燃燒熱的測定

燃燒熱的測定

【目的要求】

掌握有關(guān)熱化學(xué)實驗的一般知識和技術(shù) ? 掌握氧彈的構(gòu)造及使用方法 ? 用氧彈式量熱計測定萘的燃燒焓

?

預(yù)習(xí)要求：

1.明確燃燒焓的定義。

2.了解氧彈式量熱計的基本原理和使用方法。 3.熟悉熱敏電阻溫度計的調(diào)節(jié)和使用。 4.了解氧氣鋼瓶和減壓閥的使用方法。

【基本原理】

當(dāng)產(chǎn)物的溫度與反應(yīng)物的溫度相同，在反應(yīng)過程中只做體積功而不做其它功時，化學(xué)反應(yīng)吸收或放出的熱量，稱為此過程的熱效應(yīng)，通常亦稱為“反應(yīng)熱”。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ΔcHm。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ΔH=Qp，因此ΔCHm也就是該物質(zhì)燃燒反應(yīng)的等壓熱效應(yīng)Qp。 在實際測量中，燃燒反應(yīng)常在恒容條件下進(jìn)行(如在彈式量熱計中進(jìn)行)，這樣直接測得的是反應(yīng)的恒容熱效應(yīng)Qv（即燃燒反應(yīng)的摩爾燃燒內(nèi)能變ΔcUm）。若反應(yīng)系統(tǒng)中的氣體物質(zhì)均可視為理想氣體，根據(jù)熱力學(xué)推導(dǎo)，ΔcHm和ΔcUm的關(guān)系為

:

（１）

式中，T為反應(yīng)溫度(K);ΔcHm為摩爾燃燒焓(J·mol-1);ΔcUm為摩爾燃燒內(nèi)能變(J·mol-1)；ＶB(g)為燃燒反應(yīng)方程中各氣體物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)。產(chǎn)物取正值，反應(yīng)物取負(fù)值。

通過實驗測得QV值，根據(jù)上式就可計算出Qp，即燃燒焓的值ΔCHm。 測量熱效應(yīng)的儀器稱作量熱計，量熱計的種類很多，本實驗是用氧彈式量熱計進(jìn)行萘的燃燒焓的測定。

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)確測定它們的燃燒熱創(chuàng)造了有利條件。

為了使被測物質(zhì)能迅速而完全地燃燒，就需要有強(qiáng)有力的氧化劑。在實驗中經(jīng)常使用壓力為16--18atm的氧氣作為氧化劑。用氧彈量熱計進(jìn)行實驗時，氧彈放置在裝有一定量水的銅水桶中，水桶外是空氣隔熱層，再外面是溫度恒定的水夾套。樣品在體積固定的氧彈中燃燒放出的熱Qv、引火絲燃燒放出的熱和由氧氣中微量的氮氣氧化成硝酸的生成熱，大部分被水桶中的水吸收；另一部分則被

氧彈,水桶、攪拌器及溫度計等所吸收。在量熱計與環(huán)境沒有熱交換的情況下，可以寫出如下的熱量平衡公式：

- Qv.m - q.b + 5.98c = W.h.Δt + C總. Δt （1）

式中：Qv：被測物質(zhì)的定容燃燒熱 （J .g-1 ）； m：被測物質(zhì)的質(zhì)量（g）；q：引火絲的燃燒熱（J .g-1 ）；b:燒掉了的引火絲質(zhì)量（g）；5.98 :硝酸生成熱為-59800 J .mol-1 ，當(dāng)用0.100N NaOH來滴定生成的硝酸時，每毫升堿相當(dāng)于-5.98 J ；c 滴定生成的硝酸時，耗用0.100NNaOH毫升數(shù)；W:水桶中的水的質(zhì)量（g）；h :水的比熱（J .g-1.℃-1）；C總 氧彈、水桶等的總熱容( J.℃-1 ); Δt為與環(huán)境無熱交換時的真實溫差。

如在實驗時保持水桶中水量一定，把（1）式右端常數(shù)合并得到下式：

- Qv.m - q.b + 5.98c = k Δt (2)

