燃烧热的测定实验报告-2013.11.9

1华南师范大学实验报告一、实验目的1.明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热和恒容燃烧热的差别和联系；2.掌握量热技术的基本原理，学会测定萘的燃烧热；3.了解氧弹卡计主要部件的作用，掌握卡计的实验技术；4.学会用雷诺图解法校正温度变化。二、实验原理燃烧热是指1摩尔物质完全燃烧时所放出的热量。在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热（Qv），恒容燃烧热这个过程的内能变化（ΔU）。在恒压条件下测得的燃烧热称为恒压燃烧热（Qp），恒压燃烧热等于这个过程的热焓变化（ΔH）。若把参加反应的气体和反应生成的气体作为理想气体处理，则有下列关系式：cHm=Qp＝Qv＋ΔnRT。量热反应测量的基本原理为能量守恒定律。热是一个很难测定的物理量，热量的传递往往表现为温度的改变，而温度却很容易测量。本实验采用氧弹热量计为测量仪器。氧弹是一个特制的不锈钢容器，为了保证样品完全燃烧，氧弹中应充以高压氧气（或者其他氧化剂），还必须使燃烧后放出的热量尽可能全部传递给量热计本身和其中盛放的水，而几乎不与周围环境发生热交换。在盛有定水的容器中，样品物质的量为n摩尔，放入密闭氧弹充氧，使样品完全燃烧，放出的热量传给水及仪器各部件，引起温度上升。设系统（包括内水桶，氧弹本身、测温器件、搅拌器和水）的总热容为C（通常称为仪器的水当量，即量热计及水每升高1K所需吸收的热量），假设系统与环境之间没有热交换，燃烧前、后的温度分别为T1、T2，则此样品的恒容摩尔燃烧热为:nTTCQmV)(12,式中，Qvm为样品的恒容摩尔燃烧热(J·mol-1)；n为样品的摩尔数（mol)；C为仪器的总热容(J·K-1或J/℃)。上述公式是最理想、最简单的情况。2但是，由于氧弹量热计不可能完全绝热，热漏在所难免。因此，燃烧前后温度的变化不能直接用测到的燃烧前后的温度差来计算，必须经过合理的雷诺校正才能得到准确的温差变化。此外多数物质不能自燃，如本实验所用萘，必须借助电流引燃点火丝，再引起萘的燃烧，因此，必须把点火丝燃烧所放热量考虑进去就下式ΔT点火丝,CQmnQmV点火丝式中：m点火丝为点火丝的质量，Q点火丝为点火丝的燃烧热，为-6694.4J/g，T为校正后的温度升高值。仪器热容的求法是用已知燃烧焓的物质(如本实验用苯甲酸)，放在量热计中燃烧，测其始、末温度，经雷诺校正后，按上式即可求出C。雷诺校正：消除体系与环境间存在热交换造成的对体系温度变化的影响。方法：将燃烧前后历次观察的贝氏温度计读数对时间作图，联成FHDG线如图２-1-2。图中H相当于开始燃烧之点，D点为观察到最高温度读数点，将H所对应的温度T1，D所对应的温度T2，计算其平均温度，过Ｔ点作横坐标的平行线，交FHDG线于一点，过该点作横坐标的垂线a,然后将FH线和GD线外延交a线于A、C两点,A点与C点所表示的温度差即为欲求温度的升高T。图中AA’表示由环境辐射进来的热量和搅拌引进的能量而造成卡计温度的升高，必须扣除之。CC’表示卡计向环境辐射出热量和搅拌而造成卡计温度的降低，因此，需要3加上，由此可见，AC两点的温度差是客观地表示了由于样品燃烧使卡计温度升高的数值有时卡计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进热量，使得燃烧后的最高点不出现，如下方右图，这种情况下T仍可以按同法校正之。三、实验仪器和试剂仪器：外槽恒温式氧弹卡计(一个)；氧气钢瓶(一瓶)；压片机(2台)；数字式贝克曼温度计(一台)；0～100℃温度计(一支)；万用电表（一个）；扳手（一把）；试剂:萘（A.R）；苯甲酸（A.R或燃烧热专用）；铁丝（10cm长）；四、实验步骤1.氧弹卡计和水的总热容C测定①样品压片称取苯甲酸约0.8g，准确称取约10cm长的点火丝，压片，将点火丝绑在样品上，准确称取其质量。