萘的燃烧热测定.docx

1、萘的燃烧热测定萘的燃烧热测定李新乐 PB07206292（高分子科学与工程系 中国科学技术大学 合肥 230026） 摘 要： 本实验用氧弹量热计测定萘的恒容燃烧热，并计算萘的恒压燃烧热。并采用“雷诺校正图”的方法在一个非绝热的测量体系中实现相当于绝热体系中所完成的温度和温度差的测量效果，测出萘的恒容燃烧热。关键词： 氧弹式量热计 苯甲酸 萘 燃烧热 雷诺图The Determination of The Combustion Heat of Naphthalene Li Xin Le PB07206292 (Department of Polymer Science and Engineer

2、ing, University of Science and Technology of China, Hefei 230026) Abstract ：This experiment is to determine the combustion heat of naphthalene at a constant volume (Qv), and then calculate Qp at a constant pressure. “Renault Graphing Method” is used in this experiment to simulate a perfect insulator

3、-system in the actual system.Key words ：Oxygen-bomb calorimeter, Naphthalene, Benzoic acid, Combustion heat. Renault Graphing Method序言 “摩尔燃烧热：一摩尔纯净物完全燃烧时所放出的热量。”组成反应物的各元素经完全燃烧后，呈现本元素的最高价态N、S、卤素除外，而且反应物和生成物处于标准态。恒容过程的热效应QV =U；恒压过程的热效应QP =H。它们的相互关系如下：QP =QV+n(RT) 或 H =U+n(RT) 其中n为反应前后气态物质的物质的量之差，R为普适气

4、体常数，T为环境的绝对温度。由上式，本实验先测定萘完全燃烧时的恒容燃烧热，然后再计算出萘的恒压燃烧热H。热（内能及内能变化）比较难测量，而温度较易测得，记录实验过程中体系温度的变化，便能换算出热量的相对变化值，从而求得物质的燃烧热为了确定量热计每升高一度所需要的热量（也就是热容），可用通电加热法或标准物质法，本实验用苯甲酸标准物质法来测量。 为了确定量热卡计每升高一度所需要的热量，也就是量热计的热容，可用通电加热法或标准物质法。本实验用标准物质法来测量量热卡计的热容即确定仪器的水当量。这里所说的标准物质为苯甲酸，其恒容燃烧时放出的热量为26460 Jg-1。实验中将苯甲酸压片准确称量并扣除Cu

5、-Ni合金丝的质量后与该数值的乘积即为所用苯甲酸完全燃烧放出的热量。Cu-Ni合金丝燃烧时放出的热量及实验所用O2气中带有的N2气燃烧生成氮氧化物溶于水，所放出的热量的总和一并传给卡计使其温度升高。根据能量守恒原理，物质燃烧放出的热量全部被氧弹及周围的介质等所吸收，得到温度的变化为T，所以氧弹卡计的热容为： C卡 式中：m为苯甲酸的质量(准确到110-5克) l为燃烧掉的Cu-Ni合金丝的长度(cm) 2.9为每厘米Cu-Ni合金丝燃烧放出的热量单位（Jcm-1） V为滴定燃烧后氧弹内的洗涤液所用的0.1moldm-3的NaOH溶液的体积 5.98为消耗1mL0.1 moldm-3的NaOH所

6、相当的热量(单位为J)。由于此项结果对QV的影响甚微，所以常省去不做。确定了仪器(含3000mL水)热容，我们便可根据公式求出欲测物质的恒容燃烧热QV，即： QV(待测)=(C卡T-2.9l)/m(待测物质的质量)M 然后根据公求得该物质的恒压燃烧热QP，即H。尽管在仪器上进行了各种改进，但在实验过程中仍不可避免环境与体系间的热量传递。这种传递使得我们不能准确地由温差测定仪上读出由于燃烧反应所引起的温升T。而用雷诺作图法进行温度校正，能较好地解决这一问题。雷诺作图法将燃烧前后所观察到的水温对时间作图，可联成FHIDG折线，如图4-1和图4-2所示。图41中H相当于开始燃烧之点。D为观察到的最高

