燃烧焓的测定-物化实验

材03班冷向星2010011976燃烧焓的测定1图1量热氧弹实验四燃烧焓的测定冷向星2010011976材03班（同组实验者：李琦）实验日期：2012-4-5带实验的老师姓名：陈春1引言有机化合物的生成焓难以直接从实验中测定，然而有机化合物易于燃烧，含碳、氢和氧等三种元素的有机化合物完全燃烧时生成二氧化碳和水。从有机化合物燃烧的热效应数据也可以估算反应热效应。通常燃烧焓在等容条件下测定（即称为“氧弹”的不锈钢容器中燃烧），所得数据为值，经换算后可得出值。1.1实验目的1．使用弹式量热计测定萘的燃烧焓。2．了解量热计的原理和构造，掌握其使用方法。3．掌握热敏电阻测温的实验技术。1.2实验原理当产物的温度与反应物的温度相同，在反应过程中只做体积功而不做其它功时，化学反应吸收或放出的热量，称为此过程的热效应，通常亦称为“反应热”。热化学中定义:在指定温度和压力下，一摩尔物质完全燃烧成指定产物的焓变，称为该物质在此温度下的摩尔燃烧焓，记作ΔCHm。通常，C、H等元素的燃烧产物分别为CO2(g)、H2O(l)等。由于上述条件下ΔH=Qp，因此ΔCHm也就是该物质燃烧反应的等压热效应Qp。在实际测量中，燃烧反应常在恒容条件下进行(如在弹式量热计中进行)，这样直接测得的是反应的恒容热效应QV（即燃烧反应的摩尔燃烧内能变ΔCUm）。若反应系统中的气体物质均可视为理想气体，根据热力学推导，ΔCHm和ΔCUm的关系为:pVQQnRT（1）测量热效应的仪器称作量热计，量热计的种类很多，一般测量燃烧焓用弹式量热计。本实验是用氧弹式量热计进行萘的燃烧焓的测定，结构如图1。实验过程中外水套保持恒温，内水桶与外水套之间以空气隔热。同时，还把内水桶的外表面进行了电抛光。这样，内水桶连同其中的氧弹、测温器件、搅拌器和水便近似构成了一个绝热系统。将待测燃烧物质装入氧弹中，充入足够的氧气。氧弹放入装有一定量水的内桶中，盖好外桶盖。以电控部材03班冷向星2010011976燃烧焓的测定2分各开关控制搅拌并实现燃烧点火，用热敏电阻作为测温元件，用电子自动平衡记录仪连续记录内桶水温度的变化。当某样品连同辅助物质棉线、金属丝燃烧后，下式成立：VVVrmQKTQmQmM棉线棉线点火丝点火丝（2）式中：m——为待测物的质量，kg；rM——为待测物的摩尔质量，kg·mol-1；K——仪器常数，kJ·℃－1；T——样品燃烧前后量热计温度的变化值；VQ棉线，VQ点火丝——分别为棉线和点火丝的恒容燃烧热（－16736和－3243kJ/kg）m棉线，m点火丝——分别为棉线和点火丝的质量，kg；先燃烧已知燃烧焓的物质（如苯甲酸），标定仪器常数K，再燃烧未知物质，便可由上式计算出摩尔燃烧内能变。2实验操作2.1实验药品、仪器型号弹式量热计1套；热敏电阻1支（约2kΩ）；自动平衡记录仪1台（0—20mv）；温度计1支；2000ml容量瓶1个；1000ml容量瓶一个；容积大于3L装水盆1个；镊子1把。压片机、镍丝、棉线、万用表、台秤、分析天平、刷子、氧气瓶公用。分析纯的苯甲酸和萘。2.2实验条件（实验温度、湿度、压力等）温度：18.0℃湿度：28.5%气压：101.31Kpa2.3实验操作步骤及方法要点1，样品准备取镍丝两根和棉线两根分别在分析天平上准确称重。在台秤上粗称0.8g苯甲酸，在压片机上压成片状，取出药片并轻轻去掉黏附在药品上的粉末，用称好的棉线绕在药片上，将镍丝穿入棉线挂在分析天平上准确称量。将苯甲酸片上的镍丝紧拴在氧弹的两根电极上。用万用表检查是否通路，旋紧弹盖。通入氧气至真空表不再有变化。充气后再检查是否通路与漏气，然后将氧弹放入内水桶内。