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物化實驗報告：燃燒熱的測定-苯甲酸-萘
華南師范大學(xué)實驗報告
課程名稱 物理化學(xué)實驗 實驗項目 燃燒熱的測定
【實驗?zāi)康摹?/p>
①明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的區(qū)別。 ②掌握量熱技術(shù)的基本原理，學(xué)會測定奈的燃燒熱。
③了解氧彈卡計主要部件的作用，掌握氧彈量熱計的實驗技術(shù)。 ④學(xué)會雷諾圖解法校正溫度改變值。
【實驗原理】
燃燒熱是指1摩爾物質(zhì)完全燃燒時所放出的熱量。在恒容條件下測得的燃燒熱稱為恒容燃燒熱（Ov），恒容燃燒熱這個過程的內(nèi)能變化（ΔU）。在恒壓條件下測得的燃燒熱稱為恒壓燃燒熱（Qp），恒壓燃燒熱等于這個過程的熱焓變化（ΔH）。若把參加反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成的氣體作為理想氣體處理，則有下列關(guān)系式：
?cHm = Qp＝Qv ＋ΔnRT （1）
本實驗采用氧彈式量熱計測量蔗糖的燃燒熱。測量的基本原理是將一定量待測物質(zhì)樣品在氧彈中完全燃燒，燃燒時放出的熱量使卡計本身及氧彈周圍介質(zhì)（本實驗用水）的溫度升高。
氧彈是一個特制的不銹鋼容器（如圖）為了保證化妝品在若完全燃燒，氧彈中應(yīng)充以高壓氧氣（或者其他氧化劑），還必須使燃燒后放出的熱量盡可能全部傳遞給量熱計本身和其中盛放的水，而幾乎不與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換。
但是，熱量的散失仍然無法完全避免，這可以是同于環(huán)境向量熱計輻射進熱量而使其溫度升高，也可以是由于量熱計向環(huán)境輻射出熱量而使量熱計的溫度降低。因此燃燒前后溫度的變化值不能直接準確測量，而必須經(jīng)過作圖法進行校正。
放出熱(樣品+點火絲)＝吸收熱 (水、氧彈、量熱計、溫度計) 量熱原理—能量守恒定律
在盛有定水的容器中，樣品物質(zhì)的量為n摩爾，放入密閉氧彈充氧，使樣品完全燃燒，放出的熱量傳給水及儀器各部件，引起溫度上升。設(shè)系統(tǒng)（包括內(nèi)水桶，氧彈本身、測溫器件、攪拌器和水）的總熱容為C（通常稱為儀器的水當量，即量熱計及水每升高1K所需吸收的熱量），假設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有熱交換，燃燒前、后的溫度分別為T1、T2，則此樣品的恒容摩爾燃燒熱為:
QV,m??