式中：k = ( W.h + C總 ) J.℃-1，稱為量熱計熱容（熱量計的水當(dāng)量）。 實際上，氧彈式熱量計不是嚴(yán)格的絕熱系統(tǒng)，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間，在這段時間里系統(tǒng)與環(huán)境難免發(fā)生熱交換，因而從溫度計上讀得的溫差就不是真實的溫差 。為此，必須對讀得的溫差進(jìn)行校正。

從（2）式可知，要測得樣品的Qv 必須知道儀器的水當(dāng)量K。測量的方法是以一定量的已知燃燒熱的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（常用苯甲酸，其燃燒熱以標(biāo)準(zhǔn)試劑瓶上所標(biāo)明的數(shù)值為準(zhǔn)）在相同的條件下進(jìn)行實驗，由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定儀器的水當(dāng)量K，再測定樣品的Qv，從而計算相應(yīng)的Qp。 【儀器和試劑】

絕熱式氧彈量熱計1套; 氧氣鋼瓶1只; 氧氣表1只; 壓片機(jī)1套; 萬用電表1只; 臺稱1只; 分析天平1臺; 三角燒瓶(250mL)2只; 滴定管(堿式)1只; 容量瓶(2000mL、250mL)各1只; 活搬手1只;不銹鋼鑷子1只。 苯甲酸; 萘; 燃燒絲; 棉線; NaOH溶液(0.1000mol·dm-3); 酚酞。 【實驗步驟】

1、 熟悉量熱計 2、 量熱計熱容測定

（1） 裝樣：苯甲酸樣品0.6~0.8g（臺稱），點火絲~15cm(別太長，準(zhǔn)確稱量)，熱值為：1400J/g。壓片，掛于兩電極上。 （2） 充氧：壓力為16~18atm。

（3） 安裝量熱計：加自來水2500mL——接點火線——合蓋——安裝熱敏溫度計——接通各電源（各開關(guān)處于關(guān)）——開攪拌器

（4） 測量：溫度穩(wěn)定——調(diào)整定時為半分鐘——讀數(shù)10分鐘——點火（按一下即可）——記錄溫度，溫度平穩(wěn)上升后再讀10分鐘。

（5） 結(jié)束工作：取出未燃燒完的點火線，準(zhǔn)確稱量（原來質(zhì)量減去留下的即為燃燒的點火線量）。取氧彈里的水進(jìn)行滴定。

3、 待測樣品燃燒熱測定（以萘取代苯甲酸，操作步驟同上） 【數(shù)據(jù)記錄與處理】

1、 作雷諾校正圖

2、 計算量熱計和介質(zhì)水的熱容

3、 計算萘的定容燃燒熱及定壓燃燒熱，并與文獻(xiàn)值比較。 【思考與討論】

1. 在使用氧氣鋼瓶及氧氣減壓閥，應(yīng)注意哪些規(guī)則？

2. 寫出萘燃燒過程的反應(yīng)方程式。如何根據(jù)實驗測得的Qv 求出Qp？ 3. 用電解水制得的氧氣進(jìn)行實驗可以嗎？何故？

4. 測得非揮發(fā)性可燃液體的熱值時，能否直接放在氧彈中的石英杯（或不銹鋼杯）里測定？ 【注意事項】

1、 未取出溫感器，不得開蓋 2、 點火線安裝時不能碰壁 3、 壓片時不可太松

4、 點火開關(guān)只按一次即可

5、 先調(diào)節(jié)好讀數(shù)記時時間為30秒，再開始讀數(shù) 6、充氧時注意操作，手上不可附有油膩物。

silver

堅和忍。堅者如磐石雖日月交替而不移,忍者如柔練雖困苦艱辛而不摧,堅忍者,

剛?cè)嵯酀?jì)百折不回,持之以恒也。

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燃燒熱的測定

實驗報告 2010-03-28 21:55:16 閱讀485 評論1 字號：大中小

一、實驗題目：燃燒熱的測定

二、實驗?zāi)康?/p>

1、明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別與聯(lián)系；

2、掌握量熱計技術(shù)的基本原理； 3、學(xué)會測定萘的燃燒熱；

4、了解氧彈卡計主要部件的作用，掌握氧彈卡計的實驗技術(shù)；

5、學(xué)會雷諾圖解法校正溫度改變值。

三、實驗原理

物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱 是指1mol物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)壓力下完全燃燒所放出的熱量。在恒容條件下測得的1mol物質(zhì)的燃燒熱成為恒容摩爾燃燒熱 ，數(shù)值上等于這個燃燒反應(yīng)過程的熱力學(xué)能變化 ；恒壓條件下測得的1mol物質(zhì)的燃燒熱稱為恒壓摩爾燃燒熱 ，數(shù)值上等于這個燃燒反應(yīng)過程的摩爾焓變 ，化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)通常是用恒壓熱效應(yīng) 來表示。若參加燃燒反應(yīng)是在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的1mol物質(zhì)，則

