苯共振能的测定.pdf

1、苯 共 振 能 的 测 定丁 月 蓉 1， 杨 树 2（ 1昆 明 理 工 大 学 理 学 院 ， 云 南 昆 明 ， 650500；2昆 明 理 工 大 学 化 学 工 程 学 院 ， 云 南 昆 明 ， 650500）摘 要 ： 利 用 氧 弹 热 量 计 测 定 苯 的 共 振 能 是 通 过 测 定 苯 、 环 己 烯 、 环 己 烷 这 三 种 物 质 的 燃 烧热 间 接 测 定 ， 再 利 用 燃 烧 热 数 据 运 用 差 值 法 估 算 得 到 苯 的 共 振 能 为 484kJmol-1。 说 明 苯 分子 共 轭 后 稳 定 性 增 强 ， 但 是 数 据 由 于 未 平

2、 行 测 定 导 致 和 文 献 参 考 值 出 入 很 大 ， 没 有 参 考 价值 。关 键 词 ： 苯 环 己 烯 共 振 能 燃 烧 热引 言杂 化 体 的 能 量 总 是 低 于 各 极 限 结 构 ， 常 用 共 振 能 的 概 念 来 表 示 该 降 低 值 。 它 被 定 义 为杂 化 体 能 量 低 于 最 稳 定 极 限 结 构 能 量 的 数 值 ， 常 与 另 一 个 概 念 离 域 能 混 用 。 电 子 的 离 域 降低 了 轨 道 能 ， 增 加 了 分 子 的 稳 定 性 ， 常 会 造 成 分 子 的 芳 香 性 ， 如 苯 。 共 振 能 随 着 极 限 结

3、 构数 的 增 多 而 增 大 ， 尤 其 是 存 在 等 价 极 限 结 构 时 （ 能 量 相 等 ） 。 苯 分 子 是 一 个 典 型 的 共 轭 分子 ， 其 P电 子 轨 道 相 互 平 行 重 叠 ， 形 成 离 域 的 键 。 共 振 能 E（ 或 称 稳 定 化 能 ） 可 以 用 来 衡量 一 种 共 轭 分 子 的 稳 定 性 。 通 过 测 定 燃 烧 热 这 一 经 典 的 热 化 学 实 验 ， 能 将 热 力 学 数 据 比 较直 接 的 与 一 定 的 结 构 化 学 概 念 联 系 起 来 ， 有 利 于 开 阔 我 们 的 思 路 1。1实 验 部 分1.1

4、常 用 的 实 验 药 品 及 仪 器 ：环 己 醇 、 浓 硫 酸 、 浓 磷 酸 、 对 甲 基 苯 磺 酸 、 食 盐 、 无 水 氯 化 钙 、 5 碳 酸 钠 水 溶 液 。 氧弹 量 热 计 ， 压 片 机 ， 数 字 贝 克 曼 温 度 计 ， 分 析 天 平 、 苯 、 环 己 烯 、 环 己 烷 、 苯 甲 酸 、药 用 胶 囊 、 镍 铬 合 金 丝 、 量 杯 、 SWC- D数 字 温 差 仪 。1.2实 验 原 理1.2.1环 己 烯 的 合 成 ：烯 烃 是 重 要 的 有 机 化 工 原 料 。 工 业 上 主 要 通 过 石 油 裂 解 的 方 法 制 备 烯

5、烃 ， 有 时 也 利 用醇 在 氧 化 铝 等 催 化 剂 存 在 下 ， 进 行 高 温 催 化 脱 水 来 制 取 ,实 验 室 里 则 主 要 用 浓 硫 酸 ， 浓 磷 酸做 催 化 剂 使 醇 脱 水 或 卤 代 烃 在 醇 钠 作 用 下 脱 卤 化 氢 来 制 备 烯 烃 。 根 据 文 献 的 查 阅 ， 现 在 的超 强 固 体 酸 ， 和 在 油 浴 的 条 件 的 方 法 正 在 大 力 推 广 ， 但 是 由 于 实 验 室 条 件 有 限 ， 所 以 还 是采 用 了 较 为 成 熟 传 统 的 方 式 。 本 实 验 就 采 用 浓 磷 酸 做 催 化 剂 使 环