②装置氧弹，充氧气把盛有苯甲酸片的坩埚放于氧弹内的坩埚架上，连接好点火丝。盖好氧弹，与减压阀相连，充气到弹内压力为10MPa为止。③燃烧热温度的测定把氧弹放入量热容器中，加入3000ml水。插入数显贝克曼温度计的温度探头。接好电路，计时开关指向“半分”，点火开关到向“振动”，开启电源。约10min后，若温度变化均匀，开始读取温度。读数前5s振动器自动振动，两次振动间隔1min，每次振动结束读数。在第10min读数后按下“点火”开关，同时将计时开关倒向“半分”，点火指示灯亮。加大点火电流使点火指示灯熄灭，4样品燃烧。灯灭时读取温度。温度变化率降为0.05°C·min-1后，在记录10个数据，关闭电源。先取出贝克曼温度计，再取氧弹，旋松放气口排除废气。称量剩余点火丝质量。清洗氧弹内部及坩埚。2.萘的恒容燃烧热的测定取萘0.5g压片，重复上述步骤进行实验，记录燃烧过程中温度随时间变化的数据。五、实验数据与处理1.文献值恒压燃烧热kcal/molkJ/molJ/g测定条件苯甲酸-771.24-3226.9-26410pӨ,25℃萘-1231.8-5153.89-40205pӨ,25℃2.实验原始数据室温：25.00℃点火丝：0.0128g苯甲酸+点火丝（精测）：0.7363g点火后剩余：0.0093g苯甲酸净含量：0.7235g点火丝消耗质量：3.5×10-3g时间/t(30s每次)温度/T(℃)时间/t(30s每次温度/T(℃)时间/t(30s每次)温度/T(℃)125.8271727.9723327.170225.8281826.9723427.169325.8721927.0573527.170425.8262027.0813627.170525.8252127.1003727.170625.8252227.1173827.169725.8222327.1293927.169825.8212427.1394027.167925.8192527.1474127.1661025.8192627.1534227.1641125.8862727,1574327.1631226.0692827.1614427.1621326.3732927.1634527.1621426.6333027.1654627.1611526.7923127.1674727.1591626.8873227.1684827.1585点火丝：0.0107g萘+点火丝（精测）：0.5289g点火后剩余：0.0089g萘净含量：0.5182g点火丝消耗质量：1.8×10-3g时间/t(30s每次)温度/T(℃)时间/t(30s每次温度/T(℃)时间/t(30s每次)温度/T(℃)126.4321327.1872527.865226.4241427.4162627.868326.4171527.5722727.871426.4001627.6562827.870526.4061727.7252927.870626.3991827.7643027.870726.3951927.7973127.169826.3912027.8223227.166926.3872127.8373327.1661026.3842227.8473427.1651126.4222327.856351226.7712427.861362.雷诺校正图（萘）雷诺温度校正图y=-0.0009x+27.896R2=0.9182y=-0.0051x+26.432R2=0.922526.226.526.827.127.427.7280510152025303540时间/30s温度/℃TT1T2AOFBF1E1ET=27.125℃F点对应的温度为：27.884℃E1点对应的温度为：26.367℃所以△T=1.517℃6（苯甲酸）雷诺温度校正图y=-0.0011x+27.211R2=0.9826y=-0.0011x+25.83R2=0.922625.525.725.926.126.326.526.726.927.127.327.505101520253035404550时间/30s温度/℃T2TT1OFF1ABEE1T=26.4945℃F点对应的温度为：27.194℃E1点对应的温度为：25.815℃所以△T=1.379℃3.