物理化學實驗教案 燃燒熱測定

1、燃燒熱的測定一實驗目的及要求1明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別及相互關(guān)系。2了解氧彈式量熱計的原理，構(gòu)造及使用方法,用氧彈式量熱計測定萘、蔗糖的燃燒熱，掌握有關(guān)熱化學實驗的一般知識和測量技術(shù)。 3明確所測溫差值為什么要進行雷諾圖解法校正并掌握該掌握有關(guān)熱化學實驗的一般知識和測量技術(shù)，校正方法。二實驗原理1摩爾物質(zhì)完全氧化時的反應熱稱為燃燒熱。所謂完全氧化是指cco2(g)，h2h2o(l)，sso2(g )，而n、ag、鹵素等元素變?yōu)橛坞x狀態(tài)。如在25苯甲酸的燃燒熱為3226.8kj/molc6h5cooh (固) 7o2 (氣) 7co2(氣) 3h2o(液) 燃燒熱可在恒

2、容或恒壓情況下測定。由熱力學第一定律可知：在不做非膨脹功情況下，恒容燃燒熱qv=u，恒壓燃燒熱qph。在氧彈式量熱計中測得燃燒熱為qv，而一般熱化學計算用的值qp，這兩者可通過下式進行換算： qpqv+nrt (1)式中 n為反應前后生成物和反應物中氣體的摩爾數(shù)之差；r為摩爾氣體常數(shù)；t為反應溫度(k)。 在盛有定量水的容器中，放入內(nèi)裝有一定量的樣品和氧氣的密閉氧彈，然后使樣品完全燃燒，放出的熱量傳給水及儀器，引起溫度上升。若已知水量為w克，儀器的水當量w（量熱計每升高1所需的熱量）。而燃燒前、后的溫度為t0和tn。則m克物質(zhì)的燃燒熱 q(cw+w)(tnt0) (2) 若水的比熱為1（c1）

3、，摩爾質(zhì)量為m的物質(zhì)，其摩爾燃燒熱為： qm/m(w+w)(tnt0) (3) 水當量w的求法是用已知燃燒熱的物質(zhì)(如本實驗用苯甲酸)放在量熱計中燃燒，測其始、末溫度，按(3)式求w。一般因每次的水量相同，(w+w)可作為一個定值()來處理。故 qm/m()(tnt0) (4)在較精確的實驗中，輻射熱，鐵絲的燃燒熱，溫度計的校正等都應予以考慮。三儀器與藥品gr3500氧彈式量熱計一套；氧氣鋼瓶，萬用表，數(shù)字式精密溫差測量儀一臺。苯甲酸（a.r.）;萘（a.r.）;蔗糖（a.r.）。四實驗步驟1. 將量熱計及其全部附件加以整理并洗凈擦干。2. 壓片 取燃燒絲放在干的燃燒杯中稱量。另用臺天平稱取約

4、0.7g0.8g已經(jīng)磨細的苯甲酸，把燃燒絲放在苯甲酸中，在壓片機中壓成片狀，（不能壓得太緊，太緊會壓斷燃燒絲或點火后不能燃燒），壓好后樣品形狀如左圖所示。將此樣品放在燃燒杯中稱量，從而可得到樣品的量m。3. 調(diào)節(jié)水溫 將溫差測量儀探頭放入外筒水中（環(huán)境），調(diào)節(jié)數(shù)字顯示在“2”左右，取3000ml以上自來水，將溫差測量儀探頭放入水中，調(diào)節(jié)水溫，使其低于外筒水溫1k左右，用容量瓶取3000ml已調(diào)溫的水注入內(nèi)筒，水面蓋過氧彈（兩電極應保持干燥），如有氣泡逸出，說明氧彈漏氣，尋找原因，排除。裝好攪拌頭（攪拌時不可有金屬摩擦聲），把電極插頭插緊在兩電極上，蓋上蓋子，將溫差測量儀探頭插入內(nèi)筒水中（拔出探

