萘的燃烧热的测定讲解

萘的燃烧热的测定中国科学技术大学材料科学系摘要本实验利用氧弹卡计测量萘的燃烧热。先使 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 物质苯甲酸在恒温氧弹量热计中完全燃烧，将测得的结果用雷诺图法校正温度后算出恒温氧弹量热计的热容，然后让萘在相同的恒温氧弹量热计中完全燃烧，测得萘完全燃烧时的恒容燃烧热，从而求出萘的恒压燃烧热。关键词氧弹卡计燃烧热雷诺校正图萘标准物质法序言燃烧热是一摩尔的物质完全燃烧时所放出的热量。所谓完全燃烧，即组成反应物的各元素,在经过燃烧反应后，必须呈显本元素的最高化合价。燃烧热分为恒容燃烧热和恒压燃烧热，由于化学反应通常在恒压的条件下进行，故实际中恒压燃烧热比恒容燃烧热更具实用价值。然而在实验中，恒压的条件却比恒容的条件难于控制，故通常采用先测定恒容燃烧热，再根据热力学第一定律Qp=Qv+△n(RT)换算为恒压燃烧热。另外，直接测量热实际上是几乎不可能的，热量的传递往往表现为温度的改变，故实际中往往采用测量温差的办法来间接测量热。本实验氧弹卡计就是利用温差测出物质的恒容燃烧热。实验部分(一)实验原理由热力学第一定律，恒容过程的热效应Qv，即ΔU。恒压过程的热效应Qp，即ΔH的相互关系为：QP=QV+n（RT）（4-1）或H=U+n（RT）（4-2）其中Δn为反应前后气态物质的量之差；R为气体常数；T为反应的绝对温度。本实验通过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ΔH。在计算萘的恒压燃烧热时，应注意其数值的大小与实验的温度有关，其关系式为4-3)式中的ΔrCp是反应前后的恒压热容之差，它是温度的函数。一般说来，反应的热效应随温度的变化不是很大，在较小的温度范围内，我们可以认为它是一常数。热是一个很难测定的物理量，热量的传递往往表现为温度的改变。而温度却很容易测量。如果有一种仪器，已知它每升高一度所需的热量，那么，我们就可在这种仪器中进行燃烧反应，只要观察到所升高的温度就可知燃烧放出的热量。根据这一热量我们便可求出物质的燃烧热。在实验中我们所用的恒温氧弹量热计（恒温氧弹卡计）就是这样一种仪器。为了测得恒容燃烧热，我们将反应置于一个恒容的氧弹中，为了燃烧完全，在氧弹内充入20左右个大气压的纯氧。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26480J·g-1。实验中将苯甲酸压片准确称量并扣除铁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。铁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（本实验为3000mL水）等所吸收，得到温度的变化为ΔT，所以氧弹卡计的热容为4-4)QmQV2.9l5.98VC卡TT式中m为苯甲酸的质量（准确到1×10-5g）；l为燃烧掉的铁丝的长度（cm）；2.9为每厘米铁丝燃烧放出的热量单位（J·cm-1）；V为滴定燃烧后氧弹内的洗涤液所用的0.1mol·dm-3的NaOH溶液的体积；5.98为消耗1mL0.lmol·dm-3的NaOH所相当的热量（单位为J）。由于此项结果对Qv影响甚微，所以常省去不做。确定了仪器（含3000mL水）热容，便可根据公式（4-4）求出欲测物质的恒容燃烧热Qv，即QVC卡ΔT-2.9*l/m待测物质的质量×M（4-5）然后根据公式（4-1）求得该物质的恒压燃烧热Qp，即ΔH。（二）用雷诺作图法校正ΔT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ΔT。而用雷诺做图法进行温度校正，能较好地解决这一问题。图4-1绝热较差时的雷诺校正图图4-2绝热良好的雷诺校正图将燃烧前后所观察到的水温对时间做图，可连成FHIDG折线，如图4-1和图4-2所示。图4-1中H相当于开始燃烧之点。D为观察到的最高温度。在温度为室温处做平行于时间轴的JI线。它交折线FHIDG于I点，过I点做垂直于时间轴的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。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。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。必须注意，应用这种做图法进行校正时，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°C～3°C），否则会引入大的误差。