6、 己 醇 脱 水 制 备 环 已 烯 。 通过 几 种 催 化 剂 的 产 量 对 比 （ 包 含 了 浓 硫 酸 ， 浓 磷 酸 ， 对 甲 苯 磺 酸 钠 ， 三 氯 化 锌 ） ， 最 终 选择 了 产 率 相 对 较 高 也 比 较 熟 悉 的 浓 磷 酸 作 为 催 化 剂 制 取 苯 甲 酸 钠 。 折 光 率 是 由 于 在 测 定 的时 候 ， 数 显 的 折 光 率 测 试 仪 没 有 调 试 好 ， 所 以 在 摸 索 条 件 的 时 候 得 到 了 不 可 靠 的 数 据 ， 所以 选 择 催 化 剂 的 时 候 ， 选 用 的 是 以 前 有 机 实 验 课 上 用 过

7、 的 浓 磷 酸 。1.2.2燃 烧 热 的 测 定苯 、 环 己 烯 、 环 己 烷 三 种 分 子 都 含 有 碳 六 环 ， 环 己 烯 和 环 己 烷 的 燃 烧 热 H的 差 值 E与环 己 烯 上 的 孤 立 双 键 有 关 即 通 讯 作 者 ： （ 学 号 ） 2 0 1 3 1 1 1 0 4 1 2 2收 稿 日 期 ： 2 0 1 5 /9 /6 E H 环 己 烷 H 环 己 烯 （ 1）如 将 环 己 烷 与 苯 经 典 定 域 结 构 相 比 较 ， 两 者 燃 烧 热 的 差 值 应 等 于 3 E， 事 实 上 H 环 己 烷 H 苯 3 E （ 2）显 然 ，

8、 这 是 因 为 共 轭 结 构 导 致 苯 分 子 能 量 降 低 ， 其 差 值 即 为 苯 的 共 振 能 ： H 环 己 烷 H 苯 3 E E （ 3）整 理 三 式 并 把 H Qp Qv nRT带 入 可 得 苯 的 共 振 能 与 恒 容 燃 烧 热 的 关 系 式E 3 Qv,环 己 烯 2 Qv,环 己 烷 Qv,苯 21.3试 验 方 法1.3.1环 己 烯 的 合 成 5-61） 向 50ml干 燥 的 圆 底 烧 瓶 中 加 入 环 己 醇 20.8ml， 浓 磷 酸 8ml和 几 粒 沸 石 ， 充 分 震 荡 摇 匀 ，搭 好 分 馏 装 置 。2） 用 电 炉

9、加 热 混 合 物 至 沸 腾 ， 控 制 温 度 不 超 过 90摄 氏 度 ， 当 烧 瓶 内 出 现 阵 阵 白 雾 即 可 停止 加 热 。3） 将 馏 出 液 用 1g食 盐 饱 和 ， 然 后 用 24ml5%的 碳 酸 钠 中 和 微 量 的 酸 ， 并 进 行 分 液 。4） 将 上 层 有 机 相 倒 入 干 燥 的 锥 形 瓶 中 ， 加 入 适 量 的 无 水 氯 化 钙 干 燥 。 静 置 15分 钟 ， 进 行蒸 馏 。1.3.2测 定 弹 式 量 热 计 的 热 容测 定 弹 式 量 热 计 的 热 容 称 取 0.9g左 右 的 苯 甲 酸 ， 在 已 擦 干 净

10、 的 压 片 机 上 压 片 ， 用 实 验 所用 的 镍 铬 合 金 丝 为 点 火 丝 ， 装 成 “ 成 ” 字 形 ， 附 着 在 压 片 机 上 压 片 。 并 在 分 析 天 平 上 精确 称 重 后 置 于 量 热 计 燃 烧 匙 中 ， 使 合 金 丝 接 在 点 火 电 极 上 。 然 后 小 心 装 进 氧 弹 里 ， 氧 弹 充入 高 压 氧 气 ， 将 氧 弹 置 于 量 热 计 中 ， 加 入 3000ml水 ， 接 通 电 源 ,按 量 热 计 的 操 步 骤 测 定 水的 温 度 升 高 值 ,待 温 度 基 本 稳 定 后 用 SWC- D数 字 温 差 仪 每