5、頭之前，記下外筒水溫讀數(shù)；探頭不可碰到氧彈）。4. 充氧氣 把氧彈的彈頭放在彈頭架上，將裝有樣品的燃燒杯放入燃燒杯架上，把燃燒絲的兩端分別緊繞在氧彈頭中的兩根電極上，用萬用表測量兩電極間的電阻值。（兩電極與燃燒杯不能相碰或短路）。把彈頭放入彈杯中，用手將其擰緊。再用萬用表檢查兩電極之間的電阻，若變化不大，則充氧。 使用高壓鋼瓶時必須嚴格遵守操作規(guī)則。先充入約0.5mpa氧氣，然后放氣，以排出單彈內(nèi)空氣。再充入約1.5mpa氧氣，再用萬用表檢查兩電極間電阻，變化不大時，將氧彈放入內(nèi)筒。氧彈結(jié)構(gòu)如左圖。5. 點火 檢查控制箱的開關(guān)，注意“振動、點火”開關(guān)應撥在振動檔，旋轉(zhuǎn)“點火電源”旋紐到最小。打

6、開總電源開關(guān)，打開攪拌開關(guān)，待馬達運轉(zhuǎn)2min3min后，每隔0.5min讀取水溫一次（精確至0.002）直至連續(xù)五次水溫有規(guī)律微小變化，把“振動、點火”開關(guān)由振動檔撥至點火檔，旋轉(zhuǎn)“點火電源”旋紐，逐步加大電流，當數(shù)字顯示開始明顯升溫時，表示樣品已燃燒。把“振動、點火” 開關(guān)撥 氧彈的構(gòu)造 至“振動”；把“點火”電源旋紐轉(zhuǎn)至最小。杯內(nèi)樣品一經(jīng)燃燒，水溫很快上升，每0.5min1.厚壁圓筒 2.彈蓋 3.螺帽 4.進氣孔 記錄溫度一次，當溫度升至最高點后，再記錄5.排氣孔 6.電極 7.燃燒皿 10次，停止實驗。8.電極（也是進氣孔）9.火焰遮板 實驗停止后，取出溫差測量儀探頭放入外筒水中，取

7、出氧彈，打開氧彈出氣口放出余氣，最后旋下氧彈蓋，檢查樣品燃燒結(jié)果。若有許多黑色殘渣表示燃燒不完全，實驗失敗。 彈中沒有什么燃燒殘渣，表示燃燒完全，若留用水沖洗氧彈及燃燒杯，倒去內(nèi)筒中的水，把物件用紗布一一擦干，待用。6. 測量萘的燃燒熱 稱取0.4g0.5g萘，代替苯甲酸，重復上述實驗。7. 測量蔗糖的燃燒熱 稱取1.2g1.3g蔗糖代替苯甲酸，重復上述實驗。五實驗注意事項1. 待測樣品需干燥，受潮樣品不易燃燒且稱量有誤。2. 注意壓片的緊實程度，太緊不易燃燒。燃燒絲需壓在片內(nèi)，如浮在片子面上會引起樣品熔化而脫落，不發(fā)生燃燒。3. 在燃燒第二個樣品時，內(nèi)筒水須再次調(diào)節(jié)水溫。六數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)記錄:

8、 實驗室溫度：10.2 oc苯甲酸萘蔗糖m（g）0.65460.62121.14731. 用雷諾圖求解苯甲酸、萘和蔗糖燃燒前后的t.苯甲酸的雷諾圖 苯甲酸的雷諾圖.萘的雷諾圖萘的雷諾圖.蔗糖的雷諾圖蔗糖的雷諾圖由經(jīng)雷諾圖校正可得：苯甲酸萘蔗糖t(oc)1.1881.7641.3302. 計算量熱計的水當量() 由公式： qpqv+nrt -3226.8= qv0.5 8.314 283.4/1000 qv=3226.8+0.5 8.314 283.4/1000 3225.6kj/mol =3225.614.55(kj/k)3. 求萘和蔗糖的燃燒熱.萘的燃燒熱 5296.0 kj/mol qpq

