-燃燒熱的測定

1、燃燒熱測定燃燒熱測定1. 實驗目的 2. 實驗原理3. 儀器、裝置與試劑 4. 實驗步驟5. 實驗數(shù)據(jù)處理6. 實驗結果討論提 綱 前 言 化學熱力學數(shù)據(jù)是用于判斷化學反應進行的方向、限度、能量轉換行為的基礎。獲得熱力學數(shù)據(jù)常用方法包括熱化學方法（如：量熱）、平衡常數(shù)法、電化學方法。 本實驗項目探索用氧彈式量熱計測定反應熱效應的原理和方法。 1. 實驗目的1）. 明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱和恒 容燃燒熱的差別。2）. 了解量熱計中主要部分的作用，掌握氧彈量熱計的實驗技術。3）. 學會雷諾圖解法校正溫度改變值。4）. 用氧彈量熱計測定萘的燃燒熱。 準確測定反應過程的溫度變化值T 獲得恒容熱

2、QV和恒壓熱QPmrHUmr和進一步獲得2. 實驗原理 物質的物質的燃燒熱燃燒熱是指是指1mol物質完全燃燒時的熱效應，物質完全燃燒時的熱效應，燃燒熱測量實驗所燃燒熱測量實驗所遵循的原理是能量守恒定律。遵循的原理是能量守恒定律。 在恒容條件下所測得的燃燒熱稱為在恒容條件下所測得的燃燒熱稱為恒容燃燒熱恒容燃燒熱QV，若把參加反應的，若把參加反應的氣體視為理想氣體，則恒容燃燒熱氣體視為理想氣體，則恒容燃燒熱QV與恒壓熱效應與恒壓熱效應Qp的關系為：的關系為： Qp = QV + RTn （1）式中式中n為反應前后氣體物質的摩爾量差值為反應前后氣體物質的摩爾量差值由式由式(1)還可以導出物質的摩爾恒

3、壓燃燒熱還可以導出物質的摩爾恒壓燃燒熱(焓焓)：因為因為QV,m= QV/ = cUm，所以：，所以： cHm = cUm+RTB(g) （2） 本實驗是將本實驗是將一定量的待測樣品一定量的待測樣品(B)在氧彈中在氧彈中完全燃燒完全燃燒，所放出的熱量使熱量，所放出的熱量使熱量計的溫度升高，通過測定燃燒前后此溫度的變化值計的溫度升高，通過測定燃燒前后此溫度的變化值 TB，可以求算該樣品的恒，可以求算該樣品的恒容燃燒熱容燃燒熱QV值。燃燒熱值。燃燒熱QV值與熱量計的溫度升高值的關系為：值與熱量計的溫度升高值的關系為： QV + q = WTB (3)式中式中W為熱量計的熱容，也稱為為熱量計的熱容，

4、也稱為水當量，是熱量計（包括其中的水）升高一度時所吸收的熱量；q為非樣品物質的燃燒熱，包括點火絲被燃燒部分放出的熱和為非樣品物質的燃燒熱，包括點火絲被燃燒部分放出的熱和氧彈內所含的氧彈內所含的N2氣燃燒所放出的熱。氣燃燒所放出的熱。TB = T讀讀 + T校校2. 實驗原理 在式在式TB = T讀讀 + T校校中，中，T讀讀：量熱計在測試主期內讀到的表觀溫度變化值量熱計在測試主期內讀到的表觀溫度變化值T校校為對量熱計在測試主期內與環(huán)境之間發(fā)生熱交換而導致的溫度變化所做的溫度校為對量熱計在測試主期內與環(huán)境之間發(fā)生熱交換而導致的溫度變化所做的溫度校正。正。T校校的計算方法有經(jīng)驗公式的計算方法有經(jīng)驗