11、 隔 30s记 录 一 组 数 据 ， 点 火 前后 各 记 录 五 分 钟 。1.3.3胶 囊 燃 烧 热 的 测 定由 于 单 个 胶 囊 的 燃 烧 热 数 值 太 小 ， 可 用 镊 子 将 其 挤 扁 再 折 叠 压 片 称 量 ， 一 般 用 13个 胶 囊 燃烧 ， 使 用 同 样 的 镍 铬 合 金 丝 作 为 点 火 丝 ， 刚 好 能 使 水 温 升 高 一 定 的 温 度 。 可 以 得 出 胶 囊 的燃 烧 热 ， 最 后 量 取 剩 余 点 火 丝 的 长 度 。1.3.4测 定 试 样 的 燃 烧 热 3（ 1） 选 取 3个 密 封 良 好 的 药 用 胶 囊 ，

12、 在 天 平 上 称 其 质 量 ， 打 开 其 中 两 个 个 胶 囊 ， 用 滴 管 小心 的 滴 入 苯 ， 胶 囊 和 苯 控 制 总 量 在 0.65g左 右 ， 再 套 好 胶 囊 称 其 质 量 ， 扣 除 胶 囊 质 量 即 得苯 的 质 量 。 另 外 一 空 胶 囊 用 于 装 点 火 丝 ， 将 装 好 苯 的 胶 囊 置 于 燃 烧 匙 中 ， 接 上 点 火 丝 ， 此时 最 好 将 点 火 丝 紧 贴 在 胶 囊 上 以 保 点 火 成 功 ， 然 后 充 入 氧 气 ， 测 其 燃 烧 热 ， 扣 除 胶 囊 的 燃烧 热 后 即 为 苯 的 燃 烧 热 。（ 2

13、） 选 取 3个 密 封 良 好 的 药 用 胶 囊 ， 在 天 平 上 称 其 质 量 ， 打 开 其 中 两 个 个 胶 囊 ， 用 滴 管 小心 的 滴 入 环 己 烷 ， 胶 囊 和 环 己 烷 控 制 总 量 在 0.66g左 右 ， 再 套 好 胶 囊 称 其 质 量 ， 扣 除 胶 囊质 量 即 得 环 己 烷 的 质 量 。 另 外 一 个 空 胶 囊 用 于 装 点 火 丝 。 将 装 好 环 己 烷 的 胶 囊 置 于 燃 烧 匙中 ， 接 上 点 火 丝 ， 此 时 最 好 将 点 火 丝 紧 贴 在 胶 囊 上 以 保 点 火 成 功 ， 然 后 充 入 氧 气 ， 测

14、 其 燃烧 热 ， 扣 除 胶 囊 的 燃 烧 热 后 即 为 环 己 烷 的 燃 烧 热 。（ 3） 选 取 3个 密 封 良 好 的 药 用 胶 囊 ， 在 天 平 上 称 其 质 量 ， 打 开 其 中 两 个 个 胶 囊 ， 用 滴 管 小心 的 滴 入 环 己 烯 ， 胶 囊 和 环 己 烯 控 制 总 量 在 0.62g左 右 ， 再 套 好 胶 囊 称 其 质 量 ， 扣 除 胶 囊质 量 即 得 环 己 烯 的 质 量 。 另 外 一 个 空 胶 囊 用 于 装 点 火 丝 。 将 装 好 环 己 烯 的 胶 囊 置 于 燃 烧 匙中 ， 接 上 点 火 丝 ， 此 时 最 好