7、温度。在温度为室温处作平行于时间轴的JI线。它交折线FHIDG于I点。过I点作垂直于时间轴的ab线。然后将FH线外延交ab线于A点。将GD线外延,交ab线于C点。则AC两点间的距离即为T。图中AA为开始燃烧到温度升至室温这一段时间t1内，由环境辐射进来以及搅拌所引进的能量而造成量热计的温度升高。它应予以扣除之。CC为温度由室温升高到最高点D这一段时间t2内，量热计向环境辐射而造成本身温度的降低。它应予以补偿之。因此AC可较客观的反应出由于燃烧反应所引起量热计的温升。在某些情况下，量热计的绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器的功率较大，不断引进能量使得曲线不出现极高温度点，如图4-2，校正方法相似。

8、图4-1 绝热较差时的雷诺校正图 图4-2 绝热良好时的雷诺校正图 必须注意，应用这种作图法进行校正时，卡计的温度与外界环境的温度不宜相差太大(最好不超过2-3)，否则会引入大的误差。 实验部分1.1仪器与试剂GR 3500型 氧弹式热量计JDW-3F精密电子温差测量仪MF 30型 万用表 BP310P型 电子天平压片机；氧气钢瓶，氧弹，容量瓶，移液管，盛水桶，万用表试剂：苯甲酸（分析纯），萘（分析纯），Cu-Ni合金丝， 冰水1.2 实验步骤和注意事项 样品压片：取Cu-Ni合金丝一根，对折后在中间位置打环，准确称量。将其置于压片机的模具上并装上底板，把称量好的0.8克左右苯甲酸倒入模具内，

9、将铁丝环浸埋，装上顶杆。下压压片机螺杆，稍用力使样品压牢；翻转底板后再次下压以取出样品，弹去周围粉末，准确称质量。 装置氧弹：拧开氧弹盖，将样品上的铁丝小心的绑在氧弹中的两根电极上，旋紧氧弹盖，用万用表检查两电极是否通路，若通路则旋紧出气口。连接氧弹和氧气钢瓶，打开阀门在充气40秒，再用万用表核验两电极通路情况。（氧弹充氧操作中，人应站在氧气减压表的侧面，以免意外。） 燃烧和测量温差：将氧弹卡计，内筒，搅拌器装配好，用容量瓶准确量取3000mL水置于内筒中。打开温差测定仪，将测温探头插入外套测温口中，待读数稳定后置0.000；开动搅拌马达，将温差仪插入内筒中，此时读数低于-1.000，用电吹风

10、加热内桶中的水，在温差仪读数为约-0.850时停止加热。待温差仪读数为-0.800时，开启计算机计数同时准备好点火开关，待温差仪读数约为-0.750时点火。点火后继续计数20分钟。完毕后先放气，再旋开氧弹盖观察燃烧是否完全，若燃烧完全则称量Cu-Ni合金丝剩余的质量。 测定萘的燃烧热：称取约0.6克萘，将上述步骤重复一次，测萘的恒容燃烧热Qv.实验注意事项： 压片时应将Cu-Ni合金丝压入片内。 氧弹充完氧后一定要检查确信其不漏气，并用万用表检查两极间是否通路。 将氧弹放入量热仪前，一定要先检查点火控制键是否位于“关”的位置。点火结 束后，应立即将其关上。 二 结果与讨论：2.1实验结果萘的

11、恒容摩尔燃烧热 -CUm= 5.14106 J/mol ； 萘的 恒压摩尔燃烧热 -CHm= 5.13106 J/mol 。分析： 与理论上的值9603 cal/g比较得：绝对误差 - 0.11 kJ/g 相对误差 0.27% ，可见结果较为可靠。2.2 实验误差的讨论 仪器误差中精密电子温差测量仪测温的不稳定值0.001，由于采样数高达近万个，该项误差可忽略。而电子天平测质量的不确定度0.001g，这是本次试验随机误差的主要来源。 实验结果偏小的原因探析：苯甲酸质量偏小，因此升温不够高，这样升温后的散热量不足以抵消升温前的吸热量体系有净的吸热。结果导致苯甲酸燃烧后的体系温度比理想绝热条件下的

