燃烧焓的测定Word格式文档下载.docx
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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·
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
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?
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?
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?
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?
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。