C(T2?T1)
（2） n
式中，Qvm為樣品的恒容摩爾燃燒熱(J·mol-1)；n為樣品的摩爾數(shù)（mol)；C為儀器的總熱容(J·K-1或J / oC)。上述公式是最理想、最簡單的情況。
圖 1 氧彈量熱計構(gòu)造示意圖圖 2 氧彈構(gòu)造示意圖 1、氧彈 1－厚壁圓筒；2－彈蓋 2、內(nèi)水桶（量熱容器） 3－螺帽； 4－進氣孔 3、電極 4、溫度計 5－排氣孔；6－電極 5、攪拌器 6、恒溫外套 8－電極（也是進氣管）
但是，由于（1）：氧彈量熱計不可能完全絕熱，熱漏在所難免。因此，燃燒前后溫度的變化不能直接用測到的燃燒前后的溫度差來計算，必須經(jīng)過合理的雷諾校正才能得到準確的溫差變化。（2）多數(shù)物質(zhì)不能自燃，如本實驗所用萘，必須借助電流引燃點火絲，再引起萘的燃燒，因此，等式（2）左邊必須把點火絲燃燒所放熱量考慮進去就如等式（3）：
?nQV,m?m點火絲Q點火絲?CΔT （3）
式中：m點火絲為點火絲的質(zhì)量，Q點火絲為點火絲的燃燒熱，為-6694.4 J / g，?T為校正后的溫度升高值。
儀器熱容的求法是用已知燃燒焓的物質(zhì)(如本實驗用苯甲酸)，放在量熱計中燃燒，測其始、末溫度，經(jīng)雷諾校正后，按上式即可求出C。
雷諾校正：消除體系與環(huán)境間存在熱交換造成的對體系溫度變化的影響。
方法：將燃燒前后歷次觀察的貝氏溫度計讀數(shù)對時間作圖，聯(lián)成FHDG線如圖２-1-2。圖中H相當于開始燃燒之點，D點為觀察到最高溫度讀數(shù)點，將H所對應(yīng)的溫度T1，D所對應(yīng)的溫度T2，計算其平均溫度，過Ｔ點作橫坐標的平行線，交FHDG線于一點，過該點作橫坐標的垂線a,然后將FH線和GD線外延交a線于A、C兩點,A點與C點所表示的溫度差即為欲求溫度的升高?T。圖中AA’表示由環(huán)境輻射進來的熱量和攪拌引進的能量而造成卡計溫度的升高，必須扣除之。CC’表示卡計向環(huán)境輻射出熱量和攪拌而造成卡計溫度的降低，因此，需要加上，由此可見，AC兩點的溫度差是客觀地表示了由于樣品燃燒使卡計溫度升高的數(shù)值
有時卡計的絕熱情況良好，熱漏小，而攪拌器功率大，不斷稍微引進熱量，使得燃燒后的最高點不出現(xiàn)，如圖2-1-3，這種情況下?T仍可以按同法校正之。
外槽恒溫式氧彈卡計(一個)；氧氣鋼瓶(一瓶)；壓片機 (2臺)；數(shù)字式貝克曼溫度計(一臺)； 0～100℃溫度計(一支)；萬用電表（一個）；扳手（一把）；
萘（A .R）；苯甲酸（A.R或燃燒熱專用）；鐵絲（10cm長）；
【實驗步驟】
一、量熱計常數(shù)K的測定。
1、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質(zhì)量棉線，稱取潔凈坩堝放置樣片前后質(zhì)量W1和W2 。 2、苯甲酸約1.0g，壓片，中部系一已知質(zhì)量棉線，稱取潔凈坩堝放置樣片前后質(zhì)量W1和W2 。 3、把盛有苯甲酸片的坩堝放于氧彈內(nèi)的坩堝架上，連接好點火絲和助燃棉線。 4、蓋好氧彈，與減壓閥相連，充氣到彈內(nèi)壓力為1.2MPa為止。 6、把氧彈放入量熱容器中，加入3000ml水。 7、插入數(shù)顯貝克曼溫度計的溫度探頭。
8、接好電路，計時開關(guān)指向“1分”，點火開關(guān)到向“振動”，開啟電源。約10min后，若溫度變化均勻，開始讀取溫度。讀數(shù)前5s振動器自動振動，兩次振動間隔1min，每次振動結(jié)束讀數(shù)。
9、在第10min讀數(shù)后按下“點火”開關(guān)，同時將計時開關(guān)倒向“半分”，點火指示燈亮。加大點火電流使點火指示燈熄滅，樣品燃燒。燈滅時讀取溫度。
10、溫度變化率降為0.05°C·min-1后，改為1min計時，在記錄溫度讀數(shù)至少10min，關(guān)閉電源。先取出貝克曼溫度計，再取氧彈，旋松放氣口排除廢氣。
11、稱量剩余點火絲質(zhì)量。清洗氧彈內(nèi)部及坩堝。 二、萘的恒容燃燒熱的測定
1、取萘0.6g壓片，重復(fù)上述步驟進行實驗，記錄燃燒過程中溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)。
【注意事項】
①為避免腐蝕，必須清洗氧彈
②點火成敗是實驗關(guān)鍵。應(yīng)仔細安裝點火絲和坩堝。點火絲不應(yīng)與彈體內(nèi)壁接觸，坩堝支持架不應(yīng)與另一電極接觸。
③每次實驗前均應(yīng)稱量坩堝。
【文獻值】
【實驗數(shù)據(jù)與處理】
[實驗原始數(shù)據(jù)]
第一組測定的數(shù)據(jù)：苯甲酸①
第二組測定的數(shù)據(jù)：苯甲酸②
第三組測定的數(shù)據(jù)：萘①
第四組測定的數(shù)據(jù)：萘②
[實驗數(shù)據(jù)的處理]
①雷諾校正作圖
② 計算卡計的熱容C，并求出兩次實驗所得水當量的平均值。
苯甲酸的燃燒反應(yīng)方程式為：
C7H6O2?s??