9、v+nrt5296.05300.7 kj/mol qp標準-5157 kj/mol 相對誤差 1002.79.蔗糖的燃燒熱 5773.6 kj/mol qpqv+nrt-5773.6 kj/mol qp標準-5645 kj/mol 相對誤差1002.28七思考題1. 在這實驗中，哪些是體系，哪些是環(huán)境？實驗過程中有無熱熱交換？熱交換對實驗結(jié)果有何影響？解答：體系：內(nèi)筒以及其中的水、氧彈。環(huán)境：內(nèi)筒以外的一切。由于環(huán)境與體系沒有絕熱，兩者只要存在溫差就可能存在熱交換。視體系溫度相對于環(huán)境溫度得高低，會使所測的燃燒熱偏小或偏大。實驗中采用雷諾圖解法進行校正。2. 加入內(nèi)筒中水的水溫為什么要選擇比外

10、筒水溫低？低多少合適？為什么？解答：因為體系與環(huán)境之間的熱交換是不可能避免的，所以開始加入內(nèi)筒水的水溫應比環(huán)境低，即比外筒水溫低，這樣熱就從環(huán)境傳遞到體系；當樣品燃燒以后，體系溫度比環(huán)境高，熱就從體系傳遞到環(huán)境。這樣就可以使得由于體系與環(huán)境之間的熱交換引起的誤差減小到最少。為了盡量讓兩個過程中傳遞的熱量相等而抵消，內(nèi)筒水被調(diào)低的溫度應是樣品燃燒前后溫差的一半。本實驗中t在1.5k左右，所以溫度選擇低0.91k。3. 實驗中，哪些因素容易造成誤差？如果要提高實驗的準確度應從哪幾方面考慮？解答：造成誤差因素：.樣品的預處理條件。.燃燒是否充分，由于壓片不好或充氧不足造成樣品沒有完全燃燒，將會帶來極

11、大的誤差。.水溫的選擇影響內(nèi)外筒之間的熱量傳遞。.內(nèi)筒中水量是否準確。.燃燒絲的燃燒熱。.工業(yè)氧氣中含氮雜質(zhì)的氧化帶來的熱效應。為了提高實驗的準確度，可以：.待測樣品需干燥，受潮樣品不易燃燒且稱量有誤。稱量要盡量準確。.適當多充一些氧氣，使樣品充分燃燒。且實驗后應檢查是否燃燒充分，并決定是否需要重做。.水溫應盡量選擇比環(huán)境溫度低，使熱傳遞抵消。.每次做完實驗后內(nèi)筒中的水要倒盡，且加水時要嚴格定容。.可以測定燃燒絲燃燒前后失重的量，用以校正它帶來的誤差。.用蒸餾水洗滌氧彈內(nèi)壁，并用naoh滴定，通過計算可校正氧氣中雜質(zhì)帶來的誤差。八討論 1燃燒熱是指1mol物質(zhì)完全燃燒時的熱效應，是熱化學中重要

12、的基本數(shù)據(jù)。燃燒熱廣泛地應用在各種熱化學計算中，許多物質(zhì)的燃燒熱和反應熱已經(jīng)測定。測定燃燒熱的氧彈式量熱計是重要的熱化學儀器，在熱化學、生物化學以及某些工業(yè)部門中用得很多。目前國產(chǎn)氧彈式量熱計有環(huán)境恒溫型和絕熱型兩類。前者設備簡單，但需進行溫差校正，后者不需校正，較精確，但價格昂貴。2.對其他熱效應的測量（如溶解熱，中和熱，化學反應熱等）可用普通杜瓦瓶作為量熱計。對于放熱過程也是用已知熱效應的反應物先求出量熱計的水當量，然后對未知熱效應的反應進行測定。對于吸熱反應可用電熱補償法直接求出反應熱效應。 3.本實驗是將可燃性物質(zhì)，在與外界隔離的體系中燃燒，從體系溫度的升高值及體系的熱容計算燃燒熱。這

