实验二燃烧热的测定 引言1.1. 实验目的 学会用雷诺图解法校正温度改变值1.2. 实验原理 1.2.1. 燃烧焓 在指定温度及一定压力下,1mol 物质完全燃烧时的定压反应热,称为该物质在此温 度下的摩尔燃烧热,记作cHm。通常,完全燃烧是指 CCO2(g),H2H2O(l),S SO2(g),而N、卤素、银等元素变为游离状态。由于在上述条件下H=Qp,因此 cHm 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cUm)。若反应系统中的气体均为理想 气体,根据热力学推导,Qp 和Qv 的关系为 ——反应前后产物与反应物中气体的物质的量之差;R——摩尔气体常数。 通过实验测得Qv 值,根据上式就可计算出Qp,即燃烧热的值。 1.2.2. 测量热效应的仪器称作量热计。量热计的种类很多。一般测量燃烧热用弹式量热计。本实验所用量热计和氧弹结构如图2-2-1 和图2-2-2 所示。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,还对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一个绝热体系。 弹式量热计的基本原理是能量守恒定律。样品完全燃烧所释放的能量使得氧弹本身 及周围的介质和量热计有关附件的温度升高。测量介质在燃烧前后的变化值,就可 求算该样品的恒容燃烧热。 棉线棉线 点火丝 点火丝 点火丝——分别为棉线和点火丝的恒容燃烧热(-16736 和-3243kJkg) m棉线 m点火丝——分别为棉线和点火丝的质量,kg; 先燃烧已知燃烧热的物质(如苯甲酸),标定仪器常数K,再燃烧未知物质,便可由 上式计算出未知物的恒容摩尔燃烧热,再根据(1)式计算出摩尔燃烧热。 实验过程2.1. 实验仪器及药品 计算机及接口;GR3500 型氧弹式量热计(包括氧弹、数显温度计热量计控制器、 铂电阻温度计等)一套;2000 ml、1000 ml 容量瓶各一个;水盆一个;烧杯一 个;压片机(共用);分析天平(共用);氧气瓶(共用);镍丝(共用);棉线 (共用); 苯甲酸(AR);萘(AR); 2.2. 实验操作 2.2.1. 打开电源,检查仪器装置与药品。 2.2.2. 样品准备。 取一根棉线和一根镍丝,分别在分析天平上准确称量。在台称上称量 0.52-0.56g 苯甲酸,在压片机上压成片,取出药片并轻轻去掉粘附在 表面的粉末,用称量过的棉线绕在药片上,将镍丝穿入棉线,放在分析 天平上准确称量。将苯甲酸片上的镍丝拴紧在氧弹的两个电极上,旋紧 氧弹盖子,用万用表检查是否通路,通入 1MPa 的氧气,检查是否通路 与漏气,然后将氧弹放入内水桶中心位置。 2.2.3. 打开程序 2.2.4. 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(>3 升),调节水温,使水 温低于外水套温度0.6C 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 2.2.5.采集数据 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。 停止搅拌,取出氧弹,放出燃烧废气,打开盖子,观察燃烧是否完全, 取出剩余镍丝准确称量(去掉有熔融小球)。取出并擦净氧弹,小心取 下搅拌放好,将内水套桶中的水倒入水盆中,擦净水桶。 2.2.6. 测量未知样品 取未知样品0.42-0.46 克,重复上述操作。 2.3. 数据处理 2.3.1. 原始数据 室温:19.0 气压101.15kPa 物质 苯甲酸 外水温/20.127 20.339 棉线质量/g 0.0099 0.0096 镍丝质量/g 0.0193 0.0207 总质量/g 0.8027 0.6273 剩余镍丝质量/g 0.0121 0.0116 2.3.2. 