化学反应焓变的测定

彭经天   刘喆

摘要：化学反应过程中，除了发生物质的变化外，常伴有能量的变化，化学反应热在化工生产上有着十分重要的意义，本文中设计了采用热量计，量筒等建议装置测定五水合硫酸铜与锌粉的反应热，结果表明：该实验方法测量反应热直观，实验易于操作，又便于观察的特点。

  关键词:焓变；反应热；测定；硫酸铜；锌。

1   实验原理

      本实验采取普通的保温杯和精密温度计作为简易量热计来测量。假设反应物在量热计中进行的化学反应是在绝热条件下进行的，即反应体系与环境不发生热传递。这样，从反应体系前后温度变化和量热器的热容及有关物质的质量和比热容等，就可以按（1）式计算出反应的热效应。

在298.15K和标准状态下，1mol锌置换出硫酸铜溶液中的铜离子，放出218.7kj的热量。Cu2+(aq)+Zn(s)==Zn2+(aq)+Cu(s)    ?rHm= —218.7kj/mol

QP=(cm+CP)??T   

c→溶液比热（J/g/k）

m→溶液的质量

Cp→热量计的热熔 

  热水失热=4.184(J/g/k)m(T2-T3)

  冷水得热=4.184(J/g/k)m(T3-T1)

  热量计得热=Cp(T3-T1)

  Cp=4.184(J/g/k)m（T2+T1-2T3)/(T3-T1)

  ?rHm （T）=-Qp?1/n

2  实验部分

2.1  试剂与仪器

      试剂：CuSO4?5H2O(S) 5.0000g；Zn(S) 3.0000g；蒸馏水；热水；

        仪器：精密温度计一支（0~50°C,分度值为0.1°C）；分析天平；

        保温杯；烧杯；量筒（50mL）；秒表；橡皮圈；吸耳球；真空泵；容量瓶（100mL）；

        大烧杯；小烧杯。

2.2   实验

2.2.1 量热计热容Cp的测定

洗净并擦干用作热量计的保温杯，量筒量取50mL冷蒸馏水，置于量热计中；用手握住保温杯摇动，每隔30秒记录一次量热计中冷水的温度，边读边记，待温度稳定后用精密温度计测定冷蒸馏水温度，记下读书为T1；再用量筒量取50mL冷蒸馏水倒入大烧杯中，向大烧杯中倒入适量热水，把小烧杯放入大少杯中进行水浴加热10-15分钟，并用精密温度计随时测量小烧杯中蒸馏水温度的变化，直至小烧杯中蒸馏水温升高至T2，取出小烧杯，迅速将所的热蒸馏水倒入量热计与冷蒸馏水混合，塞紧量热计盖子，同时迅速插入精密温度计（在精密温度与量热计孔隙处套上橡皮圈），摇动保温杯，再倒热水的同时，按动秒表每10秒记录一次，直到温度不再变化或者等速下降为止，最后测得混合温蒸馏水最高温度为T3.倒尽保温杯中水，擦干。

2.2.2  准确浓度的CuSO4溶液的配制

        在电子天平上称取约5.0000g CuSO4?5H2O放入烧杯中，加入适量的蒸馏水搅拌使其全部溶解，然后转移至100mL容量瓶钟。用少量的蒸馏水将烧杯搅拌棒淋洗3次，将淋洗液全部倒入容量瓶中，最后加入蒸馏水稀释至刻度。塞紧容量瓶瓶塞，将其反复翻转10次以上，使其中溶液充分混匀。

2.2.3   锌与硫酸铜反应摩尔焓变的测定

        （1）用电子天平准确量取5.0000g CuSO4?5H2O(S)； 

                （2）将配制好的硫酸铜溶液 全部倒入干燥，洁净的保温杯中，塞好瓶塞，调节温度及和搅拌棒的高度，，使温度计的水银球放入溶液中，但不与杯壁接触。每隔30秒记录一次热量计中冷水的温度，边读边记录，直至溶液与热量计达到平衡，温度保持恒定。

（3）将锌粉全部倒入保温杯中，盖紧杯盖，精密温度计上加上橡皮圈，同时用手抓住杯把不断轻轻晃动，使杯中溶液混合均匀。每隔30秒记录一次温度，至温度上升到最高值后再继续测2分钟。

