恒溫氧彈量熱計對萘的燃燒熱測定實驗報告

恒溫氧彈量熱計對萘的燃燒熱測定PB09206XXX化學物理系摘要：實驗用氧彈量熱計測定萘的恒容燃燒熱，并計算萘的恒壓燃燒熱。先用苯甲酸標定量熱計的熱容，通過雷諾校正圖的方法校正過程的溫度變化，以獲得同絕熱系統(tǒng)相近的測量效果，然后用相同的方法進行萘的燃燒測定。得出萘的燃燒熱的值。Abstract：Inthisexperiment,wemeasuredthecombustionheatofAlbocarbonataconstantvolumebyusingOxygen-bombcalorimeterandthencalculatedthecombustionheatataconstantpressure.WeusetheBenzoicacidthestandardsubstanceattheprocessoftheexperiencefirstly,thenwecancalculatedtheheatcapacityofthewholeinstrument.ThroughthesameprocessofRenaultcorrectfigurewecanmeasurethetemperaturevariancetosimulateaperfectinsulator-systemintheactualsystem.Afterthat,wegotthealbocarbon’scombustionheatataconstantvolume.關鍵詞：氧彈量熱計，雷諾校正法，苯甲酸標定，萘，燃燒熱實驗局部：實驗前言與原理：燃燒熱的定義是：一摩爾的物質完全燃燒時所放出的熱量。所謂完全燃燒，即組成反響物的各元素,在經過燃燒反響后，必須呈顯本元素的最高化合價。如C經燃燒反響后，變成CO,不能認為是完全燃燒。只有在變成CO2時,方可認為是完全燃燒。同時還必須指出，反響物和生成物在指定的溫度下都屬于標準態(tài)。如苯甲酸在時的燃燒反響過程為：C6H5COOH(固)+O2(氣)=7CO2(氣)+3H2O(液)由熱力學第一定律，恒容過程的熱效應QV，即U。恒壓過程的熱效應QP，即H。它們之間的相互關系如下：QP=QV+n(RT)4……(1)或H=U+n(RT)4……(2)其中n為反前后氣態(tài)物質的物質的量之差。R為氣體常數(shù)。T為反響的絕對溫度。本實驗通過測定萘完全燃燒時的恒容燃燒熱，然后再計算出萘的恒壓燃燒H。在計算萘的恒壓燃燒熱時，應注意其數(shù)值的大小與實驗的溫度有關，其關系式為：4……(3)式中的rCP是反響前后的恒壓熱容之差,它是溫度的函數(shù)。一般說來，反響的熱效應隨溫度的變化不是很大，在較小的溫度范圍內,我們可以認為它是一常數(shù)。熱是一個很難測定的物理量，熱量的傳遞往往表現(xiàn)為溫度的改變。而溫度卻很容易測量。如果有一種儀器，它每升高一度所需的熱量，那么，我們就可在這種儀器中進行燃燒反響，只要觀察到所升高的溫度就可知燃燒放出的熱量。根據這一熱量我們便可求出物質的燃燒熱。在實驗中我們所用的恒溫氧彈量熱計(恒溫氧彈卡計)就是這樣一種儀器。為了測得恒容燃燒熱，我們將反響置于一個恒容的氧彈中，為了燃燒完全，在氧彈內充入20個左右大氣壓的純氧。這一裝置的構造將在下面做詳細介紹。為了確定量熱卡計每升高一度所需要的熱量，也就是量熱計的熱容，可用通電加熱法或標準物質法。本實驗用標準物質法來測量量熱卡計的熱容即確定儀器的水當量。這里所說的標準物質為苯甲酸，其恒容燃燒時放出的熱量為26460J·g-1。實驗中將苯甲酸壓片準確稱量并扣除Cu-Ni合金絲的質量后與該數(shù)值的乘積即為所用苯甲酸完全燃燒放出的熱量。Cu-Ni合金絲燃燒時放出的熱量及實驗所用O2氣中帶有的N2氣燃燒生成氮氧化物溶于水，所放出的熱量的總和一并傳給卡計使其溫度升高。根據能量守恒原理，物質燃燒放出的熱量全部被氧彈及周圍的介質(本實驗為3000毫升水)等所吸收，得到溫度的變化為T，所以氧彈卡計的熱容為：C卡4……(4)式中：m為苯甲酸的質量(準確到110-5克)l為燃燒掉的Cu-Ni合金絲的長度(cm)為每厘米Cu-Ni合金絲燃燒放出的熱量單位〔J·cm-1〕V為滴定燃燒后氧彈內的洗滌液所用的·dm-3的NaOH溶液的體積為消耗1mL0.1mol·dm-3的NaOH所相當?shù)臒崃?單位為J)。由于此項結果對QV的影響甚微，所以常省去不做。確定了儀器(含3000mL水)熱容，我們便可根據公式4-(4)求出欲測物質的恒容燃燒熱QV，即：QV(待測)=(C卡Tl)/m(待測物質的質量)×M4……(5)

