二茂铁及其衍生物对柴油的助燃和消烟作用_精品文档.doc
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华南师范大学实验报告
学生姓名学号
专业化学教育年级、班级
课程名称综合化学实验课件密码
实验类型□验证□设计□综合实验时间2014年4月2日
实验指导老师实验评分
二茂铁及其衍生物对柴油的助燃和消烟作用
一、前言
1实验背景
二茂铁[（C5H5）2Fe]是一种橙黄色针状或粉末状结晶物，具有类似樟脑的气味，熔点173～174℃，沸点249℃，不溶于水，而溶于甲醇、乙醇、乙醚、苯、汽油、煤油、柴油等有机溶剂，具有高度热稳定性和耐辐射性，加热到470℃也不分解。
二茂铁的毒性很小，大白鼠20天口服致死量为600mg/kg，狗日服100mg/kg时，在四周内未见中毒现象。
在化学性质上，二茂铁与芳香族化合物相似，不易发生加成反应，容易发生取代反应。
二茂铁与芳香族化合物化学性质相似，具有独特的芳香性，甚至在一些情况下，其芳香性能大于苯环。
二茂铁为18电子构型，具有良好的稳定性，其中心铁原子和环戊二烯基都具有一定的活性，从而可以进行一系列的有机反应。
在二茂铁的环上容易发生亲电取代反应，可进行金属化、氯化、酰基化、烷基化、磺化、甲酰化以及配合体交换等反应，从而可制备一系列用途广泛的衍生物。
二茂铁衍生物具有疏水性，这使其能够顺利地通过细胞膜，与细胞内物质相互作用，此外它还具有良好的稳定性、低毒性，因而可作为治疗某些疾病的药物，如抗癌药物等。
由于二茂铁及其衍生物还具有氧化还原可逆性，可在酶的作用下参与代谢作用，所以它们还可用来制造植物生长调节剂、杀虫剂等。
二茂铁衍生物具有良好的电导特性，当二茂铁与共轭体系衔接时，可以形成性能良好的分子导线。
第一个含二茂铁代表性的分子导线是1,1′-双（三甲基甲硅烷乙炔基）二茂铁。
二茂铁的热稳定性、氧化还原性、结构可变性和金属特性，使得其在液晶材料方面的应用前景也十分广阔。
此外，二茂铁衍生物还被广泛地应用到抗菌剂，聚合物、纳米材料、电化学元件、生物化学、分析化学等邻域，对其的开发利用成为金属有机化学界的热议话题。
目前，二茂铁衍生物多达数百种。
二茂铁及其衍生物最广泛的用途是作为催化剂，如不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、芳酮硅烷化等。
二茂铁及其衍生物还可以作为燃料油添加剂。
二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。
尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。
二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。
二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。
由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。
2实验目的
2.1了解二茂铁及其衍生物的应用，特别是作为一种优良的燃料助燃催化剂，其重要的经济价值与环保价值；
2.2掌握利用氧弹卡计测量油品燃烧所产生的热量的操作技术，应用CACE系统评价油品的燃烧效率；
2.3学会评价自制的二茂铁及其衍生物对柴油的助燃和消烟作用。
二、实验部分
1基本原理
1.1燃烧热的测量原理
利用氧弹卡计测量柴油燃烧产生的热量。
根据能量守恒定律，样品完全燃烧放出的热量促使卡计本身及其周围的介质（本实验用水）温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化，就可求算出该样品的恒容燃烧热，在量热计与环境没有热交换情况下，其关系式为：
m样Qv==W（卡+水）△T－m点火丝Q点火丝
式中，m样为样品的质量，g；Qv为样品的恒容燃烧热，J/g；W（卡+水）为氧弹卡计和周围介质的热当量，J/K，它表示卡计和水每升高1℃所需要吸收的热量；W（卡计+水）=14541.35（J/K）；m点火丝为点火丝的质量，g；Q点火丝为点火丝（铁丝）的在恒容条件燃烧放出热量，其值为6694.4J/g；△T为燃烧过程温度的升高值，经过雷诺作图法可校正由于系统热漏等原因产生的△T的测量偏差。
本实验以△T/m研究添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。
1.2不完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响
根据上面的实验原理与方法，对于不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响可从燃烧速率（△T/△t），燃烧效率（△T/m）以及燃烧后炭渣的重量和尾气成分的变化三个方面进行研究，尾气可通过氧弹装置中的排气孔收集，利用相关的分析方法进行尾气的定性和定量测定。
以寻找二茂铁与柴油量的最佳配比，从而了解二茂铁作为柴油燃烧过程中的添加剂其环保价值和经济价值。
2实验仪器
2.1主要仪器
GR3500型氧弹式热量计及氧弹式热量计控制箱（湖南长沙科学仪器厂）、电子天平、镊子、玻璃棒、试管、试管架、移液管、洗耳球
2.2主要试剂
二茂铁、柴油
3实验步骤
3.1不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧燃值和燃烧速率的影响
充氧压力：
0.9atm.
（1）称取柴油1.2克,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取温度差△T;
（2）称取柴油1.2克,加入二茂铁（自合成样品或标准试剂样品），使柴油中二茂铁含量1.0%;,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取△T;
（3）2.通过△T，分别计算柴油和添加了二茂铁柴油燃烧QV、△T/m;并仔细观察坩埚灰渣情况和排出气体气味,称量灰渣重量.
（4）.通过燃烧反应曲线,通过燃烧时温度上升的速率和△T，求取△T/△t.比较不同配比的柴油其燃烧速率的差异.
