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1、燃烧热的测定华南师范大学实验报告 燃烧热的测定 一、实验目的 明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧烧热的差别与联系。 测定萘的燃烧热，掌握量热技术基本原理。 了解氧弹卡计的基本原理，掌握氧弹卡计的基本实验技术。 使用雷诺校正法对温度进行校正。 二、实验原理 2.1基本概念 1mol物质在标准压力下完全燃烧所放出的热量，即为物质的标准摩尔燃烧焓，用表示。若在恒容条件下，所测得的1mol物质的燃烧热则称为恒容摩尔燃烧热，用QV，m表示，此时该数值亦等于这个燃烧反应过程的热力学能变 rUm。同理，在恒压条件下可得到恒压燃烧热，用Qp，m表示，此时该数值亦等于这个燃烧反应过程的摩尔焓变rHm。化
2、学反应的热效应通常用恒压热效应rHm来表示。假若1mol物质在标准压力下参加燃烧反应，恒压热效应。 即为该有机物的标准摩尔燃烧热把燃烧反应中涉及的气体看做是理想气体，遵循以下关系式： Qp，m=QV，m+RT 2.2氧弹量热计 本实验采用外槽恒温式量热计，为高度抛光刚性容器，耐高压，密封性好。量热计的内筒，包括其内部的水、氧弹及其搅拌棒等近似构成一个绝热体系。为了尽可能将热量全部传递给体系，而不与内筒以外的部分发生热交换，量热计在设计上采取了一系列措施。为了减少热传导，在量热计外面设置一个套壳。内筒与外筒空气层绝热，并且设置了挡板以减少空气对流。量热计壁高度抛光，以减少热辐射。为了保证样品在氧
3、弹内燃烧完全，必须往氧弹中充入高压氧气，这就要求要把粉末状样品压成片状，以免充气时或燃烧时冲散样品。 2.3量热反应测量的基本原理 量热反应测量的基本原理是能量守恒定律。通过数字式贝克曼温度计测量出燃烧反应前后的温度该表T，若已知量热计的热容C，则总共产生的热量即为QV=CT。那么，此样品的摩尔恒容燃烧热为 式是最理想的情况。但由能量守恒原理可知，此热量QV的来源包括样品1 燃烧放热和点火丝放热两部分。即 -nQV，m-m点火丝Q点火丝=CT 仪器热容C的求法是通过已知燃烧焓的物质，例如本实验使用的苯甲酸，放在量热计中进行燃烧反应，测其始末温度，代入式，即可求取C的值。 2.4雷诺校正 由于氧
4、弹量热计不可能完全绝热，其与周围环境的热交换是无法完全避免的，因此燃烧前后温度的变化不能直接用测定到的燃烧前后的温度差来计算，必须经过雷诺校正才能得到准确的温度变化。 三、实验仪器与试剂 3.1实验仪器 外槽恒温式氧弹卡计 1个 氧气钢瓶 1瓶 压片机 2台 数字式贝克曼温度计 1台 0100温度计 1支 万用电表 1个 3.2实验试剂 萘 苯甲酸 点火丝 四、实验步骤 4.1测定氧弹卡计和水的总热容C 4.1.1样品压片 先称取8g左右的苯甲酸试剂，准确称量点火丝的质量，记为m点火丝。然后将点火丝与苯甲酸一同压片，注意在压片前要先将压片模具擦拭干净，使点火丝能够粘附在样品的样片上。 4.1.