然后根據公式4-(1)求得該物質的恒壓燃燒熱QP，即H。實驗處理方法用雷諾作圖法校正T：盡管在儀器上進行了各種改良，但在實驗過程中仍不可防止環(huán)境與體系間的熱量傳遞。這種傳遞使得我們不能準確地由溫差測定儀上讀出由于燃燒反響所引起的溫升ΔT。而用雷諾作圖法進行溫度校正，能較好地解決這一問題。將燃燒前后所觀察到的水溫對時間作圖，可聯(lián)成FHIDG折線，如圖4-1和圖4-2所示。圖4－1中H相當于開始燃燒之點。D為觀察到的最高溫度。在溫度為室溫處作平行于時間軸的JI線。它交折線FHIDG于I點。過I點作垂直于時間軸的ab線。然后將FH線外延交ab線于A點。將GD線外延,交ab線于C點。那么AC兩點間的距離即為T。圖中AA′為開始燃燒到溫度升至室溫這一段時間t1內，由環(huán)境輻射進來以及攪拌所引進的能量而造成量熱計的溫度升高。它應予以扣除之。CC′為溫度由室溫升高到最高點D這一段時間t2內，量熱計向環(huán)境輻射而造本錢身溫度的降低。它應予以補償之。因此AC可較客觀的反響出由于燃燒反響所引起量熱計的溫升。在某些情況下，量熱計的絕熱性能良好，熱漏很小，而攪拌器的功率較大，不斷引進能量使得曲線不出現(xiàn)極高溫度點，如圖4-2，校正方法相似。

圖4-1絕熱較差時的雷諾校正圖圖4-2絕熱良好時的雷諾校正圖必須注意，應用這種作圖法進行校正時，卡計的溫度與外界環(huán)境的溫度不宜相差太大(最好不超過2-3℃)，否那么會引入大的誤差。儀器與試劑：氧彈量熱計1套，壓片機1臺，溫差測定儀1臺，調壓變壓器2個，撥動開關1只，氧氣鋼瓶(需大于80Kg壓力)氧氣減壓器1個，萬用表1個充氧導管1個，Cu-Ni合金絲假設干扳手1把，容量瓶(1000mL1只，2000mL1只)、苯甲酸(分析純)萘(分析純)實驗步驟：2、量熱計水當量的測定(求C卡)(1)樣品壓片：壓片前先檢查壓片用鋼模是否干凈，否那么應進行清洗并使其枯燥，用臺秤稱苯甲酸，并用直尺準確量取長度為20cm左右的細Cu-Ni合金絲一根，準確稱量并把其雙折后在中間位置打環(huán)，置于壓片機的底板壓模上，裝入壓片機內，倒入預先粗稱的苯甲酸樣品，使樣品粉末將合金絲環(huán)浸埋，用壓片機螺桿徐徐旋緊，稍用力使樣品壓牢(注意用力均勻適中，壓力太大易使合金絲壓斷，壓力太小樣品疏松，不易燃燒完全)，抽去模底的托板后，繼續(xù)向下壓，用干凈濾紙接住樣品，彈去周圍的粉末，將樣品置于稱量瓶中，在分析天平上用減量法準確稱量后供燃燒使用。裝置氧彈：擰開氧彈蓋，將氧彈內壁擦干凈，特別是電極下端的不銹鋼接線柱更應擦干凈。在氧彈中加1毫升蒸餾水。將樣品片上的合金絲小心地綁牢于氧彈中兩根電極8與10上(見圖4-4氧彈剖面圖)。旋緊氧彈蓋，用萬用電表檢查兩電極是否通路。假設通路，那么旋緊出氣口5后即可充氧氣。按圖4-5所示，連接氧氣鋼瓶和氧氣表，并圖4-5氧彈充氣示意圖將氧氣表頭的導管與氧彈的進氣管接通，此時減壓閥門2應逆時針旋松(即關緊)，翻開氧氣鋼瓶上端氧氣出口閥門1〔總閥〕觀察表一的指示是否符合要求〔至少在4MPa〕，然后緩緩旋緊減壓閥門2(即漸漸翻開)，使表2指針指在表壓2MPa，氧氣充入氧彈中。1-2min后旋松(即關閉)減壓閥門2，關閉閥門1，再松開導氣管，氧彈已充入約2MPa的氧氣，可供燃燒之用。但是閥門2至閥門1之間尚有余氣，因此要旋緊減壓閥門2以放掉余氣，再旋松閥門2，使鋼瓶和氧氣表頭復原。