四川理工學(xué)院-有機(jī)物燃燒焓的測(cè)定

1、有機(jī)物燃燒焓的測(cè)定姓名：吳春明 學(xué)號(hào)：10031010516 班級(jí)：工藝5班一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?明確燃燒焓的定義，了解恒壓熱效應(yīng)與恒容熱效應(yīng)的關(guān)系。 2掌握有關(guān)熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)的一般知識(shí)和技術(shù)。 3用氧彈式量熱計(jì)測(cè)定有機(jī)物的燃燒焓。 4. 理解氧彈式量熱計(jì)的測(cè)量原理。 二實(shí)驗(yàn)原理熱化學(xué)中定義：在指定溫度和壓力下，一摩爾物質(zhì)完全燃燒成指定產(chǎn)物的焓變，稱為該物質(zhì)在此溫度下的摩爾燃燒焓，記作CHm。通常，C、H等元素的燃燒產(chǎn)物分別為CO2(g)、H2O(l)等。由于上述條件下H=Qp，因此CHm也就是該物質(zhì)燃燒反應(yīng)的等壓熱效應(yīng)Qp,m。在適當(dāng)?shù)臈l件下，許多有機(jī)物都能迅速而完全地進(jìn)行氧化反應(yīng)，這就為準(zhǔn)確測(cè)定它們的燃

2、燒焓創(chuàng)造了有利條件。在實(shí)際測(cè)量中，燃燒反應(yīng)常在恒容條件下進(jìn)行，如在彈式量熱計(jì)中進(jìn)行，這樣直接測(cè)得的是反應(yīng)的恒容熱效應(yīng)QV（即燃燒反應(yīng)的熱力學(xué)能變CU）。若將應(yīng)系統(tǒng)中的氣體物質(zhì)視為理想氣體，根據(jù)熱力學(xué)推導(dǎo)可得CHm和CUm的關(guān)系為：式中，T為反應(yīng)溫度(K)；CHm為摩爾燃燒焓(Jmol)；CUm為摩爾燃燒熱力學(xué)能變(Jmol-1)；vB(g)為燃燒反應(yīng)方程中各氣體物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)，規(guī)定生產(chǎn)物-1cHm=cUm+n(g)RT 或 Qp,m=Qv,m+n(g)RT （1）圖2.1 環(huán)境恒溫式氧彈量熱計(jì) 圖2.2 氧彈結(jié)構(gòu)示意圖- 1 -取正值，反應(yīng)物取負(fù)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得QV,m(Jmol-1)值，根

3、據(jù)上式就可計(jì)算出Qp,m(Jmol-1)，即燃燒焓的值CHm。本實(shí)驗(yàn)是用氧彈式量熱計(jì)進(jìn)行萘的燃燒焓的測(cè)定。其基本欲案例是能量守恒定律：通過(guò)量出已知量的待測(cè)物完全燃燒放出的熱，可計(jì)算出Qv,m。而放出的熱可是一定量的介質(zhì)（如水）升高一定的溫度，即在燃燒前后產(chǎn)生一定數(shù)值的溫差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得出該溫差值即可反知待測(cè)物燃燒放出的熱。量熱計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，氧彈結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。實(shí)驗(yàn)中，設(shè)質(zhì)量為ma（g）的待測(cè)物質(zhì)（恒容燃燒熱為Qv,m）和質(zhì)量為mb（g）的點(diǎn)火絲（恒容燃燒熱為q，Jg-1）在氧彈中燃燒，放出的熱可使質(zhì)量為wm的水（比熱容為cw，JK-1g-1）及量熱器本身（熱容為Cm，JK-1）的溫

4、度由T1升高到T2，則根據(jù)能量守恒定律可得到熱平衡關(guān)系為： a Qv,mm （2） )(1)=K(T2-T1) M+qmb=-Cm+cwmT2-T式中，M為該待測(cè)物的摩爾質(zhì)量；規(guī)定系統(tǒng)放熱時(shí)Q取負(fù)數(shù)；K= ( Cm+cw wm)，同一套儀器、當(dāng)內(nèi)筒中的水量一定時(shí)，K值恒定，稱K為儀器常數(shù)或水當(dāng)量（JK-1），常用已知燃燒熱值Qv的苯甲酸來(lái)測(cè)定。求出量熱體系的儀器常數(shù)K后，再用相同方法對(duì)其它物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)出溫升T=T2 - T1，代入上式，即可后，再用相同方法對(duì)其它物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)出溫升T=T2 - T1，代入上式，即可求得待測(cè)物的燃燒Qv,m或CUm。實(shí)際上，氧彈式熱量計(jì)不是嚴(yán)格的絕熱系統(tǒng)，

