燃燒熱的測定

時間：2023-05-01 05:19:35 資料我要投稿

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燃燒熱的測定

【目的要求】

掌握有關(guān)熱化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)的基本原理和使用方法。 3.熟悉熱敏電阻溫度計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)量數(shù)。產(chǎn)物取正值，反應(yīng)物取負(fù)值。

通過實(shí)驗(yàn)測得QV值，根據(jù)上式就可計(jì)算出Qp，即燃燒焓的值ΔCHm。測量熱效應(yīng)的儀器稱作量熱計(jì)，量熱計(jì)的種類很多，本實(shí)驗(yàn)是用氧彈式量熱計(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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?dú)庋趸上跛岬纳蔁幔蟛糠直凰爸械乃�；另一部分則被

氧彈,水桶、攪拌器及溫度計(jì)等所吸收。在量熱計(jì)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(shí)溫差。

如在實(shí)驗(yàn)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(jì)熱容（熱量計(jì)的水當(dāng)量）。實(shí)際上，氧彈式熱量計(jì)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(jì)上讀得的溫差就不是真實(shí)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(shí)驗(yàn)，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(jì)算相應(yīng)的Qp。【儀器和試劑】

絕熱式氧彈量熱計(jì)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(shí)驗(yàn)步驟】

1、熟悉量熱計(jì) 2、量熱計(jì)熱容測定

（1）裝樣：苯甲酸樣品0.6~0.8g（臺稱），點(diǎn)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(jì)：加自來水2500mL——接點(diǎn)火線——合蓋——安裝熱敏溫度計(jì)——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(diǎn)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(diǎn)火線，準(zhǔn)確稱量（原來質(zhì)量減去留下的即為燃燒的點(diǎn)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(jì)算量熱計(jì)和介質(zhì)水的熱容

3、計(jì)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(shí)驗(yàn)測得的Qv 求出Qp？ 3. 用電解水制得的氧氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(xiàng)】

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

4、點(diǎn)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(jiān)和忍。堅(jiān)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(jiān)忍者,

剛?cè)嵯酀?jì)百折不回,持之以恒也。

加博友關(guān)注她

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燃燒熱的測定

實(shí)驗(yàn)報(bào)告 2010-03-28 21:55:16 閱讀485 評論1 字號：大中小

一、實(shí)驗(yàn)題目：燃燒熱的測定

二、實(shí)驗(yàn)?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(jì)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(jì)主要部件的作用，掌握氧彈卡計(jì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；

5、學(xué)會雷諾圖解法校正溫度改變值。

三、實(shí)驗(yàn)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(jì)量系數(shù)減去反應(yīng)物中氣體物質(zhì)的計(jì)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(shí)驗(yàn)所用測量儀器為氧彈量熱計(jì)，且為外槽恒溫式量熱計(jì)。

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(jì)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(jì)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(diǎn)火絲，再引起萘的燃燒。故(2)式左邊必須

把點(diǎn)火絲燃燒所放出的熱量考慮進(jìn)去。即

m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲= ??(3)

式中，m點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的質(zhì)量，g；Q點(diǎn)火絲為點(diǎn)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(shí)驗(yàn)的苯甲酸），放在量熱計(jì)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(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

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(diǎn)火要迅速而果斷，點(diǎn)火絲須與電極接觸良好，防止松動； 3、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測定過程中，要避免卡計(jì)周圍溫度大幅度波動。

五、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

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

量筒

實(shí)驗(yàn)試劑：苯甲酸(AR)；萘(AR)；點(diǎn)火絲；氧氣

六、實(shí)驗(yàn)步驟

1、測定氧彈卡計(jì)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(diǎn)火絲； ③、將粗稱的苯甲酸以及準(zhǔn)確稱量的點(diǎn)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(diǎn)火絲的苯甲酸樣品放在氧彈卡計(jì)的燃燒皿中，將點(diǎn)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(jì)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(jì)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(diǎn)火器上，將貝克曼溫度計(jì)

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(diǎn)火器上點(diǎn)火鍵通電點(diǎn)火，自按下點(diǎn)火鍵點(diǎn)火后，讀數(shù)仍為半分鐘記錄一次，直到溫度出現(xiàn)最高點(diǎn)（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(diǎn)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(shí)驗(yàn)。

⑦、④⑤⑥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均記錄與表1中。

⑧、實(shí)驗(yàn)停止后，小心取出貝克曼溫度計(jì)，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(shí)驗(yàn)用。

2、萘的燃燒熱的測定

(1)、稱取約0.5g的萘，按照上述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)用。

七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

實(shí)驗(yàn)室溫度： 21.0℃ 大氣壓： 1029.6mbar

1、氧彈卡計(jì)和水的總熱容C的計(jì)算

表1 氧彈卡計(jì)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(jì)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(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲)/△T得氧彈卡計(jì)和

水的總熱容

= 13792.01J/K

2、萘的恒容摩爾燃燒熱Qv,m(萘)的計(jì)算

(1)、第一次測量計(jì)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(jì)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(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲-C△T)/ n(萘) 得

Qv,m(萘)1 = =-4830.1KJ/mol

(2)、第二次測量計(jì)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(jì)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(diǎn)火絲Q點(diǎn)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(jì)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(jì)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

= 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(jì)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(jì)放于一個水恒溫的套殼

中，且把卡計(jì)壁做成高度拋光，以減少因輻射產(chǎn)生的熱散失。

2、實(shí)驗(yàn)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?yàn)檠鯊椓繜嵊?jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)中必須借助電流引燃點(diǎn)火絲從而引起物質(zhì)的燃燒，此時在計(jì)算體系總共放出的熱量的時候必須把點(diǎn)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(jì)算的時候，又必須把反應(yīng)后剩余的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)[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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