1、華 南 師 范 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 化學(xué)(師范) 年級(jí)、班級(jí) 課程名稱 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 燃燒熱的測(cè)定 實(shí)驗(yàn)類型 ：驗(yàn)證設(shè)計(jì)綜合 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 年 月 日實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師 蔡躍鵬 實(shí)驗(yàn)評(píng)分 【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹棵鞔_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。掌握量熱技術(shù)的基本原理；學(xué)會(huì)測(cè)定奈的燃燒熱。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)。學(xué)會(huì)雷諾圖解法校正溫度改變值?！緦?shí)驗(yàn)原理】物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱(焓)cHm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(cè)得的1mol物質(zhì)的燃燒熱稱為恒容摩爾燃燒熱QV,m，數(shù)值上等于這個(gè)燃燒反應(yīng)過(guò)程的熱

2、力學(xué)能的變化rUm；恒壓條件下測(cè)得的1mol物質(zhì)的燃燒熱稱為恒壓摩爾燃燒熱Qp,m，數(shù)值上等于這個(gè)燃燒反應(yīng)過(guò)程的摩爾焓變r(jià)Hm，化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)通常是用恒壓熱效應(yīng)rHm來(lái)表示。若參加燃燒反應(yīng)的是標(biāo)準(zhǔn)壓力下的1mol物質(zhì)，則恒壓熱效應(yīng)rHm即為該有機(jī)物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒熱cHm。若把參加反應(yīng)的氣體與生成的氣體作為理想氣體處理，則存在下列關(guān)系式。Qp,m=QV,m+(VB)RT (3-4)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)；T為反應(yīng)的絕對(duì)溫度；Qp,m與QV,m的量綱為J/mol。本實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量?jī)x器為氧彈量熱計(jì)(也稱氧彈卡計(jì))，按照結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境之間的關(guān)系

3、，氧彈量熱計(jì)通常分為絕熱式和外槽恒溫式，本實(shí)驗(yàn)所用為外槽恒溫式量熱計(jì)。氧彈為高度拋光的剛性容器，耐高壓、耐高溫、耐腐蝕，密封性好，是典型的恒容容器。測(cè)定粉末樣品時(shí)需壓成片狀，一面充氧時(shí)沖散樣品或燃燒時(shí)飛散開(kāi)來(lái)。量熱反應(yīng)測(cè)量的基本原理是能量守恒定律。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，充氧，然后使樣品完全燃燒，放出的熱量傳給水及儀器各部件，引起溫度上升。設(shè)系統(tǒng)(包括內(nèi)水桶、氧彈本身、測(cè)溫器件、攪拌器和水)的總熱容為C(通常稱為儀器的水當(dāng)量，及量熱計(jì)及水每升高1K所需吸收的熱量)，假設(shè)系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有熱交換，燃燒前、后的溫度分別為T1、T2，則此樣品的恒容摩爾燃燒熱為n

4、QV，m= - C(T2-T1) (3-5)式中，QV,m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為儀器的總熱容，J/K或J/。式(3-5)是最理想、最簡(jiǎn)單的情況。但是，由于一方面氧彈量熱計(jì)不可能完全絕熱，熱漏在所難免，因此，燃燒前后溫度的變化不能直接用測(cè)到的燃燒前后的溫度差來(lái)計(jì)算，必須經(jīng)過(guò)合理的雷諾校正才能得到準(zhǔn)確的溫差變化需由溫度-時(shí)間曲線(即雷諾曲線)確定初溫和最高溫度；另一方面，多數(shù)物質(zhì)不能自然，如本實(shí)驗(yàn)所用萘，必須借助電流引燃點(diǎn)火絲，再引起萘的燃燒，因此，式(3-5)左邊必須把點(diǎn)火絲燃燒所放熱量考慮進(jìn)去，如式(3-6)：- nQV,m-m點(diǎn)火絲Q點(diǎn)火絲=CT

5、 (3-6)式中，m點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的質(zhì)量；Q點(diǎn)火絲為點(diǎn)火絲的燃燒熱，點(diǎn)火絲(鐵絲)燃燒熱為-6694.4J/g；T為校正后的溫度升高值。儀器熱容C的求法是用已知燃燒焓的物質(zhì)（如本實(shí)驗(yàn)用的苯甲酸），放在量熱計(jì)中燃燒，測(cè)其始、末溫度，經(jīng)雷諾校正后，按式(3-6)即可求出C。樣品完全燃燒是實(shí)驗(yàn)成功的第一關(guān)鍵，為此氧彈充以1.01.5Mpa的高壓氧，因此要求氧彈密封耐壓、耐腐蝕。同時(shí)，為燃燒完全，避免充氧時(shí)樣品散開(kāi)，粉末狀樣品必須壓成片狀。第二關(guān)鍵是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。為了減少卡計(jì)與環(huán)境的熱交換，卡計(jì)放在一個(gè)水恒溫的套殼中，故稱外殼恒

