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实验四燃烧热的测定
实验四燃烧热的测定
TheMeasurementofHeatofCombustion
王暮寒PB10207067
中国科学技术大学生命科学学院
WangMuhanPB10207067
SchoolofLifeScience,UniversityofScience&TechnologyofChina,Hefei
【关键词】
燃烧热
氧弹量热计
雷诺图
【Keywords】
HeatofCombustion
OxygenBombCalorimeter
RenaultFigure
【摘要】
利用标准物质苯甲酸测出氧弹量热计的热容,再根据氧弹量热计温度变化得到待测物质萘的恒容燃烧热、恒压燃烧热。
利用雷诺图法对温度进行校正来减小与外界热交换引起的实验误差。
【Abstract】
Firstlywecalculatethethermalcapacityoftheoxygenbombcalorimeter,utilizingBenzoicAcidasthestandardsubstance.ThereforetheheatofcombustionofNaphthalene,thesubstancetobemeasured,couldbeknownthroughthechangeoftemperatureoftheoxygenbombcalorimeter.Inaddition,themethodofRenaultFigurewasusedtominimizetheerrorcausingbytheinevitableexchangeofheatbetweenthesystemandtheenvironment.
【前言】
一摩尔的物质完全燃烧时所放出的热量叫做物质的燃烧热。
直接测定热很难,往往转化为温度的测量。
如果先测出恒温氧弹量热计每升高一度所吸收的热量,就可以在其中进行完全燃烧反应,通过测定它所升高的温度就可得到燃烧放出的热量。
而为测定恒温氧弹量热计的热容,需利用标准物质苯甲酸进行完全燃烧反应,
然后再使被测物质(如萘)在其中完全燃烧。
由于体系与环境之间会有热交换,在数据处理过程中利用雷诺图进行校正,可以减小误差。
【实验部分】
一、实验仪器与试剂
BH-IIS型燃烧热数据采集接口装置南京大学应用物理研究所监制
HR-15B型氧弹式量热计
CPA224SS万分之一电子天平赛多利斯科学仪器(北京)有限公司
BP310P千分之一电子天平赛多利斯科学仪器(北京)有限公司
769YP-15A粉末压片机天津市科器高新技术公司
WLS立式充氧器南京大学应用物理研究所
萘分析纯AR国药集团化学试剂有限公司
苯甲酸分析纯AR国药集团化学试剂有限公司
氧气钢瓶(大于80Kg压力)
容量瓶(1000mL1只,2000mL1只)
Cu-Ni合金丝若干
万用表1个
图1氧弹卡计安装示意图图2氧弹的构造
二、实验原理
苯甲酸在298.15K时的燃烧反应过程为:
C6H5COOH(固)+15/2O2(气)=7CO2(气)+3H2O(液)
由热力学第一定律,恒容过程的热效应QV,即∆U。
恒压过程的热效应QP,即∆H。
它们之间的相互关系如下:
QP=QV+∆n(RT)或∆H=∆U+∆n(RT)
其中∆n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∆H
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
(∂∆H/∂T)p=∆rCp
式中的是∆rCp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。
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26460J·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∆T,所以氧弹卡计的热容为:
C=Q/∆T=(mQv+2.9L+5.98V)/∆T
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
5.98为消耗1mL0.1mol·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
然后根据求得该物质的恒压燃烧热QP,即∆H。
三、数据处理方法
由实验记录的时间和相应的温度读数作苯甲酸和萘的雷诺温度校正图,准确求出二者的T,由此计算CP和萘的燃烧热QV,并计算恒压燃烧热QP。
根据所用的仪器的精度,正确表示测量结果,计算绝对误差,并讨论实验结果的可靠性。
四、用雷诺作图法校正∆T:
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3和图4所示。