12、温度高，即苯甲酸的T 偏高，由Ck (mRQv + 3136.2 mCu-Ni )/ T，因此计算出的体系总热容Ck偏小；又Qv (Ck T - 3136.2 mCu-Ni )/ mR，若Ck偏小则最终萘的Qv显然偏小。 上述情况可从附件中的两幅“雷诺校正图”中看出，其总效果是使Qv偏小，因此带来了- 0.27%的相对误差。这是系统误差的主要来源。 计算氧弹卡计热容Ck的仪器传递误差Ck： = = 36.08 （J/K） 计算萘的恒容摩尔燃烧热 -CUm的仪器传递误差Q：2.3 小结和思考A. 在计算机自动采集的温差值数据序列中，每组数据均出现了数次错误的坏值，在雷诺图中有显示，我认为这是温差

13、测量仪的问题，毕竟电子仪器对外界环境的快速变化不可能完全一致，会出现一些“滞后”表现为无法及时获取正确的采样值！因此在处理数据时这些“坏值”合理排除了。B. 由所得的图，在升温后期，曲线趋向水平，没有在绝热情况下，理论上的上升，说明量热计因向环境辐射而造成本身温度的降低的影响可以忽略，绝热效果比较好。 C 实验改进：采用计算机控制燃烧热测定仪, 它与传统测量方法的不同点在于: 系统中装有高精度模数转换器和单片机系统, 由它们进行数据采集, 并且通过模 数转换器把精密数字温度计的铂金电阻温度传感器所测得的温差信号转为数字信 号。 加装点火驱动系统, 用单片机系统接收PC 机发出的指令, 以实现自

14、动点火。由 于上述系统具有铂金温度传感器的非线性校正, 数字滤波, 去50 Hz 干扰等功能 , 因此系统性能稳定, 测量精度高。测量温度的精度可达0. 001 K D 本实验最关键的步骤就是点火能否成功, 为此,人们想了不少办法。方法1: 将点火丝 压入样品片中; 方法2: 将点火丝缠成螺旋状置于样品片上;方法3: 在点火丝上缠些 脱脂棉线。实验表明: 方法1 点火丝易被压断且成功率不高; 方法2 成功率有所提高, 但不能保证100 % , 方法3 是可以保证点火成功, 但操作麻烦且计算时要删剔除棉线 的热贡献。 可以在压片时, 可将点火丝从中间弯折(两端留4 5 cm ) 成一个V 字型,

15、 再将粗称 好的样品先倒入大约一半于压片机内, 然后将V 字型的点火丝放入, 最后把剩下的样 品倒入, 开始压片。只要压片动作中力度不要过大, 成功率相当高。 E 燃烧改进：在氧弹线路连接中, 最怕的是短路, 既点火丝与燃烧皿或燃烧皿与另一电极 接触, 学生对此项操作往往处理不好, 同时, 由于有些物质燃点高, 往往会造成点火失 败, 已有学者在实践中认为, 用少量棉纱将药片与电点丝包裹起来可以解决以上困难。 棉纱既可以引燃又可以作为绝缘物杜绝短路。 F 查阅文献【6】，作者提供一种可以有效促进萘片等物引燃速率而又不会显著影响其燃 烧热测定结果的新方法。经多次学生实验证明该方法简便易行, 实验

16、结果好。 助燃剂CeO2 经马弗炉在773K空气中焙解4h , 冷却, 碎至400目保干备用。实验改进之 处为在常规压片样外表面靠近引火丝(弯成螺线管状) 区域撒上助燃剂粉末(约15.mg) , 其余实验过程不变。对萘片重复试验10 次,10 次点火均获成功,且引发时间在10s 内。 用以测定萘片的恒容燃烧热值,其相对误差 0. 32 %。由于做了上述方面的改进,缩短了实验时间,提高了实验质量。Acknowledgements：This experient was supported by the Lab of Physical Chemistry. Thanks to the teacher

17、s and appreciate the teaching assistants help!参考文献：1 A.W.Adamson. A Textbook of Physical Chemistry, 3rd Ed. Benjamin, 1986.2 燃烧热测定实验的进一步改进，张建策，毛力新 ，化工技术与开发，2005 3 P.W.Atkins. Physical Chemistry, 3rd Ed. Oxford University Press, 1986.4 南京大学物理化学教研室 傅献彩,沈文霞,姚天扬. 物理化学, 第四版(上,下册).高等教育出版社, 1990.5 崔献英,柯燕雄,