6、溫卡計(jì)。另外卡計(jì)壁高度拋光也是為了減少輻射。雖然采取了多種措施，但熱漏還是無(wú)法完全避免，因此，燃燒前后溫度的變化值還是不能直接精確測(cè)出來(lái)，必須經(jīng)過(guò)雷諾作圖法或計(jì)算法校正。本實(shí)驗(yàn)用精密數(shù)字式貝克曼溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度差。【儀器和試劑】外槽恒溫式氧彈卡計(jì)（1個(gè)），氧氣鋼瓶（1瓶），壓片機(jī)（2臺(tái)），數(shù)字式貝克曼溫度計(jì)（1臺(tái)），0100溫度計(jì)（1支），萬(wàn)用電表（1個(gè)），扳手（1把）；萘（A.R），苯甲酸（A.R），點(diǎn)火絲（鐵絲）（約10cm長(zhǎng)）?！緦?shí)驗(yàn)步驟】(1)測(cè)定氧彈卡計(jì)和水的總熱容C樣品壓片 壓片前，線檢查壓片用模子，若發(fā)現(xiàn)壓模有鐵銹、油污和塵土等，必須擦凈后才能進(jìn)行壓片。用臺(tái)秤稱取約0.8g左右的

7、苯甲酸，壓好樣品，再用分析天平分別準(zhǔn)確稱取一段10cm長(zhǎng)得點(diǎn)火絲和棉線，再用棉線將點(diǎn)火絲綁在樣品（不能有粉末）上，然后在分析天平上準(zhǔn)確稱重。裝置氧彈、充氧氣 將綁好點(diǎn)火絲的苯甲酸樣品放在氧彈卡計(jì)的燃燒皿中，壓片應(yīng)盡量進(jìn)入燃燒皿（切忌把壓片懸掛于燃燒皿上方），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(wàn)能電表檢查電機(jī)是否通路。連接好氧氣瓶和氧氣減壓閥表，并用銅導(dǎo)管（高壓管）將減壓表與氧彈進(jìn)氣管相連接，打開(kāi)氧氣瓶上端閥門，此時(shí)減壓閥表中指針旋轉(zhuǎn)所指示的壓力即為氧氣瓶中氧氣總壓力，然后略微旋緊減壓閥（即打開(kāi)），使減壓表上另一表盤的指針壓力讀數(shù)約為10kg/cm2 1MPa。隨即放

8、松（即關(guān)閉）減壓閥。按動(dòng)充氧裝置的手柄，使充氧儀上壓力表的指針為10MPa，保持?jǐn)?shù)秒，此時(shí)氧彈已充有約10Mpa的氧氣，為了排除氧彈內(nèi)的空氣，應(yīng)反復(fù)充放兩三次。取下氧彈。關(guān)閉氧氣瓶上的閥門，打開(kāi)減壓閥，放掉管邊和氧氣表中的余氣。燃燒溫度的測(cè)量 將充好氧氣的氧彈再用萬(wàn)用表來(lái)檢查是否通路。若通路則可將氧彈放入卡計(jì)的水桶內(nèi)，用量筒準(zhǔn)確量取自來(lái)水3000mL倒入水桶內(nèi)，裝好攪拌軸（葉片不能碰壁)。蓋上蓋子，將貝克曼溫度計(jì)探頭插入水中。插到桶中氧彈一半深度的位置，此時(shí)用普通溫度計(jì)讀出水外筒水溫和銅水桶內(nèi)的水溫。氧彈兩電極用電線連接在點(diǎn)火器上，然后開(kāi)動(dòng)攪拌馬達(dá)，待溫度穩(wěn)定上升后，每隔半分鐘讀取貝克曼溫度計(jì)

9、一次，這樣連續(xù)記錄5min，得到燃燒前期的溫度。此刻迅速按下點(diǎn)火器上點(diǎn)火鍵通電點(diǎn)火。判斷點(diǎn)火是否成功有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：一是點(diǎn)火器電流表指針是否先發(fā)生偏轉(zhuǎn)（表示已通電）后又迅速回零（表示點(diǎn)火絲已燃斷）；二是溫度在1min內(nèi)是否迅速上升。否則需打開(kāi)氧彈檢查原因。自按下點(diǎn)火鍵點(diǎn)火后，讀數(shù)仍0.5min記錄一次，直到溫度出現(xiàn)最高點(diǎn)（或溫度基本維持不變），此階段的溫度作為燃燒期間的溫度；當(dāng)溫度升到最高點(diǎn)并開(kāi)始下降后仍繼續(xù)記錄5min作為燃燒結(jié)束后期溫度，方可停止實(shí)驗(yàn)。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(kāi)氧彈蓋，檢查樣品燃燒結(jié)果，若氧彈有許多黑色的殘?jiān)?，表示燃燒不完全，?shí)驗(yàn)失