3   结果与讨论

（1）热量计热容Cp的测定

（2）摩尔焓变的测定

     （3）数据处理

热量计热容Cp=4.184J/g/k  m(T1+T2-2T3)/(T3-T1)=60.31J

QP=(cm+CP)??T  ；  

?rHm=- QP?1/n  ；

n=1/m(m=250 CuSO4?5H2O)   ；

计算结果得：   ?rHm=205.524 kJ/mol              

实验误差  ：   百分误差=[( ?rHm实验值 -?rHm理论值）/?rHm理论值]?100％      ；

                              =1.54%

4  结论

4.1 本实验在保温杯的基础上采用锥形瓶做简易量热装置测定反应热，这是一种较为新颖的测定反应热的方法，此方法不仅操作简单，而且易于观察反应过程中的实验现象。

4.2由实验数据可知用保温杯测量得误差为1.54%偏小，实验总体来说还算较成功。

4.3实验误差分析

1．锌粉过量，多余的锌粉会吸收硫酸铜与锌反应的反应热                             ；

2. 空气，保温杯中的空气会吸收硫酸铜与锌反应的反应热                             ；                                                       3. 保温杯，无法测出保温杯的温度变化，只能近似的取溶液的温度变化 

参考文献

[1]北京师范大学，等校编，无机化学实验（第二版）【M】.北京：高等教育出版社，1987.77-81.

[2]上海化工学院，编。无机化学实验【M】北京：人民教育出版社，1979，33-34.

[3]李文藻，陈骏如，等编。无机化学实验【M】成都：四川大学出版社，1988，75-80.

[4]齐齐哈尔大学化工学院无机教研室，编写。

 

第二篇：燃烧焓的测定

                            

 沈阳化工大学

                        物理化学实验报告

实验项目：  燃烧焓的测定 

姓名  汪立忠           班级  应化优0901          学号  09060117

实验室                  指导老师                        成绩

一、实验目的

1. 掌握有关热化学实验的一半知识和技术。

2. 掌握氧弹的构造及使用方法。

3. 用氧弹式量热计测定萘的摩尔燃烧焓。

二．实验原理

    当产物的温度雨反应物的温度相同，在反应过程中只作体积功而不作其他功时，化学反应吸收或放出的热量，称为此过程的热效应，通常亦称为“反应热”。热化学中定义：在指定温度和压力下，一摩尔物质完全燃烧成指定产物的焓变，称为该物质在此温度下的摩尔燃烧焓，记作Δ_CH_m。通常，C、H等元素的燃烧产物分别为CO₂(g)、H₂O(l)等。由于上述条件下ΔH=Q_p，因此Δ_CH_m也就是该物质燃烧反应的等压热效应Q_p。

    在实际测量中，燃烧反应常在恒容条件下进行，如在弹式量热计中进行，这样直接测得的是反应的恒容热效应Q_V（即燃烧反应的热力学能变Δ_CU）。若将应系统中的气体物质视为理想气体，根据热力学推导可得Δ_CH_m和Δ_CU_m的关系为：

                     

式中   T——反应温度（K）

       ΔcHm——摩尔燃烧焓(J·mol^-1)

      ΔCUm ——摩尔燃烧内能变(J·mol-1)

      v_B(g)——为燃烧反应方程中各气体物质的化学计量数，规定生产物取正值，反应物取负值。

    通过实验测得Q_V(J·mol-1)值，根据上式就可计算出Qp(J·mol-1)，即燃烧焓的值ΔCHm。本实验是用氧弹式量热计进行萘的燃烧焓的测定。

    在盛有定量水的容器中，放入内装有mg的样品和氧气的密闭氧弹，然后使样品完全燃烧，放出的热量传给水及仪器，引起温度上升。设仪器（包括内水桶、氧弹、测温器件、搅拌器和水）的热容为C（量热计温度每升高1K所需的热量），燃烧前后的温度为T₁，T_2，则此样品的摩尔燃烧内能变为

                 ΔcU m= -（M/m）C(T₁-T₂)

仪器热容的求法是用已知燃烧焓的物质（本实验用苯甲酸），放在量热计中燃烧，测始末温度，按上式即可求出C。

本实验采用的是环境恒温量热计。量热计结构如图1所示，氧弹结构如下图

         ：

由于量热计无法做到完全绝热，因此燃烧前后温度差的测量值须经雷诺温度校正图校正。

三、实验仪器、试剂

仪器：数显氧弹式量热计全套（氧弹、搅拌器、数字贝克曼温度计）、压片机、引燃丝、量筒（2000mL）、电子天平（精确到0.0001g）、直尺、充氧台、氧气钢瓶及减压阀、专用放氧阀。

药品：镍丝、棉线、萘（A.R.）、苯甲酸（A.R.）。

四、实验步骤

1、仪器热容的测定

  （1）苯甲酸称取约0.8~1.0g，在压片机上压成片状。将压好的样品用小毛刷除去没有压紧的部分，用长12cm的棉线缠住样品系好，再在分析天平上准确称量以备用。

  （2）截取长度为10cm的镍丝，用分析天平准确称量以备用。

  （3）拧开氧弹盖放在专用支架上，将弹内洗干净，擦干，倒入10ml水。分别将引燃丝两端固定在氧弹两极柱上，药片置于不锈钢坩埚中，使镍丝接触药片表面。盖上氧弹盖拧紧（注意：镍丝不可与坩埚接触，以防短路）。