现场数据处理 利用物化实验数据处理软件 经过计算,萘燃烧焓为-5157.2 KJ/mol,与理论值-5153.8kJ/mol 相差 3.4 KJ/mol,相对差距0.067% 2.3.3. 利用origin 线性拟合 苯甲酸线性拟合: U=0.00044048t+269.43268 式交点,t=427.54866计算此点3 式的差,即可。萘线性拟合 U=0.01084t+301.56306 U=-0.00521t+393.32382(10) 计算8 式和10 式交点,t=340.92863 计算此点7 式的差,即可。2.3.4. 计算燃烧焓 项目 数值(单位) 棉线燃烧内能变 -16736 kJkg 镍丝燃烧内能变-3243 kJkg 苯甲酸燃烧内能变-26487 kJkg 苯甲酸在298.2K时的燃烧热 =-3226.0kJmol 利用已知苯甲酸的等容燃烧热计算仪器常数K将实验数据带入公式: 棉线棉线 点火丝 点火丝 苯甲酸 样品=0.8027- 镍丝=0.7856g;Qp= -3226.0 kJ/mol; 由公式: -3224.8kJ/mol。 K(T2-T1)=-20929.08 进而标定K= -166.87670 J/单位电压差(mv) 棉线=0.0096g; 样品=0.6273- 镍丝=0.6086g;代入公式: 棉线棉线 点火丝 点火丝 Qv=-5066.26 kJ/mol; 由公式: 可以求得Qp=-4922.83kJ/mol。 实验室软件给出解答:Qp 5157.22J/mol查的萘在298.15K 时的燃烧焓为-5153.9KJ/mol。 计算值与标准值的相对误差为4.48% 2.4. 注意事项 2、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(即顶帽与弹盖间)是否通路。 3.将氧弹放入量热仪前,一定要先检查点火控制健是否位于“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伸出,发生危险。 2.5. 误差分析 实验结论利用实验室软件处理结果: 被测样品的燃烧焓值 =-5157.2KJ/mol 与文献值相对误差为: 0.067% Origin 拟合结果: 被测样品的燃烧焓值 =-4922.83KJ/mol 与文献值相对误差为: 4.48% 参考文献清华大学 基础物理化学实验高等教育出版社 2005 本实验中如何考虑系统与环境?系统与环境通过哪些途径进行热交换?这些热交换对结果影响怎样? 答:本实验中,内水桶连同其中的氧弹、测温器件、搅拌器和水构成一个绝热系统,外 桶以及量热氧弹外部作为环境。 系统和环境通过传导和辐射都能进行热交换,热交换使测得燃烧热的绝对值偏低。 充气前先用扳手轻轻拧紧氧弹上的放气阀。2)用手拧掉氧弹上的充气阀螺丝,将氧气钢瓶上的充气管螺丝拧入充气阀,用扳 手轻 轻拧紧。检查氧气钢瓶上的减压阀,使其处于关闭状态,再打开氧气钢瓶上的总开关。 3)然后轻轻拧紧减压阀螺杆(拧紧即是打开减压阀),使氧气缓慢进入氧弹内。待减压阀 上的减压表压力指到1.0MPa~1.2MPa 之间时停止,使氧弹和钢瓶之间的气路断开。这 时再从氧弹上取下充气螺丝,并将原来氧弹上的充气阀螺丝拧回原处。 4)充气完毕关闭氧气钢瓶总开关,并拧松压阀螺杆。 5)实验结束后,要拧松氧弹上的放气阀,将多余的氧气排出。 搅拌过快或过慢有何影响?答:搅拌过慢使得内桶水温度不均匀,影响电脑绘图; 搅拌过快会加速热交换,使系统热量散失 。对结果有何影响?如何校正?答:实验中由于生成硝酸,会使萘的燃烧焓实验值偏大。 硝酸中的氮主要来自于残留内桶空气中所含的氮气,可以通过测定两组已知标准燃 烧焓的物质同时标定硝酸的生成焓变和常数K,并在测未知物燃烧焓时将硝酸的生成焓 变考虑进去。 如果反应完后,剩余镍丝丢失,可不可以忽略,为什么?答:最大偏差镍丝质量大概为 0.0121g,则镍丝丢失给最终测量结果带入的最大偏差约 为:0.0121/1000*(-3243)=-0.0392 KJ/mol 相对偏差为:0.0392/4922.83=0.00080%,所以可以忽略。