10、敗。燃燒完全的，燃燒后剩下的鐵絲取出稱其重量（或事先稱出每厘米鐵絲重量，用量長(zhǎng)度的辦法計(jì)算重量）。自點(diǎn)火絲重量中減去未燃燒鐵絲重量再計(jì)算。倒去銅水桶的水并用毛巾擦干待下次實(shí)驗(yàn)用。用同樣方法，再用苯甲酸進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，求平均值。(2)萘然燒熱的測(cè)定稱取0.5g左右的萘兩份，同上實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行兩次，求平均值。最后倒去自來(lái)水，擦干銅水桶待下次實(shí)驗(yàn)用?！緮?shù)據(jù)處理】用圖解法求出苯甲酸燃燒引起卡計(jì)溫度變化的差值T，計(jì)算卡計(jì)的熱容C，并求出兩次實(shí)驗(yàn)所得水當(dāng)量的平均值。用圖解法求出萘燃燒引起卡計(jì)溫度變化的差值T，計(jì)算萘的恒容摩爾燃燒熱QV,m（兩次實(shí)驗(yàn)的平均值）。由恒容摩爾燃燒熱QV,m求恒壓摩爾燃燒熱Qp,m、

11、（即cHm）。由基爾霍夫定律將cHm(T)換成cHm(298. 15K)，并與文獻(xiàn)值比較所需數(shù)據(jù)自行查表，此處認(rèn)為壓力始終為1atm (Pa)?！緦?shí)驗(yàn)評(píng)注與拓展】本實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵：保證樣品完全燃燒，是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵之一，為此，樣品壓片須力度適中；氧彈點(diǎn)火要迅速而果斷，點(diǎn)火絲與電極要接觸良好，防止松動(dòng)；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；在測(cè)定過(guò)程中，應(yīng)該避免卡計(jì)周圍的溫度大幅度波動(dòng)。量熱法是物理化學(xué)中一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，主要用來(lái)測(cè)定反應(yīng)的熱效應(yīng)（包括燃燒熱、物質(zhì)生成熱、中和熱、反應(yīng)熱等）、相變熱和熱容等。它能定性檢測(cè)放熱或吸熱過(guò)程的存在，定量測(cè)定這些過(guò)程的進(jìn)行程度；用來(lái)研究物質(zhì)的

12、平衡性質(zhì)；通過(guò)熱化學(xué)數(shù)據(jù)研究某些有機(jī)物的結(jié)構(gòu)等，這些數(shù)據(jù)對(duì)于熱力學(xué)和熱化學(xué)的計(jì)算是很重要的。例如：有些化合物如蔗糖等，不能從穩(wěn)定的單質(zhì)直接合成，其生成焓也就無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定，只能依靠間接方法進(jìn)行測(cè)定。對(duì)于有些容易在氧氣中燃燒的物質(zhì)（如大多數(shù)的有機(jī)物），則可以測(cè)定其燃燒熱。在燃燒產(chǎn)物生成焓都已知的情況下，利用蓋斯定律可求得該化合物的生成焓。另外，本實(shí)驗(yàn)所用氧彈卡計(jì)，除可以測(cè)定固體物質(zhì)的燃燒熱外，也可以測(cè)定液體物質(zhì)的燃燒熱；不僅限于物質(zhì)在氧中的燃燒，也可充以其他氣體，如充氯氣研究物質(zhì)氯化反應(yīng)的熱效應(yīng)。【提問(wèn)與思考】 什么是燃燒熱？它在化學(xué)計(jì)算中有何應(yīng)用？ 答：燃燒熱是指在一定壓力、溫度下，某物

13、質(zhì)完全氧化成相同溫度的指定產(chǎn)物時(shí)的焓變。在化學(xué)計(jì)算中，它可以用來(lái)求算化學(xué)反應(yīng)的焓變以及生成焓。測(cè)量燃燒熱兩個(gè)關(guān)鍵要求是什么？如何保證達(dá)到這兩個(gè)要求？答：A.樣品完全燃燒，所以樣品的量不能太多，壓片不能太緊也不能太松。 B.量熱計(jì)完全絕熱，事實(shí)上不可能實(shí)現(xiàn)，因此需要經(jīng)過(guò)合雷諾校正得到準(zhǔn)確的溫差變化。實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的溫度差值為何要經(jīng)過(guò)雷諾作圖法校正，還有哪些誤差來(lái)源會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果？答：因?yàn)橐ＷC實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性須保證量熱計(jì)完全絕熱，但這是不可能的，系統(tǒng)和環(huán)境間或多或少會(huì)存在熱交換，因此燃燒前后溫度的變化不能直接用測(cè)到的燃燒前后的溫度差來(lái)計(jì)算，必須經(jīng)過(guò)合理的雷諾校正才能得到準(zhǔn)確的溫差變化。其他誤差來(lái)源：樣品是否充分燃燒。在本實(shí)驗(yàn)中，哪些是系統(tǒng)？哪些是環(huán)境？系統(tǒng)和環(huán)境間有無(wú)熱交換？這些熱交換對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？如何校正？答：盛水桶內(nèi)部物質(zhì)及空間為系統(tǒng)，除盛水桶內(nèi)部物質(zhì)及空間的熱量計(jì)其余部