  （4）充氧气：将氧弹接入充氧机，检查氧气钢瓶上的减压阀，使其处于关闭状态，再打开氧气钢瓶上的总开关。然后轻轻拧紧减压阀螺杆(拧紧即是打开减压阀)，使氧气缓慢进入氧弹内。待减压阀上的减压表压力指到1.8MPa～2.0MPa之间时停止，关闭氧气钢瓶总开关，并拧松压阀螺杆。

  （5）先放好内筒，调整好搅拌，注意不要让叶轮碰撞内筒壁。将氧弹放在内筒正中央，接好点火插头，加入3000mL自来水。浸入水中检查是否漏气，确认密封良好后方能进行下一步实验。否则重复（4）步。

  （6）打开精密电子温差测量仪，打开搅拌，设定温度读数时间间隔为1min。待温度基本稳定后将温差测量仪“采零”、“锁定”，开始记录温差数据。整个数据记录分为三个阶段：

a．初期：这是样品燃烧以前的阶段。在这一阶段观测和记录周围环境和量热体系在试验开始温度下的热交换关系。每隔1分钟读取温度1次，共读取5次。

b．反应期：从点火开始至传热平衡称为主期。在读取初期最末1次数值的同时，按一下“点火”按钮即进入主期。此时每30秒读取温度1次，直到温度不再上升而开始下降的第1次温度为止，共读取10次。

c．末期：这一阶段的目的与初期相共读取5次同，是观察在试验后期的热交换关系。此阶段仍是每1min读取温度1次，直至温度停止下降为止(共读取5次)。

   （8）关闭电源，停止搅拌，取出贝克曼温度计，取出氧弹并擦干其外壳，用放气阀放掉氧弹内的氧气，打开氧弹盖，检查是否燃烧完全。若取出坩埚或氧弹内有积碳，则说明 实验失败，需重做。若无上述情况，则实验成功。将内筒自来水倒掉，擦刚备用。

2、 燃烧内能变的测定

   称取约0.6~0.8g萘，按上述方法测定。

五、注意事项

（1）压片时应不松不紧，以保证其可以完全燃烧，且不会散开；

（2）镍丝与两电极计样品片一定要接触良好，而且不能出现短路。

六、实验记录和处理

 苯甲酸质量0.815g  ； 萘质量0.963g  ； 镍丝质量 0.0099g

 棉线质量 0.0111g  ； 室温20℃

 

（1）仪器热容的计算

    -(ΔCUm)_苯甲酸m_苯/M_苯——（ΔCUm ）_镍 m_镍——（ΔCUm）_棉m_棉

C=   ^{—————————————————————————————————————————————————————}

                                  T2 - T1

 =  -26460*0.815-(-3241.67)*0.0099-(-16731.2)*0.0111

   ^{____________________________________________________________________}

                  (-2.48)-(-3.89)

=15.14KJ.K^-1

(2) 待测物萘燃烧焓的计算

 (ΔCUm)萘=【-C(T2-T1)_——（ΔCUm ）_镍 m_镍——（ΔCUm）_棉m_棉】M萘/m萘

 =【-15.14×10³（-0.61-（-2.29））-(-3241.67)*0.0099-(-16731.2)*0.0111】*128/0.963

=-3401.21KJ.mol^-1

燃烧反应方程式为：

             由Δ_cH^θ_m = Δ_cU^θ_m + RT_B(g)得：

Δ_cH^θ_m=-3401.21KJ/mol + 8.315×10^-3 kJ/(mol·K) ×298.15K×（10-12）

      =-3406.17KJ/mol

查手册得，萘的标准摩尔燃烧焓为-5153.9KJ/mol

误差=-（5153.9-3406.17）/5153.9= -33.9%

七、实验讨论及分析

(1) 数据处理时进行了几次近似处理，近似镍丝和棉线完全燃烧，样品也充分反应完，这些都使得所计算的误差很大。

(2) 把氧弹放入水中时，手会带出少量水，影响温度的变化。

(3) 实验开始时，搅拌不充分，导致所得的C值误差偏大。

八．思考题

1．固体样品为什么要压成片状?如何测定液体样品的燃烧热?

答：压成片状是为了方便称量和安装试验装置，避免在称量和装药品时有损失，影响实验数据的准确性。而且在点火时受热就比较均衡，固体样品更容易燃烧充分，在测定液体样品时，将液体样品装入坩埚中，将点火丝固定在电极上，有螺旋的部位浸入样品内，并注意点火丝不与坩埚接触。