恒温氧弹量热计对萘的燃烧热测定实验报告

恒温氧弹量热计对萘的燃烧热测定

 PB09206XXX

化学物理系

摘要：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。先用苯甲酸标定量热计的热容，通过雷诺校正图的方法校正过程的温度变

化，以获得同绝热系统相近的测量效果，然后用相同的方法进行萘的燃烧测定。得出萘的燃烧热的值。

Abstract：Inthis experiment, we measured the combustion heat of Albocarbon at a constant volume by using Oxygen-bomb calorimeter and then calculated the combustion heat at a constant pressure. We use the Benzoic acid the standard substance at the process of the experience firstly,  then we can calculated the heat capacity of the whole instrument. Through the same process of Renault correct figure we can measure the temperature variance to simulate a perfect insulator-system in the actual system. After that, we got the albocarbon’s combustion heat at a constant volume.

关键词：氧弹量热计， 雷诺校正法， 苯甲酸标定，萘， 燃烧热

实验部分：

实验前言与原理：

    燃烧热的定义是：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。如C经燃烧反应后，变成CO,不能认为是完全燃烧。只有在变成CO2时,方可认为是完全燃烧。同时还必须指出，反应物和生成物在指定的温度下都属于标准态。如苯甲酸在298.15K时的燃烧反应过程为：

                C6H5COOH(固)+O2(气)=7CO2(气)+3H2O(液)

由热力学第一定律，恒容过程的热效应QV，即DU。恒压过程的热效应QP，即DH。它们之间的相互关系如下：

                QP=QV+Dn(RT)                                4……(1)

或                  DH=DU+Dn(RT)                                4……(2)

其中Dn为反前后气态物质的物质的量之差。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DH。

    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DrCP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个左右大气压的纯氧。这一装置的构造将在下面做详细介绍。

    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 J·g-1。实验中将苯甲酸压片准确称量并扣除Cu-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(本实验为3000毫升水)等所吸收，得到温度的变化为DT，所以氧弹卡计的热容为：

              C卡                      4……(4)

式中：m为苯甲酸的质量(准确到1´10-5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（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1mL0.1 mol·dm-3的NaOH所相当的热量(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4-(4)求出欲测物质的恒容燃烧热QV，即：

        QV(待测)=(C卡DT-2.9l)/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DH。

实验处理方法用雷诺作图法校正DT：

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。而用雷诺作图法进行温度校正，能较好地解决这一问题。

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DT。图中AA′为开始燃烧到温度升至室温这一段时间Dt1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Dt2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。

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。

仪器与试剂：

氧弹量热计              1套，        压片机              1台，

温差测定仪              1台，        调压变压器          2个，

拨动开关                1只，        氧气钢瓶(需大于80Kg压力)

氧气减压器              1个，        万用表              1个

充氧导管                1个，        Cu-Ni合金丝         若干

扳手                    1把，        容量瓶(1000mL  1只，2000mL  1只)、

苯甲酸(分析纯)                        萘(分析纯)

实验步骤：

    2、量热计水当量的测定(求C卡)

    (1) 样品压片：压片前先检查压片用钢模是否干净，否则应进行清洗并使其干燥，用台秤称0.8g苯甲酸，并用直尺准确量取长度为20cm左右的细Cu-Ni合金丝一根，准确称量并把其双折后在中间位置打环，置于压片机的底板压模上，装入压片机内，倒入预先粗称的苯甲酸样品，使样品粉末将合金丝环浸埋，用压片机螺杆徐徐旋紧，稍用力使样品压牢(注意用力均匀适中，压力太大易使合金丝压断，压力太小样品疏松，不易燃烧完全)，抽去模底的托板后，继续向下压，用干净滤纸接住样品，弹去周围的粉末，将样品置于称量瓶中，在分析天平上用减量法准确称量后供燃烧使用。

(2)       装置氧弹：拧开氧弹盖，将氧弹内壁擦干净，特别是电极下端的不锈钢接线柱更应擦干净。在氧弹中加1毫升蒸馏水。将样品片上的合金丝小心地绑牢于氧弹中两根电极8与10上(见图4-4氧弹剖面图)。旋紧氧弹盖，用万用电表检查两电极是否通路。若通路，则旋紧出气口5后即可充氧气。按图4-5所示，连接氧气钢瓶和氧气表，并