5、加之由于傳熱速度的限制，燃燒后由最低溫度達(dá)最高溫度需一定的時(shí)間，在這段時(shí)間里系統(tǒng)與環(huán)境難免發(fā)生熱交換，因而從溫度計(jì)上讀得的溫差就不是真實(shí)的溫差。為此，必須對(duì)讀得的溫差進(jìn)行校正。校正的方法可以有作圖法（雷諾法）和公式法（奔特公式）。三儀器和試劑氧彈式量熱計(jì)，精密電子溫差測(cè)量?jī)x，氧氣鋼瓶，充氧機(jī)，壓片機(jī)，萬(wàn)用電表，臺(tái)稱，電子天平，容量瓶(1000mL)，苯甲酸(分析純，Qv,m-3227.51 kJmol-1)，萘(分析純)，專用燃燒鎳絲（q-1525 Jg-1）。四實(shí)驗(yàn)步驟1. 儀器常數(shù)的測(cè)定（1）準(zhǔn)備點(diǎn)火絲：量取長(zhǎng)約10cm點(diǎn)火絲，在電子天平上準(zhǔn)確稱重，得mb值。在直徑約3mm的玻璃棒上，將其

6、中段繞成螺旋形5圈6圈。（2）壓片：用臺(tái)秤預(yù)稱取0.9g1.1g的苯甲酸，在壓片機(jī)上壓成圓片。將壓片制成的樣品放在干凈的稱量紙上，小心除掉有污染和易脫落部分，然后在電子天平上精確稱量，得ma值。（3）裝氧彈：將氧彈蓋取下放在專用架上，用濾紙擦凈電極及不銹鋼坩堝。先放好坩堝，然后用鑷子將樣品放在坩堝正中央（樣品凹面朝上）。將準(zhǔn)備好的燃燒絲兩端固定在電極上，并將螺旋部分緊貼在樣品的上表面，然后小心旋緊氧彈蓋（注意：點(diǎn)火絲不可與坩堝接觸，以防短路）。用萬(wàn)用表檢查兩電極間的電阻值，一般不應(yīng)大于20。- 2 -（4）充氧氣：將氧彈接入充氧機(jī)，檢查氧氣鋼瓶上的減壓閥，使其處于關(guān)閉狀態(tài)，再打開氧氣鋼瓶上的總

7、開關(guān)。然后輕輕擰緊減壓閥螺桿(擰緊即是打開減壓閥)，使氧氣緩慢進(jìn)入氧彈內(nèi)。待減壓閥上的減壓表壓力指到1.8MPa2.0MPa之間時(shí)停止，關(guān)閉氧氣鋼瓶總開關(guān)，并擰松壓閥螺桿。（5）安裝熱量計(jì)：先放好內(nèi)筒，調(diào)整好攪拌，注意不要讓葉輪碰撞內(nèi)筒壁。將氧彈放在內(nèi)筒正中央，接好點(diǎn)火插頭，加入3000mL自來(lái)水。插入精密電子溫差測(cè)量?jī)x上的測(cè)溫探頭，注意既不要和氧彈接觸、內(nèi)筒壁接觸，使導(dǎo)線從蓋孔中出來(lái)，安裝完畢。再次用萬(wàn)用表檢查電路是否暢通。（6）數(shù)據(jù)測(cè)量：打開精密電子溫差測(cè)量?jī)x，打開攪拌，設(shè)定溫度讀數(shù)時(shí)間間隔為30秒。待溫度基本穩(wěn)定后將溫差測(cè)量?jī)x“采零”、“鎖定”，開始記錄溫差數(shù)據(jù)。整個(gè)數(shù)據(jù)記錄分為三個(gè)階段