根據(jù)基爾霍夫定律：
15?
O2?g??7CO2?g??3H2O?l?, ?cHm??3226.0kJ?mol?12
15
Cp，m（O2,g） 2
∴ΔCp，m ＝7×Cp，m（CO2,g）＋3×Cp，m（H2O,l）－Cp，m（苯甲酸,s）－＝154.6805 J/mol?K
∴ 當室溫為26.0℃ 時苯甲酸的燃燒焓為：
△cHm（26.0℃）＝△cHm（25.0℃）+△Cp×△T
＝-3226.9＋154.6805×(26.0-25.0)×10-3 ＝-3225.84 kJ/mol 則：苯甲酸的恒容摩爾燃燒熱為：
QV ＝ △cUm＝△cHm－ RT∑BVB(g)
＝-3225.84－8.314×299.15×(7－7.5) ×10-3
＝ -3224.6 kJ/mol 又：
nQV＝-C△T -QV點火線·m點火線
∴（Ⅰ）苯甲酸①燃燒的數(shù)據(jù)處理：
QV點火絲·m點火絲＝ -6694.4×10-3×3.7×10-3 ＝-0.02477 kJ
0.4874
?(-3224.6)?(-0.02477)
-nQv,m?Q絲?m絲122.12C? ＝＝15.517 kJ/℃
?T29.931?29.1
?
（Ⅱ）苯甲酸②燃燒的數(shù)據(jù)處理：
QV點火絲·m點火絲＝ -6694.4×10-3×9×10-4 ＝-6.025×10-3 kJ
0.4354
?(-3224.6)?(-0.006025)
-nQv,m?Q絲?m絲C? ＝122.12＝15.866 kJ/℃
?T31.373?30.648
?
（Ⅲ）兩次實驗所得水當量的平均值為：
C=(15.517＋15.866）÷2＝15.692 kJ/℃
③計算萘的恒容摩爾燃燒熱QV，m
根據(jù)公式：
nQV＝-C△T -QV點火線·m點火線
則：（Ⅰ）萘①燃燒的數(shù)據(jù)處理：
QV點火絲·m點火絲＝ -6694.4×10-3×5.4×10-3 ＝-0.03615 kJ QV，m＝（-C△T -QV點火線·m點火線）/n
＝
-15.692??29.695?28.47??0.03615
＝－5217.9 kJ/mol
0.4731128.18
（Ⅱ）萘②燃燒的數(shù)據(jù)處理：
QV點火絲·m點火絲＝ -6694.4×10-3×1.7×10-3 ＝-0.01138 kJ QV，m＝（-C△T -QV點火線·m點火線）/n
＝
-15.692??28.867?27.627??0.01138
＝－5178 kJ/mol
0.4819128.18
（Ⅲ）萘的恒容摩爾燃燒熱平均值為
Qv,m＝(－5217.9－5178) ÷2＝－5197.5 kJ/mol
④求萘的恒壓摩爾燃燒熱Qp，m（即△cHm）
萘燃燒的化學(xué)方程式為：
C10H8?s??12O2?g??10CO2?g??4H2O?l?
