燃烧焓的测定.docx

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燃烧焓的测定

燃烧焓的测定

一．引言

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:

（1）

式中，T为反应温度（K）;ΔCHm为摩尔燃烧焓（J·mol-1）;ΔCUm为摩尔燃烧内能变（J·mol-1）；vB（g）为燃烧反应方程中各气体物质的化学计量数。

产物取正值，反应物取负值。

通过实验测得QV值，根据上式就可计算出Qp，即燃烧焓的值ΔCHm。

图1氧弹的构造

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，结构如上图。

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。

量热仪的外桶盖为提升式。

将其向上提到限位高度，顺时针旋转约90度，便可停放住。

点火电极的上电极触头、内水桶搅拌器及测温器件均固定在外桶盖上，当把桶盖旋转到适当位置降下时，它们便都处于预定位置。

搅拌器的马达也固定在外桶盖上，其电源线及点火电极连线经桶盖内部与量热仪的电控部分连通。

氧弹的另一极经弹杯、内水桶及外水套与电控部分连通。

将待测燃烧物质装入氧弹时，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。

当温度变化不大时，可以认为热敏电阻阻值变化与温度变化成正比；当阻值变化不大时，电桥的不平衡电势U与阻值变化成正比。

所以U∞∆T

由于U与记录仪的记录曲线峰高∆h成正比，故

∆T=a∆h

（2）

式中a为比例常数。

设系统（包括所有内水桶中的物质）的热容C为常数，则当某样品连同辅助物质棉线、金属丝燃烧后，下式成立：

（3）

式中：

--------物质B的摩尔燃烧内能变，J·mol-1

---------物质B的质量，kg

---------物质B的摩尔质量，kg·mol-1

C-----------系统热容，也称能当量或水当量J·K-1

K-----------仪器常数，J·mm-1

---------记录仪记录曲线峰高，mm

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。

二．实验操作

2.1实验仪器及药品

实验仪器：

GR3500型弹式量热计1套；热敏电阻1支（约2kΩ）；大学化学实验计算机接口：

温度计1支：

2000ml，1000ml容量瓶各1个；3000ml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、剪刀、尺子、氧气瓶公用。

实验药品：

分析纯的苯甲酸和萘。

2.2实验操作步骤及方法要点

2.2.1样品准备

在台秤上称量约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，用棉线绕在药片上，将镍丝穿入棉线后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1.0MPa的氧气。