打开计算机，选择数据采集，双击进入。2，仪器准备打开数显温度计热量计控制器中的电源，将铂电阻温度计探头放入外水套，测量外水套水温。用水盆打一盆自来水（体积＞3L），调节水温，使水温低于外水套温度0.7℃左右，用容量瓶量取3L水倒入内水套桶中，将电极插在氧弹上，盖上盖子，打开搅拌，将铂电阻温度计探头放入内水套桶中。3，燃烧单击计算机界面中开始。观察温度显示，当温度没有变化，走过一段平稳的基线后(２分钟左右)，按下点火键，如果点火成功，过半分钟左右温度应升高。温度不再升高后，继续记录一段水平线，再将铂电阻温度计探头放入外水套中，直到温度没有变化（温度曲线为水平状），单击完成，并命名存盘。4，测量未知样品取萘约0.6g，重复上述操作。2.4注意事项1，称取样品不可过量，否则会升温过高，记录信号超出量程。材03班冷向星2010011976燃烧焓的测定32，氧弹充气后一定要检查确信其不漏气，而且要再次检查两电极间是否通路。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，即将其关掉。4，氧弹充气操作过程中，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。3结果与讨论3.1原始实验数据表格1苯甲酸和萘燃烧焓测定实验数据记录苯甲酸萘棉线质量(g)0.01620.0154镍丝质量(g)0.03920.0472燃烧后镍丝质量(g)0.03510.0393燃烧的镍丝质量(g)0.00410.0079药片＋棉线＋镍丝(g)0.84350.6616药片(g)0.78810.5990外套水温(oC)18.750左右19.105左右摩尔质量(g/mol)122.12128.17内外套水温在变化中，故所记录温度不为精确值。3.2实验数据处理1.利用实验室计算机处理选择并双击物理化学实验，选择并双击燃烧焓测定，输入镍丝、棉线、剩余镍丝、总质量及标准只样品和被测样品的摩尔质量，点击打开，选择并打开文件，交替移动光标1和2到点火前一段平稳的基线位置，点击线性拟合1，交替移动光标1和2到完全燃烧后温度不变的位置（水平线位置），点击线性拟合2，交替移动光标移动到外套水温曲线位置，点击线性拟合3，移动光标，将绿色光标放在拟和曲线３与升温曲线的交点上，蓝色光标放在升温曲线上的任何位置，点击计算△H；如果线性拟合交点不理想，点击刷新，移动光标重新拟合。确定后，点击提交，峰高值就会显示出来。两条曲线都处理完成后，点击计算处理，就可以得到被测样品的燃烧焓值。经计算机处理得QV=-5362.0667kJ/mol，pVQQnRT=-5367.0240kJ/mol2.利用Origin处理数据将苯甲酸组的数据作图并拟合，得到：材03班冷向星2010011976燃烧焓的测定4图2苯甲酸数据处理图将萘组数据作图并拟合，得到：图3萘数据处理图可得到苯甲酸曲线峰高127.83mv，萘曲线峰高147.41mv。3.2计算的数据、结果材03班冷向星2010011976燃烧焓的测定5将数据代入公式：VVVrmQKTQmQmM棉线棉线点火丝点火丝，其中：m=0.7881g，Mr=122.12g，QV=-3326.0kJ/mol，m棉线=0.0162g，m镍丝（燃烧部分）=0.0041g；由公式：pVQQnRT6522215()()7()3()2CHCOOHOCOHO固气气液可以求得Qv=-3324.8kJ/mol。得到K=-170.08J/mv。再将K值代入公式，求萘的燃烧焓m=0.5990g，Mr=128.17g，m棉线=0.0154g,m镍丝（燃烧部分）=0.0079g；得到QV=-5303.91kJ。