图4-5  氧弹充气示意图

将氧气表头的导管与氧弹的进气管接通，此时减压阀门2应逆时针旋松(即关紧)，打开氧气钢瓶上端氧气出口阀门1（总阀）观察表一的指示是否符合要求（至少在4MPa），然后缓缓旋紧减压阀门2(即渐渐打开)，使表2指针指在表压2MPa，氧气充入氧弹中。1-2min后旋松(即关闭)减压阀门2，关闭阀门1，再松开导气管，氧弹已充入约2MPa的氧气，可供燃烧之用。但是阀门2至阀门1之间尚有余气，因此要旋紧减压阀门2以放掉余气，再旋松阀门2，使钢瓶和氧气表头复原。(氧气减压器的使用见附录,必须认真学习)

    3、燃烧和测量温差：

按图将氧弹卡计及内筒，搅拌器装配好。

(1) 用1/10的水银温度计准确测量量热计恒温水套A（外套）的实际温度。

(2) 打开温差测定仪，让其预热，并将测温探头插入外套测温口中。

(3)       在水盆中放入自来水（约4000mL），用1/10的水银温度计测量水盆里的自来水温度，用加冰或加热水的方法调节水温低于外套温度1.5－2.0℃。

(4)       把充好氧气的氧弹放入已事先擦洗干净的内筒C中。用容量瓶准确量取3000ml已调好温度的水，置于内筒C中。

(5)       检查点火开关是否置于“关”的位置，插上点火电极，盖上绝热胶木板。

(6)       开启搅拌马达，调节温差测定仪设定旋纽，使温差测定仪上指示为1.000，此时对应的实际温度为外套温度。

(7)       迅速把测温探头置于内筒C上端的测温口中，观察温差测定仪的读数，一般应在0.000-0.500之间（太低或太高都要重新调节水温，以保证外套水温在燃烧升温曲线的中间位置）。报时器每半分钟响一次，响时即记录温差测定仪上温度的读数，至少读5-10min。

(8)       插好点火电源，将点火开关置于“开”的位置并立即拨回“关”的位置。在几十秒内温差测定仪的读数骤然升高，继续读取读数，直至读数平稳（约25个数，每半分钟一次。如果在1-2分钟内，温差测定仪的读数没有太大的变化，表示样品没有燃烧，这时应仔细检查，请教老师后再进行处理）。停止记录，拔掉点火电源。

取出氧弹，打开放气阀，排出废气，旋开氧弹盖，观察燃烧是否完全，如有黑色残渣，则证明燃烧不完全,实验需重新进行。如燃烧完全，量取剩余的铁丝长度，根据公式4-(4)计算C卡的值。如需精确测量，还需在装置氧弹时加1mL蒸馏水于氧弹内，燃烧后将弹体用蒸馏水清洗，用0.1 mol·dm-3NaOH滴定之。

4、萘恒容燃烧热的测定：

称取0.6克的萘，按上述操作步骤，压片、称重、燃烧等实验操作重复一次。测量萘的恒容燃烧热QV，并根据公式4-(1)计算QP，即为DH，并与手册作比较,计算实验的相对误差。

七、实验注意事项：

1、 压片时应将Cu-Ni合金丝压入片内。

2、 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。

3、  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。

4、  氧弹充氧的操作过程中，人应站在侧面，以免意外情况下弹盖或阀门向上冲出，发生危险。

3.结果与讨论

3.1 实验结果

氧弹卡计的热容为：14377.2 J/g

萘的恒容摩尔燃烧热 = -5102.9KJ/mol ；

萘的恒压摩尔燃烧热 = -5097.9KJ/mol 。

3.2 结果分析

1）与文献值比对

查找相关文献得知萘的恒压燃烧热为-5153.9kJ/mol。

绝对误差：5097.9-5153.9=-56 kJ/mol

相对误差：56/5153.9=1.09%

2）误差分析

①     本实验实际为非绝热体系，我们只是尽量让热散失与热吸收的量相等。但实际操作中，由于燃烧物质量因素，造成了燃烧升温不足或略高，使得体系有了一定的净吸热或放热。最终燃烧后的体系温度比理想绝热条件下的温度高或低，从而影响了最后的结果。