18、单绍纯. 物理化学实验 , 中国科学技术大学出版社, 2000.6 测定燃烧热实验条件的改进，钟爱国，大学化学，20007 燃烧热测定实验研究李森兰，杜巧云，王保玉 大学化学，20018 物化实验讲义附件：实验数据处理一 数据纪录：仪器/药品主要参数：JDW-3F精密电子温差测量仪：测量范围 -20 +80； 稳定度 0.001Sartorius牌BP310P型电子天平：测量范围0.02 310g； 绝对误差d=0.001g苯甲酸恒容燃烧热值：26.460 kJ/g ；Cu-Ni合金丝恒容燃烧热值：3.1362 kJ/g ；萘的分子量：128.17 g /mol 。数据：Cu-Ni合金丝质量0

19、.0214 g合金丝剩余质量0.0078 g“压片”总质量0.813 g苯甲酸：Cu-Ni合金丝质量0.0219 g合金丝剩余质量0.0084 g“压片”总质量0.5741 g萘：二 数据处理及误差计算：1 苯甲酸部分实验数据处理燃烧掉的合金丝质量 = 0.0214 - 0.0078 g =0.0136 g，燃烧掉的苯甲酸质量 = 0.813 - 0.0214 g =0.7916 g，绘制雷诺校正图备注：每组数据中均出现了“坏点”，极不符合实验规律，应予以排除 g (3661.92, 0.7257 ) h (3661.92, -0.7420 )由雷诺校正图，T= 0.7257K - (-0.7

20、420K) =1.4677 K Ck = Q / T (mR Qv + 3136.2 mCu-Ni ) / TmR 为苯甲酸样品质量，mCu-Ni 为燃烧掉的合金丝质量，合金丝热值：3.1362 kJ/g。带入数据：mR =0.7916 g，mCu-Ni =0.0136 g，Qv =26460 J/g，T=1.468 K 得Ck = 14297 J/K2 萘部分实验数据处理燃烧掉的合金丝质量 = 0.0219 - 0.0084 g =0.0135 g，燃烧掉的萘质量 = 0.5741 - 0.0219 g =0.5522 g，萘燃烧的雷诺校正图 h (4284.66, 0.7749 ) g (

21、4284.66, -0.7763 ) T= 0.7749K - (-0.7763K) =1.551KQv (Ck T - 3136.2 mCu-Ni) / mRmR 为萘样品质量，mCu-Ni 为燃烧掉的合金丝质量，合金丝热值：3.1362 kJ/g。代入数据：mR =0.5522 g，mCu-Ni =0.0135 g，C k =14297J/K，T=1.551K 得Qv = 40.08 kJ/g3 结果的换算与比较 将恒容燃烧热换算为恒容摩尔燃烧热：40.08kJ/g 128.17 g /mol = 5137.1 kJ/mol仪器精度限制，保留三位有效数字后的恒容摩尔燃烧热 -CUm= 5.

22、14106 J/mol 由 H=U+n(RT) 将恒容摩尔燃烧热换算为恒压摩尔燃烧热，其中萘燃烧反应方程为C10H8 (s) +12O2 (g) 10CO2 (g) + 4H2O( l) ，即n = -2 ：5137.1 - 28.314298.1510-3 = 5132.1 kJ/mol保留三位有效数字后的恒压摩尔燃烧热 -CHm= 5.13106 J/mol 。 查手册得萘的恒容燃烧热 Qv =9603 cal/g 9603 cal/g 4.1859 J/cal = 40.19 kJ/g 。Qv绝对误差：40.08 kJ/g - 40.19 kJ/g = - 0.11 kJ/g ；Qv相对误差：-0.11 / 40.19 = -0.27% 。仪器误差：精密电子温差测量仪：0.001 。而电子天平的误差：0.001g ，这是本次试验误差的主要来源。正是该天平的限制，使最终结果只有三位有效数字如果用万分之一克天平完成实验，应该可以保留四位有效数字！从而更精确。 附件完