(氧氣減壓器的使用見附錄,必須認真學習)3、燃燒和測量溫差：按圖將氧彈卡計及內筒，攪拌器裝配好。用1/10的水銀溫度計準確測量量熱計恒溫水套A〔外套〕的實際溫度。翻開溫差測定儀，讓其預熱，并將測溫探頭插入外套測溫口中。在水盆中放入自來水〔約4000mL〕，用1/10的水銀溫度計測量水盆里的自來水溫度，用加冰或加熱水的方法調節(jié)水溫低于外套溫度－℃。把充好氧氣的氧彈放入已事先擦洗干凈的內筒C中。用容量瓶準確量取3000ml已調好溫度的水，置于內筒C中。檢查點火開關是否置于“關”的位置，插上點火電極，蓋上絕熱膠木板。開啟攪拌馬達，調節(jié)溫差測定儀設定旋紐，使溫差測定儀上指示為，此時對應的實際溫度為外套溫度。迅速把測溫探頭置于內筒C上端的測溫口中，觀察溫差測定儀的讀數(shù)，一般應在之間〔太低或太高都要重新調節(jié)水溫，以保證外套水溫在燃燒升溫曲線的中間位置〕。報時器每半分鐘響一次，響時即記錄溫差測定儀上溫度的讀數(shù)，至少讀5-10min。插好點火電源，將點火開關置于“開”的位置并立即撥回“關”的位置。在幾十秒內溫差測定儀的讀數(shù)驟然升高，繼續(xù)讀取讀數(shù)，直至讀數(shù)平穩(wěn)〔約25個數(shù)，每半分鐘一次。如果在1-2分鐘內，溫差測定儀的讀數(shù)沒有太大的變化，表示樣品沒有燃燒，這時應仔細檢查，請教老師后再進行處理〕。停止記錄，拔掉點火電源。取出氧彈，翻開放氣閥，排出廢氣，旋開氧彈蓋，觀察燃燒是否完全，如有黑色殘渣，那么證明燃燒不完全,實驗需重新進行。如燃燒完全，量取剩余的鐵絲長度，根據公式4-(4)計算C卡的值。如需精確測量，還需在裝置氧彈時加1mL蒸餾水于氧彈內，燃燒后將彈體用蒸餾水清洗，用0.1mol·dm-3NaOH滴定之。4、萘恒容燃燒熱的測定：稱取克的萘，按上述操作步驟，壓片、稱重、燃燒等實驗操作重復一次。測量萘的恒容燃燒熱QV，并根據公式4-(1)計算QP，即為H，并與手冊作比擬,計算實驗的相對誤差。七、實驗考前須知：壓片時應將Cu-Ni合金絲壓入片內。氧彈充完氧后一定要檢查確信其不漏氣，并用萬用表檢查兩極間是否通路。將氧彈放入量熱儀前，一定要先檢查點火控制鍵是否位于“關”的位置。點火結束后，應立即將其關上。氧彈充氧的操作過程中，人應站在側面，以免意外情況下彈蓋或閥門向上沖出，發(fā)生危險。3.1實驗結果氧彈卡計的熱容為：14377.2J/g萘的恒容摩爾燃燒熱=-；萘的恒壓摩爾燃燒熱=-J/mol。3.2結果分析1〕與文獻值比對查找相關文獻得知萘的恒壓燃燒熱為-。絕對誤差：=-56kJ/mol相對誤差：56/5153.9=1.09%2〕誤差分析本實驗實際為非絕熱體系，我們只是盡量讓熱散失與熱吸收的量相等。但實際操作中，由于燃燒物質量因素，造成了燃燒升溫缺乏或略高，使得體系有了一定的凈吸熱或放熱。最終燃燒后的體系溫度比理想絕熱條件下的溫度高或低，從而影響了最后的結果。盡管雷諾圖進行了溫差的修正，但仍然無法完全使測量情況與絕熱環(huán)境一致，且繪圖本身也存在著誤差。燃燒升溫測量過程中，難免測量的3000ml水與體系外有熱交換，導致了溫度測量的不準確。在調節(jié)3000ml水溫度時，需要大量使用移液管，導致水有濺出，壓片稱量后在安裝固定過程中難免有少量顆粒脫落，這些因素都會對結果產生影響。實驗感想與心得體會首先就調節(jié)水溫而言，1.一開始低于絕對溫度1度左右將水轉移進入桶中，實際發(fā)現(xiàn)這樣操作并不是十分理想。由于實驗開始的溫度是-0.8度點火溫度為-0.75左右。2.由于參加水之前可能由于水未攪拌均勻，在翻開攪拌器后水溫往往會有正負0.5度左右的波動。于是就需要通過移液管來調節(jié)溫度。這一步驟是實驗中最浪費時間的，而且屢次的移液往往會帶來誤差。因此我在實驗中發(fā)現(xiàn)最好多配些滿足條件的水〔即溫度為-1度左右的水先將容量瓶和氧彈裝置的水槽洗下，減少溫度差，再移液，從而減少調溫的時間另一方面點火問題上一定要在實驗前測量回路保證通路，否那么會點火失敗。我在第二