图3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,校正方法相似。
图3绝热较差时的雷诺校正图图4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。
五、实验内容与步骤
1.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
(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。
连接氧气钢瓶和氧气表,并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。
图3氧弹充气示意图
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。
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。
2)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℃。
3)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。
4)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。
5)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。
6)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。
7)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。
8)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,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0.1mol·dm-3NaOH滴定之。
3.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,并计算QP,即为∆H,并与手册作比较,计算实验的相对误差。
【结果与讨论】
·一、实验结果
1.苯甲酸燃烧的△T-t曲线雷诺图
由图读出:
Ta=-0.7354℃,Tc=0.6874℃∆T=1.4228℃
氧弹卡计的热容:
2.萘燃烧的△T-t的雷诺图:
Ta=-0.7438℃,Tc=0.7968℃,∆T==1.5406℃
3.萘的恒容燃烧热:
4.萘的恒压燃烧热:
5.相对误差:
二、误差分析
实验所测量的结果与参考值的误差为0.975%,误差较小,在2%范围内,其来源如下:
1.从附件的误差计算可以看到作图时的观察判断和绘图操作会引入相对较大的误差,最后计算得到的燃烧热比参考值偏小,可以是苯甲酸燃烧图线中∆T偏大,或者萘的燃烧图线中∆T偏小。
2.实验使用雷诺图校正法,以减小体系与外界热量交换导致体系不孤立而引
起的误差。
但两处面积不严格相等,即吸热和放热的值不相等,所以体系与外界的
热量交换还是会引起误差。
由图线可以看出,苯甲酸燃烧时Ta=-0.7354℃,Tc=0.6874℃,两个温度相差较小且Ta的绝对值大一些;而在萘燃烧时Ta=-0.7438℃,Tc=0.7968℃.两个温度也相差相同程度,但Ta的绝对值小一些。
由于图线的放热部分比吸热部分时间长,所以两次燃烧中苯甲酸的热量补偿得比萘要好。
可见,实际测定时,应尽量使开始点火的温度和终温相差很小,但并不是绝对,还要考虑到曲线后段的变化率。
后段延长后得到的Ta与Tc相差很小时得到的热量补偿效果好。
3.图线中有些点与曲线趋势不符合,是因为搅拌器效果不够好导致温度在水中各处不相同,或者搅拌器的运动引入了额外的外界能量。
4.在萘燃烧的过程中由于仪器软件出问题意外自动停止,所使用的数据是手记温差仪的数据,间隔为30s,与苯甲酸燃烧的图线中间隔10s相比得到的曲线误差大一些。
5.物质燃烧可能不充分,或者压样后有质量损失。
如果苯甲酸燃烧不充分或者有质量损失,会使测得的C卡偏大,燃烧热结果偏大。
如果萘燃烧不充分或者有质量损失,会使燃烧热结果偏小。
6.燃烧过后的金属丝量很少,如果在苯甲酸燃烧后收集不充分会使卡偏小,燃烧热结果偏小;如果在萘燃烧后收集不充分会使燃烧热结果偏大。
【实验总结】
1.因为本实验要使用高压气体,操作时一定要小心谨慎,以防发生意外伤害,特别是如下两个方面:
高压钢瓶的使用:
无论钢瓶中是否有高压气体,打开和关闭钢瓶阀门时,使用者和他人都不能处在阀门和减压阀表头的正面,人应该站在钢瓶阀门和减压阀表头的侧面。
氧弹盖的开启:
无论氧弹中是否充有高压气体,一定要先确保使氧弹盖的放气阀处于打开、松弛的状态,才能拧松氧弹盖
2.压片时应将Cu-Ni合金丝压入片内。