②     尽管雷诺图进行了温差的修正，但仍然无法完全使测量情况与绝热环境一致，且绘图本身也存在着误差。燃烧升温测量过程中，难免测量的3000ml水与体系外有热交换，导致了温度测量的不准确。

③     在调节3000ml水温度时，需要大量使用移液管，导致水有溅出，压片称量后在安装固定过程中难免有少量颗粒脱落，这些因素都会对结果产生影响。

实验感想与心得体会

首先就调节水温而言，1.一开始低于绝对温度1度左右将水转移进入桶中，实际发现这样操作并不是十分理想。由于实验开始的温度是-0.8度点火温度为-0.75左右。2.由于加入水之前可能由于水未搅拌均匀，在打开搅拌器后水温往往会有正负0.5度左右的波动。于是就需要通过移液管来调节温度。这一步骤是实验中最浪费时间的，而且多次的移液往往会带来误差。

因此我在实验中发现最好多配些满足条件的水（即温度为-1度左右的水 先将容量瓶和氧弹装置的水槽洗下，减少温度差，再移液，从而减少调温的时间

另一方面点火问题上一定要在实验前测量回路保证通路，否则会点火失败。我在第二步测量萘的温度曲线时便是由于忘记此步骤，而导致重新点火。

热是一个很难直接准确测定的物理量，而在本实验采用比较容易准确测量的温度来代替燃烧热，这种转化的方法在物理化学实验中是一种比较常用的方法，我们应该理解这种思想并能将其灵活运用到其他实验中。

参考文献：

[1] 崔献英,柯燕雄,单绍纯.物理化学实验[M].中国科技大学出版社,2000: 29~32.

附：实验数据处理

1.数据记录

        仪器药品参数

Cu-Ni合金丝的密度：0.9983mg/cm

苯甲酸的恒容燃烧热：26.460 kJ/g

萘的M:128.18

        实验数据

苯甲酸：

萘：

标定物质苯甲酸的 温度时间曲线

萘的 温度与时间曲线

由图可得：

ΔT1=0.8458-(-0.7506) =1.5964℃

ΔT2=1.0465- (-0.7605) =1.8070℃

            计算氧弹卡计的热容

Cu-Ni合金丝燃烧掉的质量：Δm=0.0210-0.0168=0.0042g

反应过程中Cu-Ni合金丝燃烧的长度：l=Δm/ρ=0.0042*1000/0.9983=4.2070cm

苯甲酸质量：m =0.888-0.0210=0.867g

可以标定得到C卡=Q / ΔT ≈ (m Qv +2.9l) / ΔT=(0.867*26460+2.9*4.2070)/ 1.5964=14377.2J/k

            计算萘的恒容和恒压燃烧热

Cu-Ni合金丝燃烧掉的质量：Δm=0.0210-0.0169=0.0041g

反应过程中Cu-Ni合金丝燃烧的长度：l=Δm/ρ=0.0041*1000/0.9983=4.1070cm

苯甲酸质量：m =0.6650-0.0210=0.6440g

萘的恒容燃烧热QV=(C卡ΔT-2.9l)/m×M=（14377.2*1.8070-2.9*4.1070）/0.6640*128.18

=5012.859KJ/mol

萘的燃烧反应式C10H8 (s) +12O2 (g) ®10CO2 (g) + 4H2O( l)得：Dn= -2

萘的恒压燃烧热QP=QV+DnRT=5102859-2*8.314*(25+273.15)= 5097.9KJ/mol

 

第二篇：氧弹量热力计测定物质的燃烧热 毛锦平

文本框: 成绩：学号：201014370128

 

基础物理化学实验报告

   实验名称：氧弹量热力计测定物质的燃烧热

     应化师范      班级 2 组号

实验人姓名：毛锦平 

同组人姓名：刘兴旺刘奇玲     

指导老师：   李强国老师         

实验日期：  2012.9.27

湘南学院化学与生命科学系

一、   实验目的： 

1. 了解氧弹式量热计的原理、构造和使用方法，掌握燃烧热的测定技术。

2. 学会调整贝克曼温度计。

3. 学会雷诺图解法，校正温度改变值。                                                          

二、   主要实验原理，实验所用定律、公式以及有关文献数据：

 1摩尔物质完全氧化时的反应热称为燃烧热。所谓完全氧化是指C变为CO2(气)，H变为H2O(液)，S变为SO2(气)，N变为N2(气)，如银等金属都变成为游离状态。

