第三節 燃燒焓變的測定
虛擬實驗

量度物質的燃燒焓變時,可以將待測物質盛載於酒精燈中並用其加熱一定質量的水。然後,根據水溫的升幅就可以計算出燃燒時放出的熱,進而計算出物質的燃燒焓變。在下面的虛擬實驗中,我們將以測定乙醇的燃燒焓變為例,介紹如何使用非溶液反應的簡單熱量計測定反應的焓變。

\[\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{OH}\left( \text{l} \right)\ +\ \frac{\text{7}}{\text{2}}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ \to \ \text{2C}{{\text{O}}_{\text{2}}}\left( \text{g} \right)\ +\ \text{3}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O}\left( \text{l} \right)\]

簡單量熱法測定燃燒焓變
實驗數據處理

根據實驗數據計算燃燒焓變的一般步驟如下:

  1. 根據公式 \(Q\ =\ c\ \times \ m\ \times \ \Delta \text{T}\) 計算反應過程中放出的熱。
  2. 計算燃燒物質的摩爾數。
  3. 根據公式 \(\text{燃燒焓變}\ =\ -\displaystyle{ \frac{\text{放出的熱}}{\text{燃燒物質的摩爾數}} } \) 計算燃燒焓變,並以 \(\text{kJ mol}^{-1}\) 為單位。 注意:由於燃燒反應是放熱的,所以焓變為負

根據虛擬實驗獲得的數據(如下所示)並結合下面互動中的指引,完成圖表中的內容。

  • 酒精燈的起始質量:\(462.84\;{\text{g}}\)
  • 酒精燈的最終質量:\(462.15\;{\text{g}}\)
  • 銅罐中水的體積:\(250.0\;{\text{c}}{{\text{m}}^3}\)
  • 銅罐中水的起始溫度:\(21.6{\;^{\text{o}}}{\text{C}}\)
  • 銅罐中水的最終溫度:\(36.5{\;^{\text{o}}}{\text{C}}\)
處理實驗數據,計算燃燒焓變
分析實驗過程誤差

根據文獻數據,乙醇的標準燃燒焓變的數值為 \(-1\ 368 \ \text{kJ}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\)。而上述實驗測得的燃燒焓變則為 \(-1\ 040 \ \text{kJ}\ \text{mo}{{\text{l}}^{-1}}\)。對比兩個數據,思考以下哪些描述是產生實驗誤差的原因?

忽略了反應過程中的熱量損失

測量儀器(溫度計)不夠精確

乙醇不是完全燃燒

水溫不均勻

使用簡單熱量計進行實驗時,測得的燃燒焓變較理論值低,這主要是由於一些假設造成的。其中包括:

  1. 假設燃燒反應產生的熱全部被溶液吸收:
    • 忽略了散失到外界的熱
    • 忽略了酒精燈、銅罐、溫度計和攪棒吸收的熱
  2. 假設乙醇完全燃燒:
    • 忽略了乙醇的不完全燃燒
  3. 假設測量儀器(溫度計)足夠精密:
    • 忽略了溫度計在量度溫度時的誤差

實驗中,以下操作或措施可以提高實驗結果的準確性:

  • 使用擋風板,減少熱量的損失。
  • 量度銅罐和酒精燈的熱容量。
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