我們都知道燃燒會放熱,這個熱量我們有個專門的稱呼叫做“燃燒熱”,當(dāng)然燃燒熱指的是某種特定條件下可燃物完全燃燒產(chǎn)生的熱量,不適用于不完全燃燒。燃燒熱一般用單位物質(zhì)的量、單位質(zhì)量或單位體積的燃料燃燒時放出的能量計量。國際上規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱是,在溫度為25℃,壓力為100kPa時,1 mol純物質(zhì)完全燃燒生成穩(wěn)定的化合物時所放出的熱量,單位為kJ/mol。
規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱的目的,同規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)生成熱一樣是為了間接通過蓋斯定律計算反應(yīng)熱。燃燒熱是以確定的穩(wěn)定產(chǎn)物的焓值為0反應(yīng)物的相對焓值。通常查表得到的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱的數(shù)據(jù)都是298.15k時的值,溫度可不加
對于碳?xì)浠衔飦碚f,含相同碳原子數(shù)的烷烴異構(gòu)體中,直鏈烷烴的燃燒熱最大,支鏈越多燃燒熱越小。最基本的一點是在有機(jī)物中,如果化合物的飽和程度越高(換句話說就是氫原子數(shù)目越多),那么相應(yīng)的燃燒熱就越大。例如烷烴比同碳數(shù)的烯烴和炔烴或者芳香烴燃燒熱都要大,就是這個道理。當(dāng)然,這里要強(qiáng)調(diào)的是僅限于比較相同碳原子數(shù)的有機(jī)物.而對于烴的衍生物,同樣的道理例如乙醇的燃燒熱比等物質(zhì)的量的乙醛,乙酸都要大。乙烷的燃燒熱比溴乙烷的大。
如果是比較同分異構(gòu)體的燃燒熱,那么就要看具體的情況了,通常是越不穩(wěn)定的異構(gòu)體的燃燒熱越大。當(dāng)然有機(jī)物的分子量越大,那么它的燃燒熱就相應(yīng)越大。在飽和程度相同的情況下,含碳量越大,有機(jī)物的燃燒熱也越大。而在含碳量相同時,含氫量越大的有機(jī)物燃燒熱越大。
因為許多有機(jī)化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓都可通過蓋斯定律由它的標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓及二氧化碳和水的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓求得。通過燃燒焓的測定,還可以判斷工業(yè)用燃料的質(zhì)量等。
由上述燃燒焓的定義可知,在非體積功為零的情況下,物質(zhì)的燃燒焓常以物質(zhì)燃燒時的熱效應(yīng)(燃燒熱)來表示,即ΔCHm=Qp·m。因此,測定物質(zhì)的燃燒焓實際就是測定物質(zhì)在等溫、等壓下的燃燒熱。
量熱法是熱力學(xué)實驗的一個基本方法。測定燃燒熱可以在等容條件下,亦可以在等壓條件下進(jìn)行。等壓燃燒熱(QP)與等容燃燒熱(QV)之間的關(guān)系為:
QP=QV+Δm(g)=Δξ∑vB(g)RT (2—1)
或 Qp·m=Qv·m+∑vB(g)RT
式中,Qp·m或Qv·m均指摩爾反應(yīng)熱,∑vB(g)為氣體物質(zhì)化學(xué)計算數(shù)的代數(shù)和;Δξ為反應(yīng)進(jìn)度增量,Qp或Qv則為反應(yīng)物質(zhì)的量為Δξ時的反應(yīng)熱,Δm(g)為該反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的物質(zhì)的量變化,T為反應(yīng)的絕對溫度。
測量其原理是能量守恒定律,樣品完全燃燒放出的能量使熱量計本身及其周圍介質(zhì)(本實驗用水)溫度升高,測量了介質(zhì)燃燒前后溫度的變化,就可以求算該樣品的恒容燃燒熱。其關(guān)系如:
Qv=-CvΔT (2-2)
上式中負(fù)號是指系統(tǒng)放出熱量,放熱時系統(tǒng)的內(nèi)能降低,而Cv和ΔT均為正值。 系統(tǒng)除樣品燃燒放出熱量引起系統(tǒng)溫度升高以外,其他因素:燃燒絲的燃燒,氧彈內(nèi)N2和O2化合并溶于水中形成硝酸等都會引起系統(tǒng)溫度的變化,
因此在計算水當(dāng)量及發(fā)熱量時,這引起因素都必須進(jìn)行校正,其校正值如下:
(1) 燃燒絲的校正:Cu-Ni合金絲:-3.138J·cm-1
(2) 酸形成的校正:(本實驗此因素忽略)。
校正后的關(guān)系式為:Qv·W-3.138L=-KΔT (2-3)
Qv:樣品恒容燃燒熱(Jg-1)
W:樣品的重量(g)
L:燃燒絲的長度(cm)
K:熱量計的水當(dāng)量
熱量計數(shù)的水當(dāng)量K一般用純凈苯甲酸的燃燒熱來標(biāo)定,苯甲酸的恒容燃燒熱
Qv=-26460Jg-1
為了保證樣品燃燒,氧彈中必須充足高壓氧氣,因此要求氧彈密封,耐高壓、耐腐蝕。 同時,粉末樣品必須壓成片狀,以免充氣時沖散樣品使燃燒不完全,而引起實驗誤差,完全燃燒是實驗成功的第一步,第二步還必須使燃燒后放出的熱量不散失,不與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換,全部傳遞給量熱計本身和其中的盛水,促使熱量計和水的溫度升高,為了減少熱量計與環(huán)境的熱交換,熱量計放在一恒溫的套殼中,故稱環(huán)境恒溫或外殼恒溫?zé)崃坑嫛?/p>
1、利用熱化學(xué)方程式進(jìn)行相關(guān)量的求解
先寫出熱化學(xué)方程式,再根據(jù)熱化學(xué)方程式所體現(xiàn)的物質(zhì)之間、物質(zhì)與反應(yīng)熱之間量的關(guān)系直接求算物質(zhì)的量或反應(yīng)熱。
2、依據(jù)燃燒熱數(shù)據(jù),利用公式直接求算反應(yīng)熱
Q=燃燒熱×n(可燃物的物質(zhì)的量)
3、利用蓋斯定律求反應(yīng)熱
①設(shè)計合理的反應(yīng)途徑。
②適當(dāng)加減已知的熱化學(xué)方程式,得出待求的熱化學(xué)方程式,反應(yīng)熱也要進(jìn)行相應(yīng)的加減運算,從而得出待求熱化學(xué)方程式的反應(yīng)熱。
③在進(jìn)行反應(yīng)熱的計算時,要注意反應(yīng)熱的符號以及反應(yīng)熱與方程式中化學(xué)計量數(shù)間的比例關(guān)系。
4、混合物燃燒放熱求比例問題
可用常規(guī)的列方程組法,也可采用十字交叉法。
5、依據(jù)反應(yīng)物與生成物的總能量的差值計算
ΔH=E(生成物)-E(反應(yīng)物)
6、依據(jù)反應(yīng)物化學(xué)鍵斷裂與生成物化學(xué)鍵形成過程中的能量變化計算
ΔH=反應(yīng)物的化學(xué)鍵斷裂吸收的能量-生成物的化學(xué)鍵形成釋放的能量