反应方程式为：C10H8(s)+12O2(g)=10CO2(g)+4H2O(l)，moln2pVQQnRT=-5308.87kJ/mol。3.3讨论分析3.3.1数据分析比较萘摩尔燃烧焓的文献值为-5153.9kJ/mol（298.15K，101325Pa）：采用计算机软件进行数据处理得到的结果为-5367.0240kJ/mol，相对偏差为4.14%；运用公式计算得到的结果为-5308.87kJ/mol，相对偏差为3.01%，两种数据处理方法结果相似，误差均在5%以内。3.3.2误差分析测量值与理论值出现了一定的误差，分析其中原因，主要有以下几个方面：1，反应温度（外水套温度）一直处于变化之中，无法精确测量，故计算的摩尔燃烧焓的实际值与文献值略有差异。2，燃烧焓的定义中要求燃烧前后温度不变，实验中却是需要利用内水桶水温的升高来进行曲线峰值的计算，属于非等温反应系统。在计算方法上进行了简化，认为温度近似不变。3，尽管内水桶与外水套之间以空气隔热但系统并不能做到严格绝热，热交换是存在的，具体表现为外水套的温度点火后会升高。为了减小热交换的影响，内水桶点火前水温应调节成比外水套温度低0.7℃左右（这样测量过程中的吸热量会近似等于放热量）。但是由于在内同水倒入的过程中温度会发生变化，故温差会减少。在本次试验中两组实验的温差都小于0.7℃，导致曲线峰高变大，导致测定的燃烧焓偏大。4，操作方面不严格，例如在制作药片时应该带手套，徒手操作对样品的质量测量会带来误差。5，氧弹中除了氧气外还有一部分空气，空气中的氮气也会燃烧放热，但在本实验中并未校正。3.3.3异常现象分析无异常现象。材03班冷向星2010011976燃烧焓的测定64结论4.1采用计算机软件进行数据处理得到的结果为萘的燃烧焓=-5367.0240kJ/mol4.2运用公式计算得到的结果为萘的燃烧焓=-5308.87kJ/mol5参考文献《基础物理化学实验》（贺德华麻英张连庆编，高等教育出版社，2008）6附录6.1思考题1．本实验中如何考虑系统与环境？系统与环境通过哪些途径热交换？这些热交换结果影响怎样？如何校正？内水桶以内为系统，具体包括氧弹、测温器件、搅拌器和水，近似为绝热系统。内水桶以外的外水桶和水为环境。系统和环境通过内外水桶之间的空气对流进行热交换。这些热交换使得环境吸收系统的热量，系统升温变慢。可以通过雷诺法校正。2．使用氧气时要注意那些问题？（1）气瓶应专瓶专用，不能随意改装，各种气压表一般不得混用；（2）气瓶应存放在阴凉、干燥、远离热源的地方，氧气是强助燃气体，气瓶与明火距离不小于5米；（3）搬运气瓶时要轻要稳，放置要牢靠；（4）操作时氧气瓶严禁油污；（5）不可将气体气瓶内用尽，以防倒灌；（6）开启气门时应站在气压表的一侧，不准将气瓶总阀对准头或身体，以防万一阀门或气压表冲出伤人。（7）充气时应锁紧气阀，缓慢充气，直到没有响声，气压表示数稳定一段时间。3.搅拌过快或过慢有什么影响？4．实验中硝酸的生成对结果有何影响?如何校正？硝酸生成主要是氧弹中剩余的空气中氮气被氧化并溶于水，则相当于发生反应：22232524NOHOHNO，总反应放热，仪器常数K会增大，忽略硝酸的生成将使测得的燃烧焓数据偏大。校正：利用两个已知燃烧焓的物质。利用其中一个算出K值，再用这个K值去测另一个的燃烧焓。用测得的数据与理论值相比较，其中的偏差就是由氮气等其他物质反应造成的。利用这个偏差去矫正最后的燃烧焓。5.如果反应完后，剩余镍丝丢失，可不可以忽略，为什么？镍丝质量不到0.01g，燃烧时放出热量不到1J，可以忽略。