5、2装置氧弹、充氧气 将苯甲酸压片的点火丝的两端系在氧弹的两根电极上，旋紧氧弹盖，用万用电表检查电极是否通路。若电阻过大，则应检查点火丝是否系好，点火丝是否已经断裂。若电阻值合适，则可进行下一步。 连接好氧气瓶和氧气减压阀，并用高压管将减压表与氧弹进气管相连接，往氧弹中充入约10MPa的氧气。为了排除氧弹内的空气，应反复充气放气3次。最后氧弹内保留有约10MPa的氧气。再用万用表测量电极是否仍然通路。 4.1.3燃烧温度的测量 往卡计中装入3000mL水，再将氧弹放入卡计的水中，连接好打火装置。盖上卡计盖子后，先用水银温度计测量水温，再将数字式贝克曼温度计探头插入水中。启动搅拌装置，待读数稳定后
6、，每30s读取贝克曼温度计数据。由此记录10个数据即为燃烧的前期温度。 记录完10个数据之后迅速按下点火按钮。判断点火成功有两个标准：一是点火器电流表指针因通电发生偏转，接着又因点火丝燃段而迅速归零。二是温度会在1min内迅速上升。否则应检查点火失败的原因。点火之后仍然是每30s读2 取一个温度数据，直到温度基本维持不变。此阶段记录的数据为燃烧期间的温度。 温度稳定并开始下降后仍需要记录5min，即读取10个数据作为后期温度。 实验结束后，取出数字式贝克曼温度计探头，解开点火导线。氧弹经放气后打开，检查样品是否完全燃烧。若氧弹内有许多黑色的残渣，则表示样品燃烧不完全，实验失败。假若燃烧完全，要
7、从氧弹取出未燃烧的点火丝，称重。 4.2萘燃烧热的测定 称取0.5g左右的萘样品，重复4.1的步骤。最后倒去自来水，擦干卡计水桶待下次实验使用。 五、数据处理 5.1计算卡计热容C 根据所记录的温度，绘制出苯甲酸燃烧时温度随时间的变化曲线图。当中的温度为体系与环境的温度差值，由贝克曼温度计测出。使用温差，经雷诺校正后得出的与使用实际温度校正后所得的值相同。 图1.苯甲酸燃烧时温度随时间的变化曲线图 如上图所示，经雷诺校正后，燃烧反应发生前后的温差为T=1.240。 表1.相关数据记录 燃烧反应参与燃烧参与燃烧水初始苯甲酸 点火丝 压片后 后点火丝的苯甲酸的点火丝温度/ 质量/g 质量/g 质量
8、/g 质量/g m苯甲酸/g m点火丝/g 23.9 0.8082 0.0113 0.8128 0.0078 0.0805 0.0035 表2.相关参数说明 Qv，苯甲酸/(Jg-1) Q点火丝/(Jg-1) 雷诺校正后温差T/ -26460 -6694.4 1.240 将以上数据代入式-m苯甲酸QV，苯甲酸 -m点火丝Q点火丝=CT， 3 即 -0.8015g-0.0035g=C1.240 求得氧弹卡计和水的总热容为C=17121.87J/ 5.2计算萘的恒容摩尔燃烧热QV，m。 根据所记录的温度，绘制出萘燃烧时温度随时间的变化曲线图。图2. 萘燃烧时温度随时间的变化曲线图 如上图所示，经雷
9、诺校正后，萘发生燃烧反应前后的温差为T=1.220 表2.相关数据记录 水的初燃烧反应参与燃烧参与燃烧萘 点火丝 压片后 始温度后点火丝的萘质量的点火丝质量/g 质量/g 质量/g / 质量/g m萘/g m点火丝/g 21.6 0.5040 0.0106 0.4889 0.0062 0.4783 0.0044 表3.相关参数说明 萘的相对分子质点火丝的燃烧热 氧弹卡计和水的雷诺校正后温差量M萘/(gmol-1) Q点火丝/(Jg-1) 总热容C/(J/) T/ 128.17 -6694.4 17121.87 1.220 将以上数据代入式-nQV，m-m点火丝Q点火丝=CT， 即 (0.478