计算卡计热容C苯甲酸的燃烧反应方程式为：当室温为25.0℃时苯甲酸的燃烧焓为：△cHm（25.0℃）＝-3226.9kJ/mol∴苯甲酸的恒容摩尔燃烧热为：QV＝△cUm＝△cHm－RT∑BVB(g)＝-3226.9－8.314×298.15×(7－7.5)×10-3＝-3225.66kJ/mol∵ΔT点火丝,CQmnQmV点火丝∴苯甲酸燃烧的数据处理：QV点火丝·m点火丝＝-6694.4×10-3×3.5×10-3＝-0.02343kJ7,nQ-TmQmvC丝丝＝379.1)-0.02343()-3225.66(122.120.7237＝13.879kJ/℃4.萘的恒容摩尔燃烧热QV，m根据公式：nQV＝-C△T-QV点火线·m点火线萘燃烧的数据处理：QV点火丝·m点火丝＝-6694.4×10-3×1.8×10-3＝-0.01205kJQV，m＝（-C△T-QV点火线·m点火线）/n＝128.180.51820.01205517.113.879-＝－5210.789kJ/mol5.萘的恒压摩尔燃烧热Qp，m（即△cHm）萘燃烧的化学方程式为：10822212104CHsOgCOgHOl()2BBg，∴25.0℃时萘的燃烧焓为：△cHm（26.0℃）＝△cUm＋RT∑BVB(g)＝－5210.789＋8.314×298.15×（－2）×10-3＝－5215.747kJ/mol6.将萘△cHm（298.15K）与文献比较相对误差：%1009.5153|)9.5153(747.5215|=1.2%六、实验结果与讨论1.实验误差来源分析实验求得萘的燃烧热QP,实与文献值的误差为1.2%（小于3%），实验结果较为准确。产生误差的原因除了仪器误差之外，主要还有以下几个方面：①使用雷诺图解法时，要做切线，切线分别表示正常温度上升和量热系统温度降低，切线拟合的结果对ΔT的影响很大，此次实验结果很大程度上取决于这一步数据处理。②萘为易挥发性物质，压片称量后应该迅速放入氧弹中，以免因挥发而损失过多的质量，给实验带来误差，使实验结果偏大。③氧弹内可能存在少量空气，空气中N2氧化生成硝酸会产生热量，精确测量时要减去这部分热量。④若试样未完全燃烧，造成的影响很大，若有明显的黑色残渣，实验应重做。8⑥量取3000mL水使用的2000mL量筒的称量误差很大，两次量水的体积可能不同，从而造成系统的总热容C不一样。⑦水温改变带来的误差：由于此次实验是测量的内桶的水温，且总的波动不超过3℃，所以水温的改变会对实验结果造成较大影响。2.本实验采用标准物质标定法测萘燃烧热原因：热量交换很难测量，温度或温度变化却很容易测量。本实验中采用标准物质标定法，根据能量守恒原理，标准物质苯甲酸燃烧放出的热量全部被氧弹及周围的介质等吸收，使得测量体系的温度变化，标定出氧弹卡计的热容。再进行萘的燃烧热测量和计算。测量体系与环境之间有热量的交换，因为理想的绝热条件是不可能达到的。同时影响热量的交换量大小的因素也比较多，①与体系、环境的材质有关；②与体系、环境的接触界面积大小有关；③与体系、环境的温差有关，所以要定量准确地测量出体系与环境交换的热量是比较困难的。如果有净的热量交换的话，将会增大实验的测量误差。3.本实验测量恒容燃烧热而不直接测恒压燃烧热原因：在本实验中采用的是恒容方法先测量恒容燃烧热，然后再换算得到恒压燃烧热。原因为：①如果是使用恒压燃烧方法，就需要有一个无摩擦的活塞，这是机械摩擦的理想境界，是做不到的；②做燃烧热实验需要尽可能达到完全燃烧，恒压燃烧方法难于使另一反应物——“氧气”的压力（或浓度）达到高压，会造成燃烧不完全，带来实验测定的实验误差。七、实验评注与拓展1.实验成功关键：①保证样品完全燃烧，是实验成功的关键之一，所以样品压片须力度适中；②氧弹点火要迅速而果