例如：在25℃、1.01325×105Pa下苯甲酸的燃烧热为-3226.9kJ/mol，反应方程式为：

 对于有机化合物，通常利用燃烧热的基本数据求算反应热。燃烧热可在恒容或恒压条件下测定，由热力学第一定律可知：在不做非膨胀功的情况下，恒容燃烧热，恒压燃烧热。在体积恒定的氧弹式量热计中测得的燃烧热为QV，而通常从手册上查得的数据为Qp，这两者可按下列公式进行换算

                   （2-1）

         式中，Δn(g)——反应前后生成物和反应物中气体的物质的量之差；

      R——气体常数；

      T——反应温度，用绝对温度表示。

通常测定物质的燃烧热，是用氧弹量热计，测量的基本原理是能量守恒定律。一定量被测物质样品在氧弹中完全燃烧时，所释放的热 量使氧弹本身及其周围的介质和量热计有关附件的温度升高，测量介质在燃烧前后温度的变化值，就能计算出该样品的燃烧热。

       （2-2）

式中，，M——分别为样品的质量和摩尔质量；

QV——为样品的恒容燃烧热；

,——引燃用的铁丝的质量和单位质量的燃烧热（）；

 ——分别为水的比热容和水的质量；

——是量热计的总热容（氧弹、水桶每升高1K，所需的总热量）；

——即，为样品燃烧前后水温的变化值。

若每次实验时水量相等，对同一台仪器不变，则（）可视为定值K，称为量热计的水当量。

水当量K的求法是：用已知燃烧热的物质（本实验用苯甲酸）放在量热计中燃烧，测其始末温度，求出，便可据式2-2求出K。

                             

三、实验仪器及试剂（记录所用仪器型号、药品规格和溶液浓度）

 1.仪器

SHR-15氧弹量热计1台；SWC-ⅡD精密温度温差仪1台；压片机 1台；充氧器1台；氧气钢瓶1个。部分实验仪器如图2.1和图2.2所示。

                 燃烧热

 图2.1 氧弹量热计安装图

2.药品

铁丝；苯甲酸(标准物质)；萘（AR）。

四、简述实验步骤

1.萘的燃烧热测定

⑴ 压片：用台秤称取大约0.6g萘，用分析天平准确称量燃烧丝质量，将已精确称量的燃烧丝穿在压片机钢模的底板内，然后将钢模底板装进模子中，从上面倒入称好的萘样品，在压片机上压成圆片。将萘圆片在干净的玻璃扳上轻击二三次，再用分析天平精确称量。

44444 ⑵ 装氧弹：把氧弹的弹头放在弹头架上，将样品萘放入坩锅内，把坩锅放在燃烧架上。然后将燃烧丝两端分别固定在弹头中的两根电极上。在弹杯中注入10ml水，把弹头放入弹杯中，用手拧紧。

⑶ 充氧：使用高压钢瓶必须严格遵守操作规则。开始先充入少量氧气

（约0.5MPa），然后开启出口，借以赶出弹中空气。再充入约1.5～2MPa的氧气。

⑷ 调节水温：将量热计外筒内注满水，缓慢搅动。打开精密温度温差仪的电源并将其传感器插入外筒水中测其温度。再用桶取适量自来水，测其温度，并调节水温使其低于外筒水温1度左右。用容量瓶精确量取3000ml已调节的自来水注入内筒，水面刚好盖过氧弹。如氧弹有气泡逸出，说明氧弹漏气，寻找原因并排除。将电极插头插在氧弹两电极上，电极线嵌入桶盖的槽中，盖上盖子（搅拌器不要与弹头相碰）。将两电极插入点火控制箱。同时将传感器插入内筒水中。