（5）.分别测定一定量柴油和添加了二茂铁柴油燃烧后尾气排放中二氧化硫和二氧化氮的含量.
3.2二氧化硫气体的测定实验步骤
3.2.1二氧化硫标准曲线的绘制
（1）取12支10ml具塞比色管,分A、B两组分别对应编号,A组按下表配制标准系列
二氧化硫标准系列（标准使用液浓度1.00µg/mL）
项目
管号
0
1
2
3
4
5
SO2标准液/mL
0
0.50
1.00
2.00
5.00
8.00
甲醛吸收液/mL
10.00
9.50
9.00
8.00
5.00
2.00
SO2含量/µg
0
0.50
1.00
2.00
5.00
8.00
SO2含量（ug/ml）
0
0.05
0.1
0.2
0.5
0.8
（2）B管组各管中分别加入0.05%PRA使用液1ml。
（3）A管组分别加入浓度为0.06%胺磺酸钠溶液0.5ml，浓度为1.5mol/L氢氧化钠0.5ml,混匀.
（4）逐管迅速分别将A管中溶液全部倒入对应编号并已装有PRA使用液的B管中.立即具塞摇匀后显色.5分钟后以水为参比溶液，在577nm处测定样品中二氧化硫含量.
（5）将扣除空白试样的吸光度与二氧化硫含量作图,可得二氧化硫标准曲线.
3.2.2样品测定
将4.00ml甲醛缓冲吸收液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气.然后将吸收瓶中的样品全部移入10ml比色管中,用少量甲醛缓冲液洗涤吸收管,倒入比色管中,并用吸收液稀释至5.0ml标线.
加入0.060%胺磺酸钠0.5ml,摇匀.放置10分钟,以除去氮氧化物干扰,加入1.50ml/mol氢氧化钠0.5ml,混匀.再将此管中溶液倒入已装入PRA使用液1ml的比色管中,具塞摇匀，室温下显色5分钟后在577nm处测定所测样品消光值。
根据消光值通过二氧化硫标准曲线查得相应二氧化硫浓度，计算排放的二氧化硫总量，以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量燃烧尾气中二氧化硫的排放量。
3.3二氧化氮气体的测定方法------盐酸萘乙二胺分光光度法
3.3.1二氧化氮标准曲线的绘制
（1）取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亚硝酸钠标准溶液系列
亚硝酸钠标准溶液（标准使用液浓度2.5µg/mL）
项目
管号
0
1
2
3
4
5
亚硝酸钠标准液/mL
0
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
水/mL
2.00
1.60
1.20
0.80
0.40
0.00
显色液/mL
8.00
8.00
8.00
8.00
8.00
8.00
亚硝酸浓度（µg/mL）
0
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
（2）将各管混合均匀,置于暗处中放置20min（室温低于20℃时显色40min以上）后,用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度.
（3）将扣除空白试样的吸光度与亚硝酸浓度作图,可得亚硝酸钠标准曲线.
3.3.2样品测定
将5.00ml二氧化氮显示液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气.然后将吸收瓶中的样品暗处放置20min（室温低于20℃时显色40min以上）,用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度，将所测消光值在二氧化氮标准曲线上查得相应二氧化氮浓度，计算排放二氧化氮的总量，以每克柴油放出二氧化氮的微克数衡量尾气中二氧化氮的排放量。
.
4实验数据处理
4.1NO2含量的测定
（1）在没有二茂铁，不完全燃烧的条件下柴油的燃烧情况和燃烧数据分别如表1和表2所示。
表1柴油的燃烧情况（无二茂铁，不完全燃烧）
柴油质量/g
燃烧前铁丝质量/g
燃烧后铁丝质量/g
柴油渣质量/g
烧掉的油的质量/g
1.0095
0.0122
0.0040
0.1529
0.8566
表2柴油燃烧热数据（无二茂铁，不完全燃烧）
点火前
点火后
后期温度
时间/min
温度/℃
时间/min
温度/℃
时间/min
温度/℃
1.0
27.332
4.0
27.352
10.0
29.043
2.0
27.338
5.0
27.582
11.0
29.114
3.0
27.343
6.0
28.031
12.0
29.165
7.0
28.404
13.0
29.205
8.0
28.794
14.0
29.237
9.0
28.948
15.0
29.263
根据表2的数据进行雷诺校正，可绘制如图1所示的时间-温度曲线。
图1T-t雷诺校正曲线（无二茂铁，不完全燃烧）
则温度差△T=29.04-27.36=1.68k，根据
并忽略燃烧的铁丝的质量，可得：
QV=W（卡计+水）×△T÷m样=14541.35J/k×1.68k÷0.8566g=28519.108J/g
△t=9.0-4.0=5min即300s
所以燃烧速率为:
△T/△t=1.68K÷300s=0.00560K/s
燃烧效率为：
△T/m=1.68K÷0.8566g=1.96K/g
（2）在添加0.0096g二茂铁，不完全燃烧的条件下柴油的燃烧情况和燃烧数据分别如表3和表4所示。
表3柴油的燃烧情况（0.0096g二茂铁，不完全燃烧）
柴油/g
燃烧前铁丝质量/g
燃烧后铁丝质量/g
柴油残渣质量/g
烧掉的油的质量/g
0.9865
0.121
0.0103
0.1503
0.8362
表4柴油燃烧热数据（0.0096g二茂铁，不完全燃烧）
点火前
点火后
后期温度
时间/min
温度/℃
时间/min
温度/℃
时间/min
温度/℃
1.0
30.638
5.0
30.859
11.0
32.510
2.0
30.628
6.0
31.618
12.0
32.5
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