5、公式(奔特公式奔特公式)計算法或雷諾圖的圖解法。計算法或雷諾圖的圖解法。 對于確定的量熱計，其對于確定的量熱計，其水當量水當量W是確定的，即：是確定的，即： （4） 通常通常用已知燃燒熱的物質用已知燃燒熱的物質(稱為標準物質稱為標準物質)來標定熱量計的水當量來標定熱量計的水當量W，一般采用，一般采用高高純度的苯甲酸，苯甲酸的燃燒熱純度的苯甲酸，苯甲酸的燃燒熱qV=26480.5Jg-1，m1為標定水當量時所用標準物質的質為標定水當量時所用標準物質的質量，量，m2為待測樣品的質量，為待測樣品的質量，M2為待測樣品的摩爾質量；為待測樣品的摩爾質量；B,22m,22B,111)()()(校校TTqQ

6、MmTTqqmWVV2. 實驗原理211B,1B,222m,)()()(qqqmTTTTmMQVV校校2. 實驗原理由（4）得到：非樣品物質：點火絲和氧彈中非樣品物質：點火絲和氧彈中N2.本實驗采用的本實驗采用的Ni-Cr點火絲的燃燒熱為點火絲的燃燒熱為8.37Jcm-1因此，因此，q1= 8.37l1 (J)，l1為標定水當量時燃燒掉的點火絲的長度為標定水當量時燃燒掉的點火絲的長度(cm)， q2= 8.37l2 (J)，l2為測定樣品燃燒熱時燃燒掉的點火絲的長度為測定樣品燃燒熱時燃燒掉的點火絲的長度(cm) 實際上，非樣品物質的燃燒熱實際上，非樣品物質的燃燒熱q值在本實驗中所占份額一般不會

7、超過值在本實驗中所占份額一般不會超過2。 N2燃燒產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)生的HNO3量可以預先在氧彈中加量可以預先在氧彈中加5mlH2O收集，測量。收集，測量。1）. 試劑試劑 壓成片狀的苯甲酸壓成片狀的苯甲酸(A R)，每片約，每片約1.01.2克；克； 壓成片狀的萘壓成片狀的萘(A R)，每片約，每片約0.8 1.0克?？?。 2）. 儀器與裝置儀器與裝置 氣壓計一臺氣壓計一臺(公用公用)；裝有減壓閥的純氧氣鋼瓶一個；裝有減壓閥的純氧氣鋼瓶一個(公用公用)；電子天平；電子天平一臺一臺(公用公用)；壓片機一臺；壓片機一臺(公用公用)；酸洗石棉若干；不銹鋼坩堝二個；酸洗石棉若干；不銹鋼坩堝二個； Ni-C

8、r點火絲；熱量計一臺；多功能控制箱一臺；氧彈一套。點火絲；熱量計一臺；多功能控制箱一臺；氧彈一套。3.儀器、裝置與試劑 圖1 氧彈熱量計安裝示意圖 圖2 氧彈剖面圖 3.儀器、裝置與試劑 圖圖1 1 量熱計剖面量熱計剖面示意圖示意圖圖圖2 2 全自動及半自動單頭氧彈剖全自動及半自動單頭氧彈剖面示意圖面示意圖3.儀器、裝置與試劑 1.苯甲酸燃燒熱的測定(1)樣品制作：稱重和壓片(2)裝置氧彈 (3)充氣 (4)燃燒2. 萘的燃燒熱測定(5) 測量溫度4. 實驗步驟 重復上述過程1）. 苯甲酸必須經(jīng)過干燥，受潮樣品不易點燃且稱量有誤。壓片時，不能太緊，否則不易點燃；也不宜太松，否則樣品脫落，秤量不