10、3g/128.17(gmol-1)QV，m-0.0044g=17121.87 J/1.220 求得萘的恒容摩尔燃烧热QV，m=-5592.285KJmol-1 5.3计算萘的恒压摩尔燃烧热Qp，m 萘的燃烧反应方程式为C10H8(s)+12O2(g)10CO2(g)+4H2O(l) 反应前后气体物质的变化量n=-2 4 则萘的恒压摩尔燃烧热Qp，m=Qv，m+nRT，已知该反应是在21.6条件下进行的，代入数据，可得 Qp,m=-5592.285KJmol-1-28.3145Pam3mol-1K-1294.75K=-5597.19KJmol-1 即可得5.4计算298.15K时的Cp，m/(J
11、mol-1K-1) 142.2 由基尔霍夫定律 表4.相关参数说明 Cp，mCp，m-1-1/(JmolK) /(Jmol-1K-1) 29.36 75.30 Cp，m/(Jmol-1K-1) 37.13 代入数据，求得298.15K时，萘的燃烧热为 5.5误差分析 本实验测得298.15K时，萘的燃烧热为与查得的文献值，相比，相对误差为8.59%。 使用氧弹卡计测量燃烧热的实验，是先通过测定卡计的热容C，再根据能量守恒定律去求得萘的燃烧热。这在原理上是绝对正确的，但是我们的实验环境毕竟不是理想状态，由此将会产生种种误差。虽然氧弹卡计采取了多种措施来保证热量能够在最大程度上传给体系，而尽量不与
12、环境进行热交换，但是热漏还是无法避免。我们通过雷诺校正后，可以得到校正后的温度差，一定程度上降低了误差。由于技术限制，我们只能通过手工绘图的方法来求得校正值，对于同一组数据，由不同的人来校正，可能会得到不同的校正值。最好的办法应该是使用数据处理软件，求得较为精准的校正值。 在时间允许的情况下，应该做多次测定求平均值，可以在最大的程度上减少误差。假若得到多组结果相近的数据，甚至能进一步说明实验结果的准确性和增加说服力。 六、讨论与思考 6.1点火失败的原因 在实验过程中，连续四次遇到了点火失败情况，直到第五次测定才点火成功。从氧弹中取出压片，经观察发现，均是点火丝燃断变黑，导致样品燃烧失败。这5
13、 可能是点火丝受到扭折或断裂，或药片脱离点火丝调入燃烧皿底部，或点火丝上部分相连形成短路。这都跟我们的压片操作有很大的关系。样品的量必须合适，压片松紧适合，不能压坏点火丝。 除了人为操作的因素外，影响点火的因素主要是点火电流和点火电极间点火丝电阻的大小。点火电流过低，电极间点火丝的电阻过大，则点火时间过长甚至不着火，给测定带来误差。点火电流过高，电极间点火丝电阻过小，容易造成点火丝瞬间被燃断而压片不着火。 6.2实验的改进 采用氧弹卡计进行燃烧热的测定，原理是将一定量的待测物质放在氧弹中通过点火丝引燃并完全燃烧。样品在燃烧过程中会放出大量热量，使氧弹外面的水温度升高。通过测定反应前后水的温度边
14、或，根据能量守恒定律，即可求得待测样品的燃烧热。但是该发宁存在着成功率低，实验时间长的缺点。查找相关文献，可以通过改变压片模式来克服点火方式不理想的缺陷，采用单双股燃烧挂片法代替单股绕线挂片法，使用铂金电阻温度传感器代替贝克曼温度计，改变点火丝的悬挂方式等来优化燃烧热的测定实验。 除上述的优化手段外，还可以控制点火电流强度，选择与点火丝相适应的点火强度，一方面，消除了电流强度过小时，点火丝不能在短时间内燃烧而引起的点火器短路现象。另一方面，克服了当点火电流强度过大时，点火丝迅速烧断，样品来不及引燃的问题。第二是改变点火方式，用助燃式点火代替传统的直燃式点火。本实验中是将点火丝压制在压片中点火，但这种样品填充方式常会造成点火失败。第三，可以增加样品的使用量，是的压片燃烧放出的热量远远大于点火丝燃烧时所放出的热量，可以在很大程度上提到实验的精确度。 七、参考文献 1何广平，南俊民等.物理化学实验M.北京:化学工业出版社，2008,134-139. 2李恩博. 燃烧热测定实验的改进J. 河北北方学院学报，2009,25：32-35. 3王新红，戴兢陶等. 燃烧热测定实验的改进措施J. 实验室研究与探索，2012,31：236-237,261. 4王多才，左相文. 固体物质燃烧热测定中影响点火因素的研究J. 四窜师范学院学报，1995,16：383-386 6
