环己烷环己烯苯环己烷环己烯苯环己烷）mvmvmvmpmpmpQQQQQQE