9、準。2）. 氧氣遇油脂會爆炸。因此氧氣減壓閥、氧彈以及氧氣通過的各部件、各連接部分不允許有油污，更不許使用潤滑油。3）. 電極切勿與燃燒皿接觸，燃燒絲與燃燒皿亦不能相碰，以免引起短路。4）. 氧彈放入內桶中后如有氣泡，說明氧彈漏氣，應設法排除故障。5）. 進行萘的燃燒熱測量時需要重新調節(jié)水溫和量取水的體積。 注意事項（1）. 制樣 就是將粉狀試樣壓片成型。取約1克左右的粉狀試樣裝入壓片機內，將粉狀試樣壓緊制成塊狀(苯甲酸和奈要分別壓制)。注意：試樣應進行磨細、烘干、干燥器恒重等前處理，潮濕樣品不易燃燒且有誤差。對壓片緊實度的要求是：試樣塊的表面有較細密的光潔度，棱角無粗粒，以保證其易燃，又不至

10、于引起爆炸性燃燒而殘剩黑糊等狀。4. 實驗步驟 4. 實驗步驟 （2）. 量熱計水當量標定 稱樣 取一塊苯甲酸試樣，用電子天平準確稱量出其重量；取一塊苯甲酸試樣，用電子天平準確稱量出其重量； 裝樣 將氧彈蓋子放在裝樣支架上，將氧彈蓋子放在裝樣支架上， 使氧彈蓋子底部連接的環(huán)形支架的點火電極使氧彈蓋子底部連接的環(huán)形支架的點火電極桿能垂直懸空放置平穩(wěn)；再將經(jīng)稱重的苯甲酸試樣放入一個內部墊有酸洗石棉的坩桿能垂直懸空放置平穩(wěn)；再將經(jīng)稱重的苯甲酸試樣放入一個內部墊有酸洗石棉的坩堝，并將該坩堝放入氧彈蓋子底部連接的環(huán)形支架中；取一段長度約堝，并將該坩堝放入氧彈蓋子底部連接的環(huán)形支架中；取一段長度約15cm

11、(要要準確準確測量測量其長度其長度)的點火絲對折成的點火絲對折成V字形字形(不能折斷不能折斷)，將，將V字形點火絲的尖端頂在試樣上，字形點火絲的尖端頂在試樣上，開口的兩端分別纏繞在兩個點火電極桿上。開口的兩端分別纏繞在兩個點火電極桿上。然后水平晃動然后水平晃動裝樣支架，檢查點火絲的裝樣支架，檢查點火絲的尖端是否仍頂在試樣上，并用萬用電表檢查兩電極是否通路；尖端是否仍頂在試樣上，并用萬用電表檢查兩電極是否通路；注意：注意：點火絲要緊貼點火絲要緊貼電極纏繞，以減少點火電路的電阻，且點火絲不能與坩堝壁觸碰，以免發(fā)生短路。電極纏繞，以減少點火電路的電阻，且點火絲不能與坩堝壁觸碰，以免發(fā)生短路。 氧彈充

12、氧 在氧彈內加入在氧彈內加入10mL蒸餾水后，將裝好樣的氧彈蓋子蓋在氧彈上并蒸餾水后，將裝好樣的氧彈蓋子蓋在氧彈上并旋緊，再將氧彈的充放氣口與氧氣鋼瓶導管連接好；打開氣瓶開關，待指示氣瓶旋緊，再將氧彈的充放氣口與氧氣鋼瓶導管連接好；打開氣瓶開關，待指示氣瓶內壓力的氣壓表指針穩(wěn)定后，緩慢打開減壓閥門至指示減壓閥出口壓力的氣壓表內壓力的氣壓表指針穩(wěn)定后，緩慢打開減壓閥門至指示減壓閥出口壓力的氣壓表顯示壓力為顯示壓力為1.5MPa左右，在此壓力下充氣至聽不到充氣的聲音左右，在此壓力下充氣至聽不到充氣的聲音(約約0.51分鐘分鐘)，關，關閉減壓閥門，再從氧彈的充放氣口上卸下氧氣鋼瓶導管；最后并用萬用電

