实验 2 燃烧热的测定 姓名:邓晖;学号:2010011986;班级:材03 班;同组实验人员:覃兆童 实验日期:2012-4-14;提交报告日期:2012-4-27; 带实验的助教姓名:陈双龙 1 引言(简明的实验目的/原理) 1.1 实验目的 1 2 3 4 熟悉弹式量热计的原理、构造及使用方法。 明确恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别及相互关系。 掌握温差测量的实验原理和技术。 学会用雷诺图解法校正温度改变值。 1.2 实验原理 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 C→CO2 (g) , H2→H2O (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 Qp ? QV ? ?nRT (1) 式中:T——反应温度,K;n ——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。 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。 m QV ? K ? ?T ? QV 棉线 ? m棉线 ? QV 点火丝 ? m点火丝 Mr 式中:m——为待测物的质量,kg ; M r ——为待测物的摩尔质量,kg·mol 器常数,kJ·℃ -1 -1 (2) ; K ——仪;?T——样品燃烧前后量热计温度的变化值; QV 棉线 , QV 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。 2 实验操作 2.1 实验用品、仪器型号及测试装置示意图 2.1.1 实验用品 弹式量热计 1 套;2000ml 容量瓶 1 个;1000ml 容量瓶 1 个;水盆 1 个(容量大于 3000ml) ; 电脑一台(用于采集数据) ;压片机、镍丝、棉线、万用表、分析天平、剪刀、氧气瓶及减 压阀公用。 萘(AR) ;苯甲酸(AR) 。 2.1.2 仪器型号 SR-1 数显热量计控制器; 氮氧式热量计。 2.1.3 测试装置示意图(如图 2-2-1 及图 2-2-3) 2.2 实验条件(实验温度、湿度、压力等) 室温、常压 2.3 实验操作步骤及方法要点 方法要点 1、 样品要适量,太多太少都 会造成误差。 2、 棉线要绑牢样片,否则操 作过程中容易脱落。 3、 注意检查氧弹内各个部件及点火丝,不要使电极 两端短路,保证电流通过 点火丝。 4、 氧弹充气过程中,人员应 站在侧面,一只手要始终 抓住充气阀,以免意外情 况下弹盖或阀门向上冲 出,发生危险。 5、 在步骤 2 中用水盆调节水 温,水温调好后应迅速量 取,不要放置时间过长, 以免水温变化过大。 6、 对棉线和镍丝的量取不能过少也不能过多,应当 适量 实验操作步骤 1.仪器常数的测定 ①样品准备 取合适长度镍丝和棉线各一根 ,分别在分析天平上准确 称量。 在台秤上称量 0.8g 左右的苯甲酸,在压片机上压成片 状,取出药片并轻轻去掉粘附在药片上的粉末,用称好的棉 线捆绑在药片上,固定好。将镍丝穿入棉线,在分析天平上 准确称量。 将苯甲酸片上的镍丝固定在氧弹的两根电极上,如图 2-2-3,用万用表检查是否通路。确认通路后旋紧弹盖,通入 1.0MPa 氧气,然后将氧弹放入内水桶,接上点火电极。 ②仪器准备 打开量热计电源,开动搅拌,将温度传感器置于外水套 中,观察温度显示。待温度稳定后,记下温度。 用水盆接取自来水(大于 3000ml) ,将温度传感器放入 水盆中,不断搅动,通过加入凉水或热水调节水温,使温度 低于外水套 0.8-0.9℃左右。准确量取 3000ml,倒入内桶。 ③燃烧测量 盖上桶盖,将温度传感器插入内桶,开动搅拌。打开计 算机选择数据采集, 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.未知物测量 取0.6g 左右的萘,同上述操作方法。 3 结果与讨论 3.1 实验数据处理 3.1.1 实验室电脑数据处理方法 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。 这样做是因为使内水桶完全绝热是很困难的, 总会有内外水套之间的热交换。 为了校正 这部分热损失, 需在升温曲线上找出与外水套温度相等的点, 过此点作垂线与曲线的两条始 末阶段直线的外延线相交于两点,此二点之间的距离即为校正后的h 值。 3.1.2 实验室计算机处理结果 苯甲酸 镍丝 棉线 制片后总重 反应后镍丝质量 外桶温度 M1 曲线峰高 0.0261g 0.0129g 0.8755g 0.0185g 21.636℃ 122.12 134.6237 被测样品萘 镍丝 棉线 制片后总重 反应后镍丝质量 外桶温度 M2 曲线峰高 0.0250g 0.0092g 0.6629g 0.0222g 21.847℃ 128.17 151.5822 被测物质燃烧焓=5095.4729kJ/mol 3.1.3 其他数据 项目 棉线燃烧内能变 镍丝燃烧内能变 苯甲酸燃烧内能变 苯甲酸在 298.2K 时的燃烧热 数值(单位) -16736 kJ ? kg -3243 kJ ? kg ?1 ?1 -26487 kJ ? kg ?1 Qp=-3226.9kJ· mol -1 3.2 利用公式计算的数据、结果 3.2.1 用origin 软件拟合如下图 图1苯甲酸电势随时间变化图 图2萘的电势随时间变化图 由图 1 和图 2 可以看出: 苯甲酸曲线峰高 132.61mV,萘曲线峰高 152.60mV。 