15、 将 点 火 丝 紧 贴 在 胶 囊 上 以 保 点 火 成 功 ， 然 后 充 入 氧 气 ， 测 其 燃烧 热 ， 扣 除 胶 囊 的 燃 烧 热 后 即 为 环 己 烯 的 燃 烧 热 。1.4计 算 方 法燃 烧 热 的 计 算 所 用 公 式 分 别 有 三 个 ：(该 公 式 计 算 体 系 的 热 容 )Q胶 囊 =（ 胶 囊 燃 烧 热 ）QX=2、 结 果 讨 论2.1实 验 数 据 记 录2.1.1环 己 烯 的 合 成 （ 23.6 ）催 化 剂 的 选 取表 1三 种 催 化 剂 对 产 率 的 影 响催 化 剂 产 率 折 光 率浓 硫 酸 31% 1.5712磷 酸

16、 49% 1.5702对 甲 苯 磺 酸 51.2% 1.5743用 实 验 合 成 的 环 己 烯 通 过 称 重 ， 测 定 折 光 率 ， 得 到 以 下 数 据 。表 2 环 己 烯 的 产 率 及 折 光 率催 化 剂 产 率 折 光 率磷 酸 63.97% 1.4444在 选 取 催 化 剂 的 过 程 中 ， 虽 然 对 甲 苯 磺 酸 产 率 最 高 ， 而 磷 酸 的 相 对 次 之 ， 但 是 在 参 考 折 光率 可 以 发 现 ， 在 温 度 接 近 20 时 ， 磷 酸 作 催 化 剂 的 产 物 更 纯 一 些 。 根 据 查 阅 所 得 数 据 ， 环己 烯 在

17、20 时 的 折 光 率 为 1.4465， 对 比 可 知 合 成 的 环 己 烯 纯 度 还 是 比 较 高 的 ， 可 以 近 似 认为 是 纯 物 质 ， 而 产 率 也 比 在 摸 索 最 优 条 件 时 要 高 。2.1.2燃 烧 热 (表 3苯 甲 酸 和 合 金 丝 (L=12cm)的 测 定质 量 /g 初 温 / 温 差 校 正 值 用 去 丝 长 /cm 时 间 间 隔 /s0.8818 19.31 1.5796 7.4 30图 1 苯 甲 酸 雷 诺 温 度 校 正 图根 据 公 式 计 算 得 到 ： C=14722JK ， 苯 甲 酸 在 压 片 过 程 中 由 于

18、 压 制 的 不 是 特 别 紧 实 ， 所 以在 栓 的 过 程 中 有 部 分 药 品 脱 落 ， 造 成 质 量 上 的 损 失 ， 因 此 计 算 出 来 体 系 的 热 容 有 点 偏 小 。2、 胶 囊 的 测 定 表 4胶 囊 的 测 定质 量 /g 初 温 温 差 校 正 值 用 去 丝 的 长 度 时 间 间 隔 /s1.2864 18.68 1.6115 6.4 30图 2胶 囊 雷 诺 温 度 校 正 图根 据 公 式 得 ： Q胶 囊 =18401Jg ， 胶 囊 是 在 捏 扁 之 前 称 重 ， 在 捏 扁 过 程 中 手 上 的 汗 渍 可 能会 对 结 果 有

19、所 影 响 。3、 苯 的 测 定 表 5苯 的 测 定胶 囊 质 量 /g 总 质 量 /g 苯 的 质 量 初 温 温 差 校 正 值 用 去 丝 长 /cm 时 间 间 隔 /s0.2985 0.7032 0.4047 21.02 1.5522 10.0 30图 3 苯 雷 诺 温 度 校 正 图根 据 公 式 可 得 ： Q苯 =3326kJmol ， 苯 的 文 献 参 考 值 为 3265kJmol ， 实 验 所 得 数 据 要 比理 论 值 高 。 可 能 是 在 实 验 过 程 中 没 有 更 换 水 ， 导 致 一 开 始 体 系 温 度 就 有 点 高 ， 从 而 因 其

20、 误差 。 表 6环 己 烷胶 囊 质 量 /g 总 质 量 /g 环 己 烷 的 质 量 /g 初 温 温 差 校 正 值 用 去 丝 长 /cm 时 间 间 隔 /s0.2970 0.6251 0.3281 19.83 1.3939 9 3 30图 4环 己 烷 雷 诺 温 度 校 正 图根 据 公 式 得 ： Q环 己 烷 =3826kJmol ， 它 的 理 论 值 为 3916kJmol ， 二 者 差 距 较 小 ， 其中 可 能 的 原 因 应 该 是 在 燃 烧 过 程 中 ， 温 度 较 高 而 有 机 溶 剂 有 挥 发 性 。 而 且 称 量 过 程 中 也 会有 损 失