13、表檢查閉減壓閥門，再從氧彈的充放氣口上卸下氧氣鋼瓶導管；最后并用萬用電表檢查兩電極是否通路，若不同，則要放出氧彈內的氣體，打開氧彈檢查問題所在，改兩電極是否通路，若不同，則要放出氧彈內的氣體，打開氧彈檢查問題所在，改正后重新充氧。正后重新充氧。注意注意：開關氧氣瓶閥門時人應站在氣瓶出口的側面，以免發(fā)生意：開關氧氣瓶閥門時人應站在氣瓶出口的側面，以免發(fā)生意外時，沖出的氣壓表等物體傷人。外時，沖出的氣壓表等物體傷人。4. 實驗步驟 氧氣氧氣鋼瓶鋼瓶高壓表高壓表低壓表低壓表總閥門總閥門低壓表調節(jié)低壓表調節(jié)螺桿螺桿4. 實驗步驟 氧彈放置 將氧彈放入量熱計內桶，并調整氧彈的位置，使之不會與攪拌將氧彈放

14、入量熱計內桶，并調整氧彈的位置，使之不會與攪拌槳相碰，槳相碰，再再用容量瓶向量熱計內桶灌入用容量瓶向量熱計內桶灌入1500mL自來水；蓋好量熱自來水；蓋好量熱計的蓋子，連接點火電極與電源之間的線路和量熱計電源線路；計的蓋子，連接點火電極與電源之間的線路和量熱計電源線路；注意注意：向量熱計灌水時要緩慢，防止水外濺；放置氧彈時，手不：向量熱計灌水時要緩慢，防止水外濺；放置氧彈時，手不能浸入水中，以免帶出水使量熱計內水量不準確，而影響量熱計能浸入水中，以免帶出水使量熱計內水量不準確，而影響量熱計的水當量值。的水當量值。4. 實驗步驟 溫度測量 開啟量熱計的攪拌和數(shù)字貝克曼溫度計的電源，并開始定時開啟

15、量熱計的攪拌和數(shù)字貝克曼溫度計的電源，并開始定時(每每0.5分鐘讀數(shù)一分鐘讀數(shù)一次次)記錄量熱計的溫度值。整個實驗溫度測量分為初期、主期和末期三段，記錄量熱計的溫度值。整個實驗溫度測量分為初期、主期和末期三段，初初期和期和末末期讀數(shù)時間不少于期讀數(shù)時間不少于5分鐘。初期溫度從分鐘。初期溫度從0時刻開始記錄，初期的最后一個溫度讀時刻開始記錄，初期的最后一個溫度讀數(shù)同時開啟點火開關進行點火；此時進入主期數(shù)同時開啟點火開關進行點火；此時進入主期(即即初初期的期的最后一個最后一個溫度就是溫度就是主主期期0時時刻刻的溫度的溫度)，燃燒放熱，量熱計內溫度會迅速升高，待溫度開始出現(xiàn)下降，溫度測，燃燒放熱，量

16、熱計內溫度會迅速升高，待溫度開始出現(xiàn)下降，溫度測量進入末期量進入末期(即主期的即主期的最高溫度最高溫度就是主期的最后一個溫度，也是末期就是主期的最后一個溫度，也是末期0時刻的溫度時刻的溫度)，末期測量完畢后關閉量熱計的攪拌和數(shù)字貝克曼溫度計的電源。末期測量完畢后關閉量熱計的攪拌和數(shù)字貝克曼溫度計的電源。注意注意：數(shù)字貝克曼溫度計要設置在溫差檔；點火時間要短促，即點火開關開啟后：數(shù)字貝克曼溫度計要設置在溫差檔；點火時間要短促，即點火開關開啟后要立刻關閉；開啟攪拌時要注意別誤開點火開關。要立刻關閉；開啟攪拌時要注意別誤開點火開關。4. 實驗步驟 放氣及非樣品物質燃燒熱數(shù)據(jù)采集 從量熱計中取出氧彈，