恒壓熱效應(yīng) 即為該有機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱 。

若把參加反應(yīng)的氣體與生成的氣體作為理想氣體來處理，則有下列關(guān)系式

= +(∑vB)RT??(1)

式中，∑vB為生成物中氣體物質(zhì)的計量系數(shù)減去反應(yīng)物中氣體物質(zhì)的計量

系數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為反應(yīng)的絕對溫度，K；

本實驗所用測量儀器為氧彈量熱計，且為外槽恒溫式量熱計。

量熱反應(yīng)測量的基本原理是能量守恒定律。由于熱量的傳遞往往表現(xiàn)為溫度的改變，且溫度是很容易測量的。在盛有定量水的容器中，樣品的物質(zhì)的量為nmol，放入密閉氧彈中，充氧，使樣品完全燃燒，放出的熱量傳給水及儀器各部

件，引起溫度的上升。 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，并假設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有熱交換，燃燒前、后溫度分別為T1、T2，則此樣品

的恒容摩爾燃燒熱為

??(2)

式中， 為樣品的恒容摩爾燃燒熱，J/mol；n為樣品的物質(zhì)的量，mol；C

為儀器的總熱熔，J/K。 (2)式是最理想、最簡單的情況。但是，由于一方面，氧彈量熱計不可能完全絕熱，因此反應(yīng)前后溫度的變化值不能直接用測到的燃燒前后的溫度差來計算，必須通過合理的雷諾校正才能得到準(zhǔn)確的溫差變化；另一方面，多數(shù)物質(zhì)不能自燃，如萘，必須借助電流引燃點火絲，再引起萘的燃燒。故(2)式左邊必須

把點火絲燃燒所放出的熱量考慮進(jìn)去。即

m點火絲Q點火絲= ??(3)

式中，m點火絲為點火絲的質(zhì)量，g；Q點火絲為點火絲的燃燒熱，-6694.1J/g；

為校正后溫度的升高值，K。 而儀器的熱容C是用已知燃燒焓的物質(zhì)（如本實驗的苯甲酸），放在量熱計中燃燒，測其始、末溫度，經(jīng)雷諾校正后，按照式子(3)即可求出C。

四、實驗注意事項

1、燃燒過程要保證樣品完全燃燒，因此，樣品的壓片力度須適中； 2、氧彈點火要迅速而果斷，點火絲須與電極接觸良好，防止松動； 3、實驗結(jié)束后，一定要把未燃燒的鐵絲重量從公式中減掉； 4、在實驗測定過程中，要避免卡計周圍溫度大幅度波動。

五、實驗儀器與試劑

實驗儀器：HR-15氧彈式熱量計、HR-15B熱量計多功能控制箱；AL204型電子天平；普通溫度計(0~50℃)；氧氣鋼瓶；氧氣減壓器07型；萬用電表；2000mL

量筒

實驗試劑：苯甲酸(AR)；萘(AR)；點火絲；氧氣

六、實驗步驟

1、測定氧彈卡計和水的總熱熔C

(1)、樣品壓片

①、壓片前，檢查壓模是否有鐵銹、油污和塵土等，若有，則必須擦凈后才

能進(jìn)行壓片； ②、用電子天平稱取約0.8g的苯甲酸，并準(zhǔn)確稱取一段已截好的點火絲； ③、將粗稱的苯甲酸以及準(zhǔn)確稱量的點火絲放入壓片機(jī)中進(jìn)行壓片，壓片完

成后，在電子天平上準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量，數(shù)據(jù)記錄與表1中。