3.2.2 计算数据 (1)先由苯甲酸曲线峰高计算仪器常数 K,将实验数据带入公式: m QV ? K ? ?T ? QV 棉线 ? m棉线 ? QV 点火丝 ? m点火丝 Mr 知道以下数据: 苯甲酸总质量 m=0.8365g, Mr=122.12g, QP=-3226.9kJ/mol, m 棉线= 0.0129g, m 镍丝(燃烧部分)=0.0076g; 由公式: Qp ? QV ? ?nRT 且化学反应式: C6 H 5COOH (固) ? 15 O2 (气) ? 7CO2 (气) ? 3H 2O(液) 2 QV=-3226.0- (-0.5)*8.314*298.2/1000=-3225.7 kJ/mol 进一步计算得到 K=-168.43J/mv 电位差 (2)由K计算萘的燃烧热 知道以下数据: m=0.6287g, Mr=128.17g, m 棉线= 0.0092g, m 镍丝(燃烧部分)=0.0028g; 得到 QV=-5206.6kJ。 反应方程式为: C10 H8 (s) + 12 O2 (g) = 10 CO2 (g) + 4 H2 O(l) , ?n ? ?2mol Qp ? QV ? ?nRT =-5211.5kJ/mol。 3.3 讨论分析 (1)萘摩尔燃烧焓的文献值为-5153.9 kJ/mol(298.15K,101325Pa) : 采用计算机软件进行数据处理得到的结果为-5095.4729kJ/mol,相对偏差为 1.13%; 运用公式计算得到的结果为-5211.5kJ/mol,相对偏差为 1.12%。 可见计算结果较精确。 (2)误差分析:本实验中测量步骤较多,易引起误差;但认为操作时误差来源的关键,如 燃烧未完全,内桶未完全绝热,调节水温后因放置时间太久而又引起温差等等。 (3)数据拟合:此实验中选取线段拟合非常的关键,因为在其他条件不变的情况下,任意 改变一个点的位置,所得的直线差别很大,最后所算的的燃烧热差别则将进一步扩大,所以 选取适当的线段拟合非常关键。 (4)点火常出现问题,若点火未成功,一般有以下几个原因: 深入弹体内部的电极和氧弹壁接触短路; 连接燃烧丝的电炉断了,应用万用表检查; 弹内氧气不足,应取出氧弹检查; 样品脱落,未燃烧成功。 (5)实验成功的关键 首先是水温的调节,要使水的温度低于外水套温度约0.6℃左右,但水加入仪器中之后 会有一定地升高, 因而在调节水温的时候应该使水的温度低于外水套温度约0.6-0.7℃左右, 温度调节的比较准确是这次实验比较成功的主要原因。 另一个重要因素是棉线的选取。 棉线 的引入是造成误差的重要因素,因此应该选取少量棉线,以满足固定药片的要求即可,质量 过大的棉线和镍丝则在反应中不能被忽略, 也会影响实验结果。 实验中还忽略了温度对恒温 热容的影响。应该说这些是实验本身的系统误差,但在实验过程中必须尽可能减少误差。这 次测定燃烧焓误差允许在10%以内,实验结果还是比较令人满意的。 4 结论 (1)通过用已知物质苯甲酸测量,对仪器常数进行标定,测得待测物质萘的燃烧焓为 -5211.5kJ/mol。 (2)通过这个实验,特别对雷诺图解法有了更进一步的了解,对数据的处理有了更好的掌 握等。 5 参考文献 [1] 北京大学化学院物理化学实验教学组. 物理化学实验. 北京: 北京大学出版社, 2002. 44~45. [2] 清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验.北京:清华大学出版社, 1991:26-37. [3] 复旦大学等.物理化学实验.北京:高等教育出版社,1992.43~47. 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进行热交换?这些热交换 对结果影响怎样?如何校正? 答:本实验的研究系统是量热器内筒,环境为内筒之外的空间。系统可选为内水桶本 身及其内部装的水、氧弹式量热器以及其中的全部药品设备、外加内水桶配套的搅拌器 等设备;环境则是外水槽及其内部装的水。通过热辐射、热传导进行热交换,损失一部 分热量,可能引起实验结果偏低。我们是通过雷诺图解法校正的。 2.使用氧气应注意那些问题? 答:避免明火,充气时应将气阀与充气口充分锁紧,要缓慢加压,防止阀门因压力过大而 弹起。加气时要注意听声音,等待气体的声音完全消失后,为了保险起见,要再等5-10s 再停止加气。放气时小心喷出气流冲伤面部。 3.搅拌过快或过慢有何影响? 答:过慢不利于反应热扩散,体系内温度不均,影响温度测量而过快则会因为搅拌功率过 大而对体系引进了额外的功,反而使测量结果变大。 4.氧弹中含有氮气,燃烧后生成HNO3。