13、就要求體系和外界熱量的交換很小，并能夠進行校正。為此，儀器要有較好的絕熱性能。體系與環(huán)境間交換能量的途徑有熱傳導、輻射對流、蒸發(fā)和機械攪拌等。體系與外界隔以空氣層防止熱傳導；量熱計的外套內(nèi)通水，并與體系溫度接近，以控制環(huán)境溫度恒定；內(nèi)筒下方用塑料墊腳架起，上方有膠木板蓋，以減少對流和蒸發(fā)；攪拌棒使熱量分布均勻；攪拌棒上端以絕熱棒與馬達相連，不會傳導熱；體系內(nèi)部各元件拋光或鍍銀，以減少熱輻射。 在點火前和實驗末期，體系與環(huán)境間溫度差變化不大，交換能量較穩(wěn)定。反應期溫度變化大，體系與環(huán)境溫度隨時改變，并且交換著一定的熱量，常用雷諾作圖法，校正溫度改變值。本實驗所做的雷諾校正圖中都沒有出現(xiàn)最高點，說

14、明量熱計絕熱情況良好，熱漏小，但由于攪拌不斷引進少量能量，使燃燒后最高點不出現(xiàn)。4.實驗中需要注意的事項：1) 待測樣品需干燥，受潮的樣品不易燃燒而且稱量時會帶來誤差。2) 壓片時，燃燒絲不要纏繞在一起，否則會短路、燒斷；壓片不能壓得太緊，太緊會壓斷燃燒絲或點火后不能燃燒。但在壓蔗糖片時，因為其顆粒較大、松散，需要用較大力氣才能壓片成功。燃燒絲需壓在片子內(nèi)，不要浮在片子表面。3) 把樣品固定在氧彈彈頭上時，要注意燃燒絲不要交纏，以防短路。并注意前后測量三次電阻值。4) 調(diào)節(jié)水溫時，不要把溫度探頭當成攪拌棒使用。要邊傾加冷/熱水，邊攪拌，防止加入過量。每次更換樣品時，都需要重新調(diào)節(jié)內(nèi)筒水溫。5)

15、 如實驗時氧氣壓力較高，不需要排空氣的步驟，但一定要充氧充分，保證完全燃燒。附： 燃燒熱的測定教學簡要內(nèi)容一重點與難點1. 注意恒容燃燒熱與恒壓燃燒熱的關(guān)系，要明確實驗中用氧彈量熱計測量的是恒容燃燒熱。在數(shù)據(jù)處理時，很多同學將二者搞混，求得恒容燃燒熱后不求恒壓燃燒熱。在處理數(shù)據(jù)時，要寫出三個反應的方程式，計算前后氣相物質(zhì)的摩爾差，由等容燃燒熱計算出等壓燃燒熱。2. 原理部分提到的“水當量”，物理意義是氧彈量熱計每升高1c所需要的熱量。因此，只要能知道或測定氧彈的水當量，那么樣品的燃燒熱也就不難求出?！八斄俊彪[含了一個重要的信息，那就是不管是測量苯甲酸，還是萘或蔗糖的燃燒熱，每次使用的水的量必

16、須相等。實驗中是要求用容量瓶量取3000ml，而且一次實驗結(jié)束需將內(nèi)筒晾干，以便進行下一次實驗。3. 本實驗最關(guān)鍵的部分是燃燒絲的繞制與壓片：(1)燃燒絲要繞制緊密，太松在壓片過程中可能會產(chǎn)生接觸，點火時就會短路；繞制過程中不可用指甲去掐或按，否則會在燃燒絲上留下折痕，點火時電流通過受阻，折痕處就會被熔斷，導致樣品無法燃燒；一般繞制8-10圈，蔗糖樣品顆粒較大，相對較為難燒，可繞10圈。(2)壓片放置燃燒絲時，注意兩端不要搭在一起；萘樣品較少，因此壓片時燃燒絲放置的位置較苯甲酸與蔗糖要低些。4. 整個實驗過程中，我們關(guān)心的是內(nèi)筒水溫度的改變值，而不是絕對溫度。由于燃燒放熱使內(nèi)筒的水溫升高，這樣