二）实验仪器及药品HR-15B型氧弹式量热计1套南京大学应用物理研究所BH-HS型燃烧热数据采集接口装置1台南京大学应用物理研究所压片机1台氧气钢瓶（需大于80kg压力）万用表1个容量瓶（1000mL1只，2000mL1只）苯甲酸 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 纯）萘（分析纯）点火用Cu-Ni合金丝若干三）实验步骤测量铜-镍合金丝长度（或称重）—→②样品装模压片—→③称重—→④用万用表测量空氧弹中两个电极的导通情况（应该为开路）—→⑤安装氧弹—→⑥用万用表测量氧弹两极导通情况（应该为短路）—→⑦充氧—→⑧用万用表测量氧弹两极导通情况（应该为短路）—→⑨将氧弹放入内桶C中—→⑩在内桶C中加入3000ml自来水—→⑾接上电极导线、搅拌用的弹簧，盖上盖板—→开动搅拌—→⑿将温差计探头放入外套水浴中，数字显示稳定后按“置零”按钮使读数显示为“0.000”，然后取出再从盖板孔插入到内桶C的水中（在氧弹与桶之间）—→⒀用电吹风加热或等体积换冰水等方法调节温差仪的数字显示为～“-0.850”—→⒁等待，当温差计显示数字大约为“-0.800”时开始记录温差数据，启动计算机中“桌面”上用于进行“燃烧热测定”的应用程序“温差仪.exe”，安照MS-DOS的要求输入含有八个字符的文件名（例如：wang-nai.dat或wang-ben.dat）。根据计算机屏幕上的提示操作后计算机会自动采集实验数据，—→⒂当温差计显示数字大约为“-0.750”时，立刻点火，继续采集数据大约20分钟—→⒃然后安下【ESC】键，结束该样品的数据采集—→⒄卸开装置，打开氧弹检查样品是否完全燃烧，测量残余在两个电极上的铜-镍合金丝长度（或称重）—→⒅用Origin软件打开该数据文件，进行数据处理后得到所需要的数据。结果与讨论：实验结果仪器比热为3C卡=0.8072*26.46*102.9*6.61=15054.70225.82J·K-11.42萘的燃烧热为ΔHc（290.10K）=5123.64110.46kJ·mol-1文献值cHm（298.15K）=5153.8kJmol1在实验温度范围内假设其不随温度的变化而改变。所以绝对误差为|ΔHC-cHm|=|5123.6-5153.8|=30.2kJmol1因为30.2kJmol1<110.46kJ·mol-1=ΔQp所以实验所得到的萘的燃烧热在误差允许的范围内。（详细计算过程请参见附件）讨论实验中压好片后应先抖动一下再称量，防止在后续操作中片上的粉粒落下，导致实际燃烧样品减少；萘为易挥发性物质，压片称量后应该迅速放入氧弹中，以免因挥发而损失过多的质量，给实验带来误差，使实验结果偏大；在充氧气时一定要充足够的时间，以免氧气不足而导致燃烧不完全。同时也应注意实验安全，开阀门及调压时，人不要站在钢瓶出气口处，头不要在瓶头之上，而应在瓶之侧面，以保人身安全；燃烧后可以看到氧弹内部有少量的液体，同时还有一些黑色的金属小球，它是Cu-Ni合金的氧化物，它的出现为实验带来了误差：若是不称量其质量，即称得的剩余质量偏小，金属丝完全燃烧反应的长度偏大，导致最终的结果偏大；反之，若是计算了它的质量，则使得剩余质量偏大，导致最终的结果偏小，而且它引起的误差会更大，可能会使完全燃烧后金属丝的质量反而大于燃烧前金属丝的质量，所以在实验中选择不计算燃烧后残余氧化金属球的质量。从附录中的雷诺校正图中可以看出，实验中体系从外部吸热与放热并不能相抵消，说明体系未达到所预期的近似绝热状态。由图中可以看出体系向环境的放热量要大于环境对体系的传热量（看雷诺校正图中JI上部和下部的面积），所以总的来说计算出来的萘的燃烧热还应该加上多放出去的热量损失，导致最后的结果偏小，而未能达到理想绝热过程也是导致最终误差的主要因素。由实验结果可以看出来，恒压燃烧热与恒容燃烧热之间并不相等，所以萘的燃烧热与反应进行的条件有关，猜想可能与反应时的压强，温度以及氧气的量有关，但还需进一步的实验来验证。实验结果与文献值接近，此次实验比较成功。结论热是一种很难测定的物理量，它是温度的函数，实验中我们可以根据温度随时间的变化来测定某一反应的反应热。本实验中利用苯甲酸作为标准物质利用氧弹卡计测量萘燃烧反应放出的热量，得到ΔHc（K）=-KJ·mol-1，与文献值对比，在误差允许的范围内，其中要想得到更准确的结果，除了其他的实验操作如称量，压片等，怎样得到一个理想或是接近理想的绝热体系是首要解决的问题。而且从萘的恒温和恒容燃烧热的差异我们可以推想实验条件对于反应的热效应有一定得影响。