(2)、裝置氧彈，充氧氣

①、將帶有點火絲的苯甲酸樣品放在氧彈卡計的燃燒皿中，將點火絲的兩端分別嵌入綁緊在氧彈中的兩根電極上，旋緊氧彈蓋，用萬用電表檢查電極是否通

路； ②、連接好氧氣鋼瓶與氧氣減壓閥表，用銅導(dǎo)管將減壓表與氧彈進(jìn)氣管相連接，打開氧氣瓶上端閥門，此時減壓閥表中指針旋轉(zhuǎn)所指壓力即為氧氣瓶中氧氣總壓力。打開減壓閥，使減壓表上另一表盤的指針壓力讀數(shù)約為10kg/cm21MPa。隨即關(guān)閉減壓閥。旋轉(zhuǎn)充氧裝置的旋鈕，使充氧儀上壓力表的指針為10MPa。為

了排除氧彈內(nèi)的空氣，應(yīng)反復(fù)充放三次。

(3)、燃燒溫度的測量

①、將充好氧氣的氧彈再用萬用電表來檢查是否通路；

②、用量筒量取3000mL自來水，倒入水桶內(nèi)，把已通路的氧彈放入卡計的

水桶內(nèi)； ③、裝好攪拌軸（葉片不能碰壁），蓋上蓋子，用普通溫度計測量水桶中的水的溫度，記錄于表1中，氧彈兩電極用電線連接在點火器上，將貝克曼溫度計

探頭插入水中，開動攪拌馬達(dá)。 ④、待溫度穩(wěn)定上升（連續(xù)兩次讀數(shù)差值小于0.005℃，則表明溫度穩(wěn)定）后，每隔半分鐘讀取溫度一次，連續(xù)記錄10次。此數(shù)據(jù)為燃燒前期的溫度；

⑤、讀完第10次溫度后，此刻迅速按下點火器上點火鍵通電點火，自按下點火鍵點火后，讀數(shù)仍為半分鐘記錄一次，直到溫度出現(xiàn)最高點（或溫度基本維

持不變），此數(shù)據(jù)為燃燒期間的溫度；

⑥、當(dāng)溫度升到最高點并開始下降后仍繼續(xù)每隔半分鐘讀取溫度一次，連續(xù)

記錄10次。此數(shù)據(jù)作為燃燒結(jié)束后期溫度，停止實驗。

⑦、④⑤⑥實驗數(shù)據(jù)均記錄與表1中。

⑧、實驗停止后，小心取出貝克曼溫度計，拿出氧彈，放出氧彈中剩余氣體，最后旋開氧蓋，將燃燒后剩下的鐵絲取出并用電子天平準(zhǔn)確稱取其質(zhì)量，數(shù)據(jù)記

錄于表1中。

⑨、倒去銅水桶中的水并用毛巾擦干，待下次實驗用。

2、萘的燃燒熱的測定

(1)、稱取約0.5g的萘，按照上述實驗操作測量萘的燃燒溫度兩次，求平均

值；

(2)、最后倒去自來水，擦干銅水桶待下次實驗用。

七、實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

實驗室溫度： 21.0℃ 大氣壓： 1029.6mbar

1、氧彈卡計和水的總熱容C的計算

表1 氧彈卡計和水的總熱容C的測定數(shù)據(jù)記錄表

苯甲酸燃燒引起卡計溫度變化差值△T的圖解法圖

次數(shù)