⑸ 点火：打开SHR-15氧弹式量热计的电源，开启搅拌开关，进行搅拌。水温基本稳定后，将温差仪“采零”并“锁定”。然后将传感器取出放入外筒水中，记录其温差值，再将传感器插入内筒水中。每隔1分钟读水温一次（精确至±0.002℃），直至连续10次水温有规律微小变化。设置蜂鸣15秒一次，按下“点火”按钮，“点火灯”熄灭。杯内样品一经燃烧，水温很快上升，点火成功（若水温没有上升，说明点火失败，应关闭电源，取出氧弹，放出氧气，仔细检查加热丝及连接线，找出原因并排除）。每15秒记录一次，当温度升至每分钟上升小于0.002℃，每隔1分钟读一次温度，连续读10个点，实验结束。实验停止后，将传感器放入外筒。

⑹ 校验：实验停止后，关闭电源，将传感器放入外筒。取出氧弹，放出氧弹内的余气。旋下氧弹盖，称量燃烧后残丝质量以计算铁丝实际燃烧质量并检查样品燃烧情况。最后擦干氧弹和盛水桶。若样品未完全燃烧，实验失败，须重做。

2.量热计的水当量的测定

以苯甲酸标准物质代替样品萘，按测定萘燃烧热的相同方法测定苯甲酸燃烧前后的温度变化值，用式2-2计算量热计的水当量。

五、实验数据及数据处理

1.原始数据

（一）、体系热容量K的计算

苯甲酸的热值(J/g):-26460.00

苯甲酸的质量(g):0.6126

燃烧丝的热值(J/g):-3242

燃烧丝消耗质量(g):0.0072

温差校正△t(℃):1.2126

体系热容量K(J/℃):

（二）、待测样品反应热的计算

样品名称:萘

样品质量(g):0.6492

燃烧丝的热值(J/g):-3242

燃烧丝消耗质量(g):0.0055

样品反应前后气体的摩尔数之差:2

室温(℃):24

温差校正△t(℃):2.1209

恒容燃烧热值Qv(J/g):

恒压燃烧热值Qp(J/g):

2.计算量热计的水当量，已知苯甲酸的烧燃焓为。

求出萘的燃烧热QV和。

解：由W丝Q丝+W样品QＶ/Ｍ=K?T；其中K为C水W水+C总

     代入苯甲酸数据有

     0.0027×3242+0.6126×26460÷122= 1.2126K

            K=116.79

       利用已求出的K，计算萘的萘的燃烧热QV和

代入萘的数据有

      0.0055×3242+0.6492× QＶ÷128.12=116.79×2.1209

     则  QＶ=45365.88 J·

由计算标准萘的，恒压燃烧热QP=

             

        =(-45365.88-2×8.314×300.15×10-3)=-45370.87 J·=5815.64KJ／mol

萘C10H8（s）的（101.325KPa,298K)文献值为-5153.9KJ/mol

则相对误差

Ｅr=﹙Qp－Qp文﹚/Qp文={[-5815.64-(-5153.9)]/(-5153.9)}×100%

=12.84%

六、讨论

1 实验注意事项

(1).样品压片不可太紧，否则，燃烧不充分。

(2).装氧弹时，燃烧丝不能与坩埚壁有接触。

(3).点火前和达到最高温度点后要保证足够的测温时间，取足测量数据。

(4).实验停止后，一定要称取未燃烧完的残余点火丝的质量。

2.思考题

1).在使用氧气钢瓶及氧气减压阀时，应注意哪些规则？

答：（1）氧气减压阀应严禁接触油脂，以免发生火警事故。

(2)停止工作时，应将减压阀中余气放净，然后拧松调节螺杆以免弹性元件长久受压变形。
　　    (3)减压阀应避免撞击振动，不可与腐蚀性物质相接触。

2).为什么实验测量得到的温度差值要经过作图法校正？

答：由于存在热漏现象以及搅拌机功率过大引进的热量，所以要用雷诺图解校正法对实验数据进行处理。这样才能真实地代表被测样品燃烧热引起卡计温度升高的数值△T。

3.实验总结

这次实验中，需要特别小心，特别是做压片和把样品放到燃烧匙时，一定要注意，保证实验规范，同时要注意苯甲酸和萘的压片制作燃烧热等的相关要求。

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