参考资料：①《物理化学上册》南京大学物理化学教研室傅献彩，沈文霞，姚天扬编2011年5月物理化学电子讲义中国科学技术大学刘光明2012年百度百科AbstractInthisexperiment,weaimtodeterminethecombustionheatofnaphthalene.Weusedbenzylacidasstandardsubstance,combusteditentirelyintheOxgeonTankCalorieMeterofConstantTemperature,figureouttheThespecificheatpermitsoftheOxgeonTankCalorieMeterofConstantTemperature.Mensuratenaphthalin'scombustionenthalpyofconstantvolumewhennapthalincombusted,figureoutnapthalin'scombustionenthalpyofconstantintensityofpressurewiththeresultoftheformerstep,combustednapthalininthesameOxgeonTankCalorieMeterofConstantTemperatureentirely,thenwecanmensuratenapthalin'scombustionenthalpyofconstant.附件：(原始数据处理)1.萘的燃烧热的测定1)氧弹的热容量的测定点火前：mCu-Ni=0.0241g1m总=31*(0.83130.83140.8312)0.8313g1完全燃烧后：m剩余=3*(0.01740.01750.0176)0.0175gm苯甲酸=m总-mCu-Ni=0.8313-0.0241=0.8072glCu-Ni=(mCu-Ni-m剩余)/ρCu-Ni=(0.0241-0.0175)*103/0.9983=6.61cm从图1中可以得到△T=1.42K则由（4-4）可得氧弹卡计的热容为C卡=30.8072*26.46*1032.9*6.61=15054.70J·K-11.422)萘的燃烧热的测定点火前：mCu-Ni=0.0247g1m总=31*(0.59730.59710.5971)0.5971g1完全燃烧后：m剩余=3*(0.01960.01970.0196)0.0196gm萘=m总-mCu-Ni=0.5973-0.0247=0.5726glCu-Ni=(mCu-Ni-m剩余)/ρCu-Ni=(0.0247-0.0196)*103/0.9983=5.11cm从图2中可以得到△T=1.52K由（4-5）（4-1）得萘的恒容燃烧热为QV15054.70×1.52-2.9×5.11÷0.5726×128.17×10-3=5118.81kJ·mol-1萘的恒压燃烧热为：Qp=QV+Δn（RT）=5118.81+2*8.314*（273.15+16.95）*10-3=5123.64kJ·mol-1∴△Hc（290.10K）=5123.64kJ·mol-12.误差计算：1﹚由误差传递计算萘的恒压燃烧热的绝对误差：a.计算氧弹卡计的热容的绝对误差△C卡Δm=0.0002(g)；Δl=0.2(cm)ΔT=1.42±0.01K；C卡=15054.70J·K-1QmQV2.9l5.98V又C卡TT(5.98V忽略不计)所以有ln(C卡)=ln(mQV+2.9l)-ln(ΔT)dC卡d(mQV2.9l)dΔTC卡mQV2.9lΔTd(mQV2.9l)mQV2.9ldΔTΔT2有误差传递得dC卡C卡所以可以得到ΔC卡=C卡dΔTΔTd(mQV2.9l)mQV2.9l2220.011.42dQVdm2m=15054.70×0.0002×26.46*1032.9*0.20.8072*26.46*1032.9*6.61=225.82J·K-1b.计算萘的恒容燃烧热的绝对误差ΔQp,同上可得误差传递公式为：2ΔTdC卡C卡dT-2.9dlC卡ΔT-2.9l且有d(Qp)=d(Qv)+d(Δn(RT))根据萘的燃烧反应方程式可知反应前后Δn=2，为定值∴d(Qp)=d(Qv)其中△T=1.52Km=0.5726gl=5.11cm由上可以计算得ΔQpQV2ΔTdC卡C卡dT-2.9dlC卡ΔT-2.9l2dmm5123.64*21.52*225.8215054.70*0.01-2.9*0.2215054.70×1.52-2.9×5.1120.000220.5726=110.46kJ·mol-1所以萘的燃烧热为ΔHc(290.10K)=5123.64110.46kJ·mol-12.2绝对误差查文献得cHm(298.15K)=5153.8kJmol1在实验温度范围内假设其不随温度的变化而改变。所以绝对误差为|ΔHC-cHm|=|5123.6-5153.8|=30.2kJmol1