17、先放出氧彈內的氣體，再打開氧彈的蓋子，觀察樣從量熱計中取出氧彈，先放出氧彈內的氣體，再打開氧彈的蓋子，觀察樣品燃燒是否完全品燃燒是否完全(若坩堝內殘留物為黑糊狀或灰白相間的絮狀物，則為燃燒不完若坩堝內殘留物為黑糊狀或灰白相間的絮狀物，則為燃燒不完全全)；將殘留在電極桿上的燃燒絲取下，準確測量出其長度；用；將殘留在電極桿上的燃燒絲取下，準確測量出其長度；用150200mL蒸餾蒸餾水涮洗氧彈內壁，涮洗液倒入一燒杯中即收集得硝酸液量；燒杯加蓋煮沸水涮洗氧彈內壁，涮洗液倒入一燒杯中即收集得硝酸液量；燒杯加蓋煮沸5分鐘，分鐘，加加2滴酚酞，以濃度為滴酚酞，以濃度為0.1molL-1的的NaOH標準溶液滴

18、至粉紅色，記下標準溶液滴至粉紅色，記下NaOH標準標準溶液用量溶液用量(每每mL的的NaOH標準溶液相當于生成硝酸時放出的熱量為標準溶液相當于生成硝酸時放出的熱量為5.98J)。4. 實驗步驟 至此，水當量標定實驗結束。擦凈氧彈內外表面及彈蓋；倒掉熱量計內至此，水當量標定實驗結束。擦凈氧彈內外表面及彈蓋；倒掉熱量計內桶中的水，并擦干內桶壁，準備下一步實驗。桶中的水，并擦干內桶壁，準備下一步實驗。3）. 奈的燃燒熱測量 操作步驟與水當量標定的步驟一樣，只是試樣換為奈。操作步驟與水當量標定的步驟一樣，只是試樣換為奈。4）. 記錄實驗當日的室溫及大氣壓 本實驗未向量熱計外筒內灌水，即量熱計的隔熱層內

19、介質采用的是空氣，本實驗未向量熱計外筒內灌水，即量熱計的隔熱層內介質采用的是空氣，而不是水，所以可將量熱計外筒內空氣溫度視為與室溫一致。而不是水，所以可將量熱計外筒內空氣溫度視為與室溫一致。4. 實驗步驟 5. 實驗數(shù)據(jù)處理實驗數(shù)據(jù)記錄室溫：室溫： 15.2 ；大氣壓：；大氣壓：p大大= 101.13 kPa；樣品稱量：樣品稱量：苯甲酸苯甲酸(A.R)m1 = 1.228g，奈，奈 (A.R)m2 = 0.901g；點火絲：點火絲：l1,0 = 8.40cm，l2,0 = 9.10cm ；殘絲：殘絲： l1 = 3.62cm， l2 = 2.95cm ；儀器名稱及型號：儀器名稱及型號：RH-1

20、5型氧彈式熱量計；型氧彈式熱量計；RH-15B型熱量計多功能控制箱；型熱量計多功能控制箱；DYM3型空盒氣壓表型空盒氣壓表 溫度測量記錄數(shù)據(jù)列于下表。溫度測量記錄數(shù)據(jù)列于下表。序號序號時間時間/ min苯甲酸苯甲酸奈奈初期溫度初期溫度主期溫度主期溫度末期溫度末期溫度初期溫度初期溫度主期溫度主期溫度末期溫度末期溫度107.4517.4659.7008.4858.50910.52220.57.4548.0439.7008.4878.89210.521317.4558.8629.7008.4919.57810.52141.57.4569.2289.7018.4959.99210.52152.07.4

21、589.3769.7018.49710.17710.52162.57.4599.3769.7008.50010.28310.52073.07.4619.4659.7008.50210.34610.52083.57.4629.5269.7008.50410.38910.52094.07.4639.5729.6998.50610.42110.519104.57.4649.6059.6988.50710.45510.519115.07.4659.6289.6978.50910.46310.519125.5 9.647 10.477 136.0 9.660 10.488 146.5 9.672 10.