根據(jù)基爾霍夫定律：
??
B
B
(g)??2，
∴ΔCp，m ＝10×Cp，m（CO2,g）＋4×Cp，m（H2O,l）－Cp，m（萘,s）－12Cp，m（O2,g） ＝154.304 J/mol?K
∴26.0℃ 時萘的燃燒焓為：
△cHm （26.0℃）＝△cUm ＋ RT∑BVB(g)
＝－5206.63＋8.314×299.15×（－2）×10-3 ＝－5211.604 kJ/mol
⑤由基爾霍夫定律將△cHm （T）換成△cHm （298.15K），并與文獻比較
△cHm（25.0℃）＝△cHm（26.0℃）＋△Cp×△T
＝－5211.604＋154.304×(25.0－26.0) ×10-3 ＝－5211.758 kJ/mol
相對誤差：??
|?5211.758?(?5153.8)|
?100%=1.12%
5153.8
【實驗結(jié)果與討論】
實驗求得萘的燃燒熱QP,實與文獻值QP，標=?5153.85 kJ?mol?的誤差為1.12%（小于3%）。可見本實驗溫度對萘的燃燒焓值影響很小，實驗結(jié)果較為準確。產(chǎn)生誤差的原因除了儀器誤差之外，主要還有以下幾個方面：
①使用雷諾圖解法時，要做切線，切線分別表示正常溫度上升和量熱系統(tǒng)溫度降低，切線擬合的結(jié)果對ΔT的影響很大，此次實驗結(jié)果很大程度上取決于這一步數(shù)據(jù)處理。
②在實驗進行過程中，夾套水溫也不可能恒定，這會對ΔT的求算造成影響。但是夾套中水很多，且為了調(diào)零水溫只比夾套水溫1K左右，所以此誤差可以忽略，這也是步驟中調(diào)整水溫的原因。
③萘為易揮發(fā)性物質(zhì)，壓片稱量后應(yīng)該迅速放入氧彈中，以免因揮發(fā)而損失過多的質(zhì)量，給實驗帶來誤差，使實驗結(jié)果偏大。
④氧彈內(nèi)可能存在少量空氣，空氣中N2的氧化會產(chǎn)生熱效應(yīng)。
1
⑤若試樣未完全燃燒，造成的影響很大，若有明顯的黑色殘渣，實驗應(yīng)重做。
⑥量取3000mL水使用的2000mL量筒的稱量誤差很大。
⑦水溫改變帶來的誤差：由于此次實驗是測量的內(nèi)桶的水溫，且總的波動不超過3℃，所以水溫的改變會對實驗結(jié)果造成較大影響。
熱量交換很難測量，溫度或溫度變化卻很容易測量。本實驗中采用標準物質(zhì)標定法，根據(jù)能量守恒原理，標準物質(zhì)苯甲酸燃燒放出的熱量全部被氧彈及周圍的介質(zhì)等吸收，使得測量體系的溫度變化，標定出氧彈卡計的熱容。再進行奈的燃燒熱測量和計算。
測量體系與環(huán)境之間有熱量的交換，因為理想的絕熱條件是不可能達到的。同時影響熱量的交換量大小的因素也比較多，①與體系、環(huán)境的材質(zhì)有關(guān)；②與體系、環(huán)境的接觸界面積大小有關(guān)；③與體系、環(huán)境的溫差有關(guān)，所以要定量準確地測量出體系與環(huán)境交換的熱量是比較困難的。如果有凈的熱量交換的話，將會增大實驗的測量誤差。
在本實驗中采用的是恒容方法先測量恒容燃燒熱，然后再換算得到恒壓燃燒熱。原因為：①如果是使用恒壓燃燒方法，就需要有一個無摩擦的活塞，這是機械摩擦的理想境界，是做不到的；②做燃燒熱實驗需要盡可能達到完全燃燒，恒壓燃燒方法難于使另一反應(yīng)物——“氧氣”的壓力（或濃度）達到高壓，會造成燃燒不完全，帶來實驗測定的實驗誤差。