21、 ， 这 样 以 来 ， 就 会 使 校 正 温 度 偏 低 ， 从 而 导 致 结 果 整 体 偏 低 。表 7表 环 己 烯 的 测 定胶 囊 质 量 /g 总 质 量 /g 环 己 烯 的 质 量 /g 初 温 温 差 校 正 值 用 去 丝 长 /cm 时 间 间 隔 /s0.2983 0.7000 0.4017 18.90 1.6512 7.5 30图 5环 己 烷 雷 诺 温 度 校 正 图根 据 公 式 得 ： Q环 己 烯 =3822kJmol ， 环 己 烯 的 理 论 数 值 为 3747kJmol ， 实 验 数 据 与 该数 据 存 在 着 较 大 的 差 异 ， 但

22、是 又 找 不 出 原 因 所 以 可 能 是 实 验 错 误 导 致 的 。表 8苯 共 振 能 的 测 定物 质 QC/kJmol E/ kJmol 环 己 烷环 己 烯苯 382838223326 4842.2数 据 处 理(1)苯 甲 酸 数 据 处 理已 知 苯 甲 酸 标 准 C=24680.5Jg 合 金 丝 C=8.37Jg 燃 烧 的 合 金 丝长 度 为 L=7.4cm已 知 合 金 丝 1cm为 1mg 燃 烧 的 苯 甲 酸 质 量 为m=0.8818-7.2*1/1000=0.8744g由 雷 诺 校 正 图 知 t=1.5769C=Q/ t=(0.8744*2648

23、0.5+8.37*7.4)/1.5769=14722JK (2)胶 囊 数 据 处 理已 知 胶 囊 质 量 m=1.2864g燃 烧 的 合 金 丝 长 度 为 L=6.4cm雷 诺 校 正 图知 t=1.6115-Q(胶 囊 )=C t-8.37*L/m=14722*1.6115-8.37*6.4)/m(胶 囊 )=18402Jg (3)苯 的 数 据 处 理已 知 苯 质 量 m=0.4047g燃 烧 的 合 金 丝 长 度 为 L=10cm雷 诺 校 正 图 知 t=1.5522-Q(苯 )=（ C t-8.37*L丝 -Q胶 *m胶 ） /n=（ 14722*1.5522-8.37*

24、10-18401*0.2985） /(0.4047/78)/1000=3330kJmol H=Q+nRT=3330-1.5*8.314*(273.15+21.02)/1000=3326kJmol (4)环 己 烷 的 数 据已 知 环 己 烷 质 量 m=0.3281g燃 烧 的 合 金 丝 长 度 为 L=9.3cm雷 诺 校 正图 知 t=1.3939-Q(环 己 烷 )=（ C t-8.37*L丝 -Q胶 *m胶 ） /n=（ 14722*1.3939-8.37*9.3-18401*0.2970） /(0.3281/84)=3835kJmol H=Q+nRT=3835-3*8.314*（

25、 273.15+19.83） /1000=3828kJmol (5)环 己 烯 的 数 据 处 理已 知 环 己 烯 质 量 m=0.4017g燃 烧 的 合 金 丝 长 度 为 L=7.5cm雷 诺 校 正图 知 t=1.6512-Q(环 己 烯 )=（ C t-8.37*L丝 -Q胶 *m胶 ） /n=（ 14722*1.6512-8.37*7.5-18401*0.2983） /(0.4017/82)=3828kJmol H=Q+nRT=3828-2.5*8.314*(273.15+18.90)/1000=3822kJmol （ 6） 苯 共 振 能 的 计 算苯 的 共 振 能 ： E=