充气后再检查是否通路与漏气，然后将氧弹放入内水桶内。

2.2.2仪器准备

接好线路，先将热敏电阻放入外水套，后将热敏电阻放入水盆中，调节水温，使内外大约相差0.6度。

准确称取水3000ml倒入内桶中，盖好桶盖。

打开量热仪电源，开动搅拌器，接下导通实验开关。

2.2.3燃烧

当基线走成直线后接下点火开关，若在半分钟之内迅速移动表示点火成功。

关掉点火开关，待升温结束后走出直线后停止记录仪。

停止搅拌，取出热敏电阻放入外水套中，此时记录笔所指位置为内外水套温度相等处。

用电脑软件进行数据处理。

切断量热仪热源，取出氧弹，放出燃烧废气。

旋开弹盖，检查样品是否燃烧完全，若有黑色物质，实验失败。

若燃烧完全，将剩余鎳丝取下称量，倒出内水桶水，将氧弹洗净、擦干。

2.2.4测量未知样品

记录外水套温度。

在台秤上面称取约0.6g萘，重复以上操作。

2.2.5实验结束

整理仪器，用计算机拟合数据线并求出萘的燃烧焓，实验结束。

2.2.6实验注意事项

1．称取样品不可过量，否则会升温过高，记录信号超出量程。

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。

三．结果与讨论

3.1原始实验数据

表1实验原始数据记录

被测项目

苯甲酸

萘

棉线质量（g）

0.0125

0.0144

镍丝总质量（g）

0.0251

0.0195

总质量（g）

0.0160

0.0124

镍丝剩余质量（g）

0.8125

0.6021

外水套温度（℃）

122.12

128.17

被测物分子量

0.0125

0.0144

峰高Δh（mV）

125.2637

138.1982

3.2计算的数据、结果

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。

图2苯甲酸处理曲线图

图3萘处理曲线图

用计算机计算出萘的燃烧焓为-5095.2709KJ/mol

接下来用公式（3）及修正公式

（1）计算萘的燃烧焓。

已知

，棉线和镍丝的燃烧内能变为-16736KJ/Kg和-3243KJ/Kg，苯甲酸摩尔燃烧焓为-3231.3KJ/mol

1mol苯甲酸完全燃烧反应方程式：

C7H6O2+7.5O2→7CO2+3H2O

即可得出∑νB（g）=-0.5代入

（1）式：

得出苯甲酸摩尔燃烧内能变为-3230.1KJ/mol

则依据

对苯甲酸数据进行处理，得出K。

等号左边为：

3230.1*（0.7749/122.12）+（16736*1.25ⅹ10-5）+（3243*10-6）=KΔh

因为Δh=125.2637/mol

所以K=165.53J/mol

再对于萘：

Δh=138.1982/mol

则ΔCU=

=

求得萘的ΔCU为-5099.67KJ/mol

1mol萘的完全燃烧反应方程式：

C10H8+12O2→10CO2+4H2O

进而求得萘的摩尔燃烧焓为-5104.63KJ/mol，于计算机结果基本一致。

3.3讨论分析

3.3.1与标准值对比计算相对误差

萘的标准摩尔燃烧焓约为-5153.8KJ/mol，计算相对误差得：

|-5153.8-（-5104.6）|/|-5153.8|=0.95%

3.3.2误差分析

1.实验仪器：

实验室中仪器做不到完全绝热，与外界的热交换会对结果有明显影响。

虽然我们在处理数据及作图时使用了雷诺作图法来修正，但是仍然会有一定的出入。

2.实验温度：

实际实验时我们并未严格保证也无法保证内外套之间的温度差为0.7摄氏度，实验过程中的温度也并非严格的25摄氏度。

测量温度的仪器的精度和准确度也有着一定的影响。

3.实验用品：

实验时苯甲酸及萘均会暴露在空气中一段时间，有可能造成一定程度的氧化变质。

充气时不可避免的会在氧弹内混入空气，其中的杂质气体（主要为氮气）会对反应造成影响。

4．数据处理：

我们对图像处理时采取了线性拟合的方法，但是此方法对于数据点选取的依赖颇大，选取不同的数据点直线斜率相差较大，结果有明显偏差。

比如我们组开始求出的最终结果是4900多，再调整了数据点后得到了接近5100的结果。

所以此处的误差为主要因素。

3.3.3失误分析

1.第一次往氧弹中充气时由于没有经验和紧张，并没有充满氧气，导致氧弹燃烧不完全，瓶内充满了黑色的碳质。

在老师再次示范后，我们吸取了教训，在第二次充气时确认了其完全充满，没有再次失败。

2.称量剩余镍丝的时候，由于我们的疏忽，把缠在柱子上的镍丝崩断了一截，所以最后测到的质量可能与真实值有少许偏差。

6思考题

6.1本实验中如何考虑系统与环境？

系统和环境通过哪些途径进行热交换？

这些热交换结果影响怎样？

如何校正？

答：

本实验中，把氧弹和内水桶看作孤立系统，把外水桶及其外部看作环境。

通过热传导的途径进行热交换，通过雷诺图的方法进行校正。

6.2使用氧气时要注意哪些问题？

答：

使用氧气时，要拧紧盖子和气阀，防止漏气。

充气时要先确认输氧口安装正确，当输氧口的气压达到1MPa时，充氧完毕，将输氧口悬塞推出，取下输氧口，一定要检查确信氧弹不漏气，而且要再次检查两电极间（顶帽与弹盖间）是否通路。

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。

充气时必须充满，否则会燃烧不完全，当充气至听不到声音时推上开关，听到“嗤”的一声，说明充满了。

6.3搅拌过快或过慢有何问题？

答：

搅拌过快会使得温度升高，与实验所需温度有差异；搅拌过慢会导致各部分传热不均，不能很好的恒温。

6.4氧弹中含有氧气，燃烧后形成硝酸，硝酸的生成对结果有何影响？

如何校正？

答：

实验中因为氧气中可能混有空气（主要成分为氮气），于是燃烧中有硝酸生成，产生较大误差。

可以将氧弹中残液取出，通过NaOH滴定的方法测得生成硝酸量，然后计算产生这些硝酸的生成焓。

在测得的燃烧焓中减去这一部分，就能校正硝酸的生成对结果产生的影响，减小误差。

6.5如果反应完后，剩余镍丝丢失，可不可以忽略，为什么？

答：

不可以。

因为镍丝参与了反应，对燃烧热有贡献，如果忽略剩余镍丝则看做全部镍丝参与反应，使得该次测量样品的燃烧焓数值减小，引入误差。