【實驗評注與拓展】
（1）實驗關(guān)鍵：點火成功、試樣完全燃燒是實驗成敗關(guān)鍵，可以考慮以下幾項技術(shù)措施：
①試樣應(yīng)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。
壓片緊實度：一般硬到表面有較細密的光潔度，棱角無粗粒，使能燃燒又不至于引起爆炸性燃燒殘剩黑糊等狀。
②點火絲與電極接觸電阻要盡可能小，注意電極松動和鐵絲碰杯短路問題。
③充足氧(2MPa)并保證氧彈不漏氧，保證充分燃燒。燃燒不完全，還時常形
成灰白相間如散棉絮狀。
④注意點火前才將二電極插上氧彈再按點火鈕，否則因儀器未設(shè)互鎖功能，極易發(fā)生（按攪拌鈕或置0時）誤點火，樣品先已燃燒的事故。
(2) 氧彈內(nèi)預(yù)滴幾滴水，使氧彈為水汽飽和，燃燒后氣態(tài)水易凝結(jié)為液態(tài)水。
試樣在氧彈中燃燒產(chǎn)生的壓力可達14MPa，長期使用，可能引起彈壁的腐蝕，減少其強度。故氧彈應(yīng)定期進行20MPa水壓檢查，每年一次。
氧彈、量熱容器、攪拌器等，在使用完畢后，應(yīng)用干布擦去水跡，保持表面清潔干燥。恒溫外套（即外筒）內(nèi)的水，應(yīng)采用軟水。長期不使用時應(yīng)將水倒掉。
氧彈以及氧氣通過的各個部件，各聯(lián)接部分不允許有油污，更不允許使用潤滑油，在必須潤滑時，可用少量的甘油。
(3)儀器應(yīng)置放在不受陽光直射的單獨一間試驗室內(nèi)進行工作。室內(nèi)溫度和濕度應(yīng)盡可能變化小。最適宜的溫度是20?5℃。每次測定時室溫變化不得大于1℃。因此。室內(nèi)禁止使用各種熱源，如電爐、火爐、暖氣等。
(4) 如用貝克曼溫度計，其調(diào)節(jié)可以歸納為倒立連接、設(shè)定溫度、正立震斷和校驗四步，注意別讓水銀過多地流向彎曲貯管，導(dǎo)致因水銀重而在正立時，玻管擴張?zhí)帓觳蛔�。也絕不允許放在電爐上烤等驟冷驟熱情況出現(xiàn)。在精密的測量中，應(yīng)進行貝克曼溫度計的校正。改進后的本實驗普遍采用熱敏電阻溫度計、鉑電阻溫度計或者熱電堆等，相應(yīng)配以電橋、指示mV值，實際已轉(zhuǎn)換為溫度 (數(shù)顯溫度計) 的儀器，能自動記錄溫度，精密度可達10?4~10?5K。國產(chǎn)型號為半自動HR—15A(B)數(shù)顯微機型或WHR—15全自動微機型氧彈式熱量計。進入了全面啟用電腦處理數(shù)據(jù)的新時代。
(5)苯甲酸和萘燃燒產(chǎn)物的熱容差別因為產(chǎn)物量小而儀器熱容的基數(shù)相對較大而可以忽略。
(6)量熱方法和儀器多種多樣，可參物化實驗報告：燃燒熱的測定_苯甲酸_萘閱復(fù)旦大學(xué)物理化學(xué)實驗教材。量熱法廣泛用來測量各種反應(yīng)熱如相變熱等。本實驗裝置除可用作測定各種有機物質(zhì)、燃料、谷物等固體、液體物質(zhì)的燃燒熱外，還可以研究物質(zhì)在充入其它氣體時反應(yīng)熱效應(yīng)的變化情況。
【提問與思考】
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