3.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。
4.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。
5.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。
6.实际测定时,应尽量使开始点火的温度和终温相差很小,但并不是绝对,还要考虑到曲线后段的变化率。
后段延长后得到的与相差很小时得到的热量补偿效果好。
【参考资料】
《物理化学实验》崔献英等编著中国科学技术大学出版社
《物理化学》傅献彩等编高等教育出版社
【附件:
数据处理】
1.实验条件
苯甲酸恒容燃烧热26.460kJ/g
金属丝线密度0.9983mg/cm
样品名称
金属丝质量/g
总质量/g
样品质量/g
剩余金属丝质量/g
燃烧金属丝质量/g
燃烧金属丝对应长度l/cm
苯甲酸
0.0198
0.8416
0.8218
0.0129
0.0069
6.9117
萘
0.0199
0.6114
0.5915
0.0121
0.0078
7.8133
2.利用标准物质苯甲酸计算量热计热容
做出苯甲酸燃烧的△T-t曲线,利用雷诺图求△T
图4-1苯甲酸燃烧的△T-t曲线雷诺图
由图得出A,C点温度:
Ta=-0.7354℃,Tc=0.6874℃∆T=1.4228℃
燃烧的金属丝对应长度l=6.9117cm
C卡=(mQv+2.9l)/∆T=(0.8218*26469+2.9*6.9117)/1.4228=15297.21J/K
3.C卡不确定度的计算:
1)苯甲酸质量
质量误差:
使用电子天平称量物质质量,每次有0.0001g的误差。
置信系数3置信因子=1.96(P=0.95)
由苯甲酸质量m,金属丝质量m1,压制样品后总质量m2,则:
m=m2-m1
Δm2=Δm1=ΔW=0.0001g
2)金属丝长度
质量误差:
使用电子天平称量物质质量,每次有0.0001g的误差。
置信系数3
置信因子k_p=1.96(P=0.95)
由燃烧金属丝质量m,燃烧后金属丝质量m1,初始金属丝质量m2,有:
m=m2-m1,Δm2=Δm1=ΔW=0.0001g,l=(m2-m1)/λ=6.9/0.9983=6.9117cm
3)温差
温差误差:
使用温差计后手工绘制在雷诺校正图上再确定一个点的温差有0.005℃的误差。
Δ(ΔT1)=2×0.005℃其中2表示上下各一个点数。
温差测定仪显示最小分度为:
Δ(ΔT2)=0.001℃<<0.01℃,
所以取:
Δ(ΔT)=2×0.005℃
即:
ΔTa=ΔTc=0.005℃
置信系数取C=1.732Kp=1.96(置信因子)
4)合成不确定度
ΔC卡=C卡*0.01157=0.01157*15297.21J/K=176.91J/K(P=0.95)
得氧弹卡计的热容:
4.萘燃烧热的测定
做出萘燃烧的△T-t曲线,利用雷诺图求△T:
由图得出A,C点温度:
Ta=-0.7438℃,Tc=0.7968℃,∆T==1.5406℃
燃烧的金属丝对应长度l=7.8113cm
则萘的燃烧热:
Qv=(C卡*∆T-2.9l)/m=(15300*1.5406-2.9*0.0078)/0.5915=39849.8J/g
5.萘燃烧热的不确定度计算:
1)质量误差:
使用电子天平称量物质质量,每次有0.0001g的误差。
置信系数3
置信因子Kp=1.96(P=0.95)
由萘质量m,金属丝质量m1,压制样品后总质量m2,则:
m=m2-m1Δm2=Δm1=ΔW=0.0001g
∆m=m*0.003285=0.001943g(P=0.95)
2)金属丝长度
质量误差:
使用电子天平称量物质质量,每次有0.0001g的误差。
置信系数3
置信因子=1.96(P=0.95)
由燃烧金属丝质量m,燃烧后金属丝质量m1,初始金属丝质量m2,有:
m=m2-m1Δm2=Δm1=ΔW=0.0001g
l=(m2-m1)/λ=7.8/0.9983=7.8113cm
(P=0.95)
Δl=l*0.006319=0.04937cm(P=0.95)
3)温差
温差误差:
ΔTa=ΔTc=0.005℃
置信系数取C=1.732Kp=1.96(置信因子)
Δ(ΔT)=0.01041*ΔT=0.01604℃
4)合成不确定度
ΔQv=Qv*0.01397=556.77J/g
实验测得的萘的恒容燃烧热:
奈的相对分子质量为128.172g/mol,则萘的恒容燃烧热:
恒压过程的热效应Qp=Qv+Δn(RT)
实验时平均温度T=19.98+273.15=293.13K
则萘的恒压燃烧热:
不确定度:
萘的恒压燃烧热:
恒压过程的热效应QP,即
查阅资料,可知萘的标准燃烧焓(T=298.15K,P=100kP)为:
ΔH=5153.9kJ/mol
忽略温度及大气压影响,相对误差:
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