t2=22.798℃ t1=21.282℃ 溫 度

t/℃

由上圖知，

根據(jù)(3)式變形C=(-nQv,m(苯甲酸)-m點火絲Q點火絲)/△T得氧彈卡計和

水的總熱容

= 13792.01J/K

2、萘的恒容摩爾燃燒熱Qv,m(萘)的計算

(1)、第一次測量計算

表2 第一次萘燃燒溫度的測量記錄數(shù)據(jù)表

萘燃燒引起卡計溫度變化差值△T的圖解法圖

t2=22.626℃

t1=21.243℃ 次數(shù) 溫 度

t/℃

由上圖知，

根據(jù)(3)式變形Qv,m(萘)=(- m點火絲Q點火絲-C△T)/ n(萘) 得

Qv,m(萘)1 = =-4830.1KJ/mol

(2)、第二次測量計算

表3 第二次萘燃燒溫度的測量記錄數(shù)據(jù)表

萘燃燒引起卡計溫度變化差值△T的圖解法圖

t2=22.533℃

t1=21.160℃ 次數(shù) 溫 度

t/℃

由上圖知，

根據(jù)(3)式變形Qv,m(萘)=(- m點火絲Q點火絲-C△T)/ n(萘) 得

Qv,m(萘)2 = =-4879.7KJ/mol 3、萘的恒壓摩爾燃燒熱Qp,m(萘)的計算

∵萘的燃燒反應(yīng)為

∴根據(jù)(1)式得萘的恒壓摩爾燃燒熱(即 )為

Qp,m(萘)1 = Qv,m(萘)1+(10-12)×8.314J/(mol·K) ×(t水，1+273.15)K

=-4830.1 KJ/mol+(10-12)×8.314J/(mol·K) ×

(20.9+273.15)K

=-4835.0 KJ/mol

Qp,m(萘)2 = Qv,m(萘)2+(10-12)×8.314J/(mol·K) ×(t水，2+273.15)K

=-4879.7 KJ/mol+(10-12)×8.314J/(mol·K) ×(20.3+273.15)K

=-4884.6 KJ/mol

4、根據(jù)基爾霍夫定律對萘的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱 的計算

查閱物理化學(xué)手冊，有

根據(jù)萘的燃燒反應(yīng)及基爾霍夫定律得

∴ 1

= Qp,m(萘)1+(4×75.30+10×37.13-12×29.36-1×142.2) J/(mol·K) ×

[298.15-( t水，1+273.15)]

= -4830.1 KJ/mol +(4×75.30+10×37.13-12×29.36-1×142.2) J/(mol·

K) ×[298.15-(20.9+273.15)]K

=-4830.1 KJ/mol+177.98 J/(mol·K) ×4.1K=-4829.4 KJ/mol

2

= Qp,m(萘)2+(4×75.30+10×37.13-12×29.36-1×142.2) J/(mol·K) ×

[298.15-( t水，2+273.15)]

= -4884.6 KJ/mol +(4×75.30+10×37.13-12×29.36-1×142.2) J/(mol·

K) ×[298.15-(20.3+273.15)]K

=-4884.6 KJ/mol+177.98 J/(mol·K) ×4.7K=-4883.8 KJ/mol

∴萘的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱

=

=

=-4856.6 KJ/mol

5、與文獻(xiàn)值比較

查閱物理化學(xué)手冊，知 =-5153.8 KJ/mol

∴測量的相對誤差 =-5.77%

八、問題與思考

1、測量燃燒熱兩個關(guān)鍵的要求是什么？如何保證達(dá)到這兩個要求？

答：兩個關(guān)鍵的要求是：

①、樣品的完全燃燒。要達(dá)到這要求，必須做到氧彈要充以1.0~1.5MPa的高壓氧，且氧彈密封耐壓、耐腐蝕；粉末狀的樣品必須壓成片狀，避免充氧時樣

品散開。

②、使燃燒后放出的熱量盡可能全部傳遞給卡計本身和其中盛裝的水，而幾乎不與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換。要達(dá)到這要求，可把卡計放于一個水恒溫的套殼

中，且把卡計壁做成高度拋光，以減少因輻射產(chǎn)生的熱散失。

2、實驗測量得到的溫度差值為什么要經(jīng)過雷諾作圖法校正，還有那些誤差

來源會影響測量的結(jié)果？

答：因為氧彈量熱計不可能完全絕熱，存在熱的散失，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，須經(jīng)過合理的雷諾校正。

其它的誤差來源有：由于多數(shù)物質(zhì)不能自燃，因此在實驗中必須借助電流引燃點火絲從而引起物質(zhì)的燃燒，此時在計算體系總共放出的熱量的時候必須把點火絲燃燒放出的熱量包含在內(nèi)。且在最后進(jìn)行燃燒熱的計算的時候，又必須把反應(yīng)后剩余的點火絲的質(zhì)量從原來的所稱量的質(zhì)量中扣除，否則就會引起測量的誤

差。

十、參考文獻(xiàn)

[1].何廣平，南俊民，孫艷輝等.物理化學(xué)實驗[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，

2007：67-71.

[2].傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)，侯文華.物理化學(xué)上冊[M].第五版.北京：高

等教育出版社，2005：112-114.

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