8、：a初期：這是樣品燃燒以前的階段。在這一階段觀測(cè)和記錄周圍環(huán)境和量熱體系在試驗(yàn)開始溫度下的熱交換關(guān)系。每隔1分鐘讀取溫度1次，共讀取6次。b主期：從點(diǎn)火開始至傳熱平衡稱為主期。在讀取初期最末1次數(shù)值的同時(shí)，按一下“點(diǎn)火”按鈕即進(jìn)入主期。此時(shí)每30秒讀取溫度1次，直到溫度不再上升而開始下降的第1次溫度為止。c末期：這一階段的目的與初期相同，是觀察在試驗(yàn)后期的熱交換關(guān)系。此階段仍是每30秒讀取溫度1次，直至溫度停止下降為止(約共讀取10次)。停止觀測(cè)溫度后，從熱量計(jì)中取出氧彈，放盡其中的氣體，擰開并取下氧彈蓋，氧彈中如有煙黑或未燃盡的試樣殘余，表明試驗(yàn)失敗，應(yīng)重做。2 萘的燃燒焓的測(cè)定稱取0.8g

9、1g 萘，用與“儀器常數(shù)的測(cè)定”相同的方法進(jìn)行測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，用干布將氧彈內(nèi)外表面和彈蓋擦凈，最好用熱風(fēng)將彈蓋及零件吹干或風(fēng)干。五數(shù)據(jù)處理（用公式法校正溫差）1儀器常數(shù)由苯甲酸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按下式計(jì)算：a) (K=Qv,mmM+qmb/T2-T1+t式中，M為苯甲酸的摩爾質(zhì)量，T1為主期的第一個(gè)溫度（即點(diǎn)火溫度），T2為主期的最后一個(gè)溫度；t為量熱計(jì)熱交換校正值，其余參數(shù)與“實(shí)驗(yàn)原理”部分的式（1）相同。2量熱計(jì)熱交換校正值t，用奔特公式計(jì)算：t=m(v+v1)/2+v1r式中，v 為初期溫度變化率；v1 為末期溫度變化率；m為在主期中每0.5min溫度上升不小于0.3的間隔數(shù)，第一間隔不管溫度升高

10、多少度都計(jì)入m中；r為在主期每半分鐘溫度上升小于0.3的間隔數(shù)。- 3 -3記錄（表2.1）及計(jì)算示例：表2.1 苯甲酸燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)V=(0.066-0.161)/10=-0.0095 v1=(1.804-1.830)/10=-0.0026 t=(-0.0095-0.0026)3/2+(-0.0026)9=0.04155ma=0.8759g qmb=-1525J/g0.0108g=-16.47JK=(-3227510×0.8759/122-16.47)/(1.796-0.393+0.04155)=-16052.38J/4萘的恒容燃燒熱由實(shí)驗(yàn)結(jié)果按下式計(jì)算：表2.2 萘燃燒實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)-

11、4 -v=（0.033-0.099）/10=-0.0066 v1=(2.381-2.408)/10=-0.0027 t=(-0.0066-0.0027)×4/2+(-0.0027)×8=-0.0402燃燒反應(yīng)方程式為：C10H8(s)+12O2(g)10CO2(g)+4H2O(l)MQv,m=K(T2-T1)+t-qmbma=(-16052)-(-1525)0.01100.128.34)(2.372-0.348)+(-0.04028171=-4985.88KJ/molcHm=Qp,m=cUm+nRT=Qv,m-2RT=-4985883-2×8.314×2

12、93.549=4990.76KJ/mol上式中，T(K)為反應(yīng)溫度，可在按下點(diǎn)火按鈕時(shí)記下精密電子溫差測(cè)量?jī)x顯示的溫度讀數(shù)，等于20.399。六注意事項(xiàng)1每次使用鋼瓶時(shí)，應(yīng)在老師指導(dǎo)下進(jìn)行；充氧時(shí)注意操作，手上不可附有油膩物。2坩堝每次使用后，應(yīng)清洗干凈并擦干。3試樣燃燒焓的測(cè)定和儀器常數(shù)的測(cè)定，應(yīng)盡可能在相同條件下進(jìn)行。4未取出溫感器，不得打開量熱計(jì)的蓋子。5點(diǎn)火線安裝時(shí)不能碰到氧彈壁。七思考題1.本實(shí)驗(yàn)如何考慮系統(tǒng)與環(huán)境？答：氧彈內(nèi)部空間為體系，氧彈以外為環(huán)境，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有熱損耗，可增加氧彈壁的厚度來(lái)降低熱損耗。2固體樣品為什么要壓成片狀?如何測(cè)定液體樣品的燃燒熱?答：壓成片狀是為了方便稱量和安裝試驗(yàn)裝置，避免在稱量和裝藥品時(shí)有損失，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而且在點(diǎn)