22、496 157.0 9.680 10.502 167.5 9.686 10.507 178.0 9.690 10.511 188.5 9.694 10.514 199.0 9.697 10.516 209.5 9.698 10.518 2110.0 9.700 10.519 2210.5 10.520 2311.0 10.521 2411.5 10.521 2512.0 10.522 表1 燃燒熱實驗原始數(shù)據(jù)記錄表5.1. 經(jīng)驗公式計算校正溫度 奔特校正經(jīng)驗公式為：奔特校正經(jīng)驗公式為：T校校 = rv2 + n(v1+ v2)/2 式中式中v1為初期溫度變化率；為初期溫度變化率；v2為末期溫度

23、變化率；為末期溫度變化率； r為在主期中每半分鐘升溫幅度小于為在主期中每半分鐘升溫幅度小于0.3度的間隔數(shù)；度的間隔數(shù)； n為在主期中沒半分鐘升溫幅度大于為在主期中沒半分鐘升溫幅度大于0.3度的間隔數(shù)，度的間隔數(shù)，且點火后的第一個溫且點火后的第一個溫度間隔必須計入度間隔必須計入n中。中。 5.1.1 苯甲酸燃燒實驗溫度校正 由原始數(shù)據(jù)知：由原始數(shù)據(jù)知：r = 17，n = 3，T1 = 9.700-7.465 = 2.235Kv1 = (T0 T11 )初初 /10 = (7.451 7.465 ) /10 = - -0.0014v2 = (T0 T11 )末末 /10 = (9.700 9.

24、697) /10 = 0.0003 則則T校校,1 = 170.0003 + 3(0.0003 - -0.0014)/2 = 0.00345K5. 實驗數(shù)據(jù)處理5.1.2 奈燃燒實驗溫度校正 由原始數(shù)據(jù)知：由原始數(shù)據(jù)知：r = 21，n = 3， T2 = 10.522-8.509 = 2.013Kv1 = (T0 T11 )初初 /10 = (8.485 8.509 ) /10 = -0.0024v2 = (T0 T11 )末末 /10 = (10.522 10.519) /10 = 0.0003 則則T校校,2 = 210.0003 + 3(0.0003 -0.0024)/2 = 0.00

25、365K5.1.3 非樣品燃燒熱值計算 忽略忽略N2燃燒生成硝酸的燃燒熱值，只計算燃燒絲的燃燒熱值燃燒生成硝酸的燃燒熱值，只計算燃燒絲的燃燒熱值 苯甲酸燃燒實驗苯甲酸燃燒實驗 q1 = 8.37(8.40 -3.62) = 40.009J 奈燃燒實驗奈燃燒實驗 q2 = 8.37(9.10 -2.95) = 51.476J5. 實驗數(shù)據(jù)處理5.1.4 燃燒熱計算 恒容燃燒熱恒容燃燒熱恒壓燃燒熱恒壓燃燒熱 室溫下奈的燃燒反應為室溫下奈的燃燒反應為 C10H8(s) + 12O2(g) = 10CO2(g) + 4H2O(l)故故 cHm = cUm+RTB(g) = - -4194.85 + 8

26、.314288.35(- -2)10-3= - -4199.64kJmol-11 -211B,1B,222m,mcmolkJ85.4194476.51)009.405 .26480228. 1 (00345. 0235. 200365. 0013. 2901. 0128)()()(qqqmTTTTmMQUVV校校5. 實驗數(shù)據(jù)處理5. 實驗數(shù)據(jù)處理5.2.用雷諾圖圖解法校正溫度8.5825b1a1圖圖1 1 苯甲酸燃燒實驗雷諾圖苯甲酸燃燒實驗雷諾圖圖圖2 2 奈燃燒實驗雷諾圖奈燃燒實驗雷諾圖9.5155b2a2根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作雷偌圖： 選擇主期溫度差的中值點做選擇主期溫度差的中值點做“溫度溫度-時間時間”曲線作垂線，該垂線與初期、末期外曲線作垂線，該垂線與初期、末期外延線的交點延線的交點(a，b)溫度差值即為校正后的溫度差值即為校正后的TB = Tb- -Ta 。