17、內(nèi)筒就會向溫度較低的外筒輻射熱量，那么內(nèi)筒水溫的升高就不能真實地反應燃燒放出的準確熱量。因此，要求內(nèi)筒的初始水溫要比外筒的低，在樣品燃燒前讓外筒向內(nèi)筒輻射熱量，而燃燒后，內(nèi)筒向外筒輻射熱量，如果兩部分熱量抵消，那么內(nèi)筒水溫的升高就能準確反映燃燒放出的熱量。5. 要利用好萬用表，實驗中燃燒絲的電阻值一般在十個歐姆左右。壓好片、裝到氧彈電極上以及充好氣都要測量電阻。壓好片后電阻太大表示燃燒絲可能被壓斷，電阻太小可能是發(fā)生短路，需重新繞絲壓片；裝到電極上后，電阻如果太大，說明纏得不牢，接觸不好，電阻太小則可能短路，需小心纏緊，不能有折痕；充氣后如果電阻太大，可能是氣流太急，沖斷燃燒絲，需緩緩充氣。在

18、保證電路暢通的情況下方能進行下一步實驗，這樣就能大大提高實驗的效率。6. 結(jié)合實驗中采集數(shù)據(jù)點時的要求，仔細講解雷諾校正的目的。為什么要等每0.5min水溫上升規(guī)律變化(0.002或0.003c)才記錄讀數(shù)？樣品燒著后，為什么要等最高點出現(xiàn)再記錄十個數(shù)據(jù)點？7. 實驗結(jié)束后結(jié)合思考題引導學生思考總結(jié)，本實驗中，體系是什么？環(huán)境又是什么？哪些因素會帶來誤差？二講解基本要點 1有關(guān)概念和實驗方法本實驗是測量熱效應的實驗。測熱效應時首先要考慮為吸熱反應還是放熱反應。吸熱反應可用電熱補償法來測量，放熱反應則用溫差量熱法來測量。 1摩爾物質(zhì)完全氧化時的反應熱稱為燃燒熱。所謂完全氧化是指cco2(g)，h

19、2h2o(l)，sso2(g )，而n、ag、鹵素等元素變?yōu)橛坞x狀態(tài)。（提問：什么是燃燒熱？）燃燒熱可在恒容或恒壓情況下測定。兩者之間的關(guān)系可由熱力學第一定律得：qpqv+nrt。今天我們在恒容情況下用氧彈式量熱計來測物質(zhì)的燃燒熱。 將一定量的樣品加入氧彈中，樣品完全燃燒后，放出的熱量傳給水及儀器，引起溫度上升。m克物質(zhì)的燃燒熱可表示為q(cw+w)(tnt0)：w為水量，w為儀器的水當量，t0和tn為燃燒前、后的溫度，c為水的比熱。若水的比熱為1，其摩爾燃燒熱為qm/m(w+w)(tnt0)。如果每次實驗的水量都相同，可把w+w作為一個定值來處理，摩爾燃燒熱為qm/m()(tnt0)。本實驗

20、用苯甲酸作為標準物質(zhì)，來求。再由求出的計算待測物的燃燒熱。2實驗內(nèi)容講解2.1了解量熱計的構(gòu)造，為了達到絕熱目的： .蓋子的正面涂上黑色，反面是光亮的金屬，防止熱輻射。 .內(nèi)筒與底部有塑料墊腳 .內(nèi)筒與外筒中有一層空氣，空氣是熱的不良導體。以上為了防止熱傳導。 .攪拌，使溫度混合均勻。.實驗前為什么要將內(nèi)筒水溫調(diào)調(diào)至比外筒水溫低1k？（提問：為什么？） 因為客觀上系統(tǒng)與環(huán)境不可避免存在熱交換，而燃燒是放熱反應，將水的起始溫度調(diào)調(diào)至比環(huán)境低約，可使反應前半期系統(tǒng)向環(huán)境吸收的熱量與后半期系統(tǒng)向環(huán)境吸收的熱量大致相抵消，以減小實驗的誤差。反應前后，溫度變化t=2k時，內(nèi)筒水溫度應當調(diào)低1k，即可達到