26、( H环 己 烷 H苯 ） 3（ H环 己 烷 H环 己 烯 ）=484kJmol 3、 结 论1） 根 据 实 验 测 得 苯 的 共 振 能 为查 阅 多 个 文 献 可 知 E=801204 kJmol- ， 但 是 实 验 数 据 却 大 的 如 此 多 ， 根 据 理 论 数 据 ， Qc环 己 烯 =37471kJmol- 但 是 实 验 数 据 却 大 了 100多 千 焦 ， 所 以 可 以 推 测 主 要 问 题 出 在 了 环 己烯 燃 烧 热 的 测 定 上 ， 由 于 实 验 数 据 与 参 考 文 献 上 的 数 值 出 入 较 大 ， 所 以 此 次 实 验 的 结

27、 果 并不 可 靠 。 而 苯 的 燃 烧 热 也 稍 大 了 点 ， 环 己 烷 的 之 比 较 相 近 。2） 误 差 产 生 的 原 因 有 以 下 几 点 ：a、 在 称 量 过 程 中 的 误 差b、 测 定 过 程 仅 有 一 遍 ， 所 以 不 能 排 除 操 作 失 误 的 可 能 性 。c、 由 于 环 己 烯 取 得 量 较 大 ， 所 以 导 致 在 燃 烧 的 过 程 中 出 现 问 题 ， 导 致 t偏 大 所 以 测 量后 的 计 算 值 就 比 较 大 。D、 环 己 烷 的 测 定 偏 小 可 能 是 由 于 燃 烧 时 温 度 较 高 ， 有 部 分 药 品

28、挥 发 。3） 实 验 有 待 改 进 的 地 方虽 然 苯 的 共 振 能 的 实 验 数 据 与 理 论 数 据 相 差 较 大 ， 但 是 从 另 外 一 个 角 度 来 看 ， 苯和 环 己 烷 测 得 的 燃 烧 热 数 值 和 理 论 数 值 相 差 还 是 比 较 小 的 ， 所 以 也 不 能 全 盘 否 定 用 燃 烧 热的 方 法 测 定 苯 的 共 振 能 不 可 行 ， 而 且 很 多 时 候 人 为 的 原 因 也 会 造 成 很 离 谱 的 结 果 ， 我 们 实验 采 用 一 锤 定 音 的 方 式 并 没 有 平 行 测 定 ， 这 可 以 说 时 实 验 失

29、败 最 直 接 的 原 因 ， 所 以 在 以 后的 试 验 中 测 定 应 该 保 持 科 学 的 严 谨 态 度 ， 做 平 行 测 定 ， 给 出 科 学 的 解 释 。总 的 来 说 呢 成 败 各 占 一 半 ， 失 败 的 就 不 再 重 复 讲 述 了 ， 但 是 也 得 肯 定 我 们 在 此 次 实 验中 所 付 出 的 努 力 和 所 学 到 的 知 识 。 感 谢 老 师 的 指 导 ， 感 谢 同 组 人 员 的 辛 勤 努 力 以 及 全 力 配合 。参 考 文 献1朱 京 , 陈 卫 , 金 贤 德 , 等 . 液 体 燃 烧 热 和 苯 共 振 能 的 测 定 J

30、. 化 学 通 报 , 1984, 3: 50-54.2张 德 生 , 吴 其 生 . 用 燃 烧 热 法 测 苯 的 共 振 能 J. 安 庆 师 范 学 院 学 报 : 自 然 科 学 版 , 2005, 11(3): 70-73.3司 原 昌 , 粟 智 . 液 体 燃 烧 热 的 测 定 J. 光 谱 实 验 室 , 2013, 30(006): 3240-3245.4 闫 桐 , 杨 爱 余 , 盛 飞 , 等 . 实 验 法 和 理 论 计 算 方 法 测 定 苯 的 共 振 能 J. 科 技 传 播 , 2012, 19: 092.5李 继 忠 . 对 甲 苯 磺 酸 催 化 合 成 环 己 烯 J. 化 学 世 界 , 2004, 45(10): 528-529.6郭 俊 胜 . 环 己 醇 催 化 脱 水 制 备 环 己 烯 的 研 究 J. 化 学 试 剂 , 2001, 23(3): 178-179.