21、平衡。我們實驗中的t在1.5k左右。所以我們水溫調(diào)節(jié)時低0.81.0k就可以了。 在做實驗前，先要將外筒水溫置在2左右，便于我們讀數(shù)（示范操作一下）。將溫度探頭從外筒中拿出來，等示數(shù)降了2k左右時，按下置零鍵。 調(diào)節(jié)水溫時（操作），不要把溫度探頭當攪拌棒，以免損壞溫度探頭，要用玻棒。一邊倒入冰水，一邊攪拌。水溫調(diào)好后，將水倒在容量瓶中，一個2000ml、一個1000ml。定容。倒入內(nèi)筒。2.2壓片：要求壓出的片子，燃燒絲要在片子中間，這樣才能保證點火成功，燃燒完全。 氧彈和彈頭是配套的，價格昂貴，為了減少損耗，彈頭一定要放在彈頭架上來操作。 先將燃燒絲裝在燃燒杯中用電子天平稱量，稱準至毫克。壓

22、片前將燃燒絲穿于墊片中孔，注意不要讓燃燒絲的中間繞在一起（點火時會燒斷），燃燒絲不要緊貼金屬片，要抬高0.50.8cm，這樣就不會壓完片后，燃燒絲浮在樣品片上。研磨苯甲酸后在臺稱天平上稱0.70.8g壓片（提問：為什么要粗稱？）。壓好后取出片子把毛邊用手輕輕地弄掉，將樣品片裝在燃燒杯中稱量。前后質(zhì)量相減就是樣品片的重量。 2.3固定樣品：稱量完后，把燃燒絲兩端固定在彈頭上，量電阻。要求電阻小于15。把彈頭裝在氧彈上，裝好后再量電阻，同樣要求小于15。 由于我們的氧彈密封性不是很強，這時應該先調(diào)節(jié)水溫，將量熱計準備好。準備好后，再充氧。壓片的注意點：a壓片的兩個凹槽防止在壓片的時候引火絲受擠壓從

23、而電阻改變可能會不引燃；b在船引火絲的時候兩個長腳不要交叉，否則短路；c引火絲的螺旋部分：增加接觸面積；d取壓片時要光滑壓片；e. 壓片時不要用力過大，在壓蔗糖時要用力；f. 稱量的時候用中間四臺天平。24.鋼瓶的安全知識及充氧 鋼瓶應存放在陰涼、干燥，遠離熱源的地方，避免明火和太陽曝曬。（提問） 鋼瓶受熱后，氣體膨脹，瓶內(nèi)壓力增大，易造成漏氣，甚至爆炸?？扇夹詺怏w鋼瓶與氧氣鋼瓶必須分開存放。 一般的氣體鋼瓶，除了co2，nh3外，都要有減壓閥。 總閥與分壓閥頻繁使用很容易壞。教師把總閥與分壓閥打開后，調(diào)到一定的壓力，同學只要調(diào)壓閥就可以了。 充氣時，一手豎直地拿住鋼管，一手將螺紋旋緊。當“咝

24、咝”聲沒有了，就表示充好了。如果有的氧彈沒有聲音，等15秒鐘即可。 充完氧后，是第三次量電阻，同樣要求小于15。高壓鋼瓶及充氣注意點：a鋼瓶的顏色（氧氣：藍色 氫氣：綠色）；b鋼瓶的安全知識；c鋼瓶的操作：總閥在分閥關(guān)閉時才可以打開，分閥松為關(guān)閉，老師調(diào)節(jié)好分壓學生不可調(diào)節(jié)，壓力看表頭（注意單位和精度），表壓表示體系和大氣的壓差，充氣時聽不到“呲呲”聲表示充氣完畢。 d切記沖完氣后關(guān)閉閥門！ e. 充氣前和充氣后都要用萬用表測電極間的電阻值，變化不大可測。（一般電阻值15歐姆左右） 將氧彈放入內(nèi)筒時，先將橡膠電極插好，金屬電極由于不能碰水，先拿在手里，待氧彈放進去后，再將夾子夾上。一定要將電極夾穩(wěn)，不要中途松動下來。記下外筒溫度后，拔出溫度探頭，放入內(nèi)筒中。調(diào)節(jié)水溫的注意點：a調(diào)節(jié)數(shù)字顯示在2到3都可以； b攪拌不可有金屬聲； c. 不可用溫度探頭攪拌；