二茂铁及其衍生物对柴油的助燃和消烟作用

1、-华 南 师 大 学 实 验 报 告学生*专 业 化学教育 年级、班级课程名称 综合化学实验 课件密码 实验类型 验证设计综合 实验时间 2021 年 4月2日实验指导教师实验评分二茂铁及其衍生物对柴油的助燃和消烟作用一、前言1 实验背景二茂铁(C5H5)2Fe是一种橙黄色针状或粉末状结晶物，具有类似樟脑的气味，熔点173174，沸点249，不溶于水，而溶于甲醇、乙醇、乙醚、苯、汽油、煤油、柴油等有机溶剂，具有高度热稳定性和耐辐射性，加热到470也不分解。二茂铁的毒性很小，大白鼠20天口服致死量为600mg/kg，狗日服100mg/kg时，在四周未见中毒现象。在化学性质上，二茂铁与芳香族化合物

2、相似，不易发生加成反响，容易发生取代反响。二茂铁与芳香族化合物化学性质相似，具有独特的芳香性，甚至在一些情况下，其芳香性能大于苯环。二茂铁为 18 电子构型，具有良好的稳定性，其中心铁原子和环戊二烯基都具有一定的活性，从而可以进展一系列的有机反响。在二茂铁的环上容易发生亲电取代反响，可进展金属化、氯化、酰基化、烷基化、磺化、甲酰化以及配合体交换等反响，从而可制备一系列用途广泛的衍生物。二茂铁衍生物具有疏水性，这使其能够顺利地通过细胞膜，与细胞物质相互作用，此外它还具有良好的稳定性、低毒性，因而可作为治疗*些疾病的药物，如抗癌药物等。由于二茂铁及其衍生物还具有氧化复原可逆性，可在酶的作用下参与代

3、作用，所以它们还可用来制造植物生长调节剂、杀虫剂等。二茂铁衍生物具有良好的电导特性，当二茂铁与共轭体系衔接时，可以形成性能良好的分子导线。第一个含二茂铁代表性的分子导线是 1,1- 双(三甲基甲硅烷乙炔基)二茂铁。二茂铁的热稳定性、氧化复原性、构造可变性和金属特性，使得其在液晶材料方面的应用前景也十分广阔。此外，二茂铁衍生物还被广泛地应用到抗菌剂，聚合物、纳米材料、电化学元件、生物化学、分析化学等邻域，对其的开发利用成为金属有机化学界的热议话题。目前，二茂铁衍生物多达数百种。二茂铁及其衍生物最广泛的用途是作为催化剂，如不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、芳酮硅烷化等。二茂铁及其衍生物还可以作为

4、燃料油添加剂。二茂铁添加到固体燃料、液体燃料中，可以起到明显的消烟、助燃和节省燃料的作用。尤其是添加到燃烧时会产生大量黑烟的烃类中，其效果尤为显著。二茂铁对芳烃燃烧时的消烟作用最好，其次为烯烃、环烷烃、烷烃。二茂铁还可用于提高汽油辛烷值，可代替四乙基铅制得无铅汽油。由于二茂铁的这种助燃、消烟作用，可以起到提高发动机功率、节能和减少大气污染的效果，它是一种优良的环保、节能产品。2 实验目的2.1了解二茂铁及其衍生物的应用，特别是作为一种优良的燃料助燃催化剂，其重要的经济价值与环保价值；2.2掌握利用氧弹卡计测量油品燃烧所产生的热量的操作技术，应用CACE系统评价油品的燃烧效率；2.3学会评价自制

5、的二茂铁及其衍生物对柴油的助燃和消烟作用。二、实验局部1 根本原理1.1 燃烧热的测量原理利用氧弹卡计测量柴油燃烧产生的热量。根据能量守恒定律，样品完全燃烧放出的热量促使卡计本身及其周围的介质本实验用水温度升高，测量介质燃烧前后温度的变化，就可求算出该样品的恒容燃烧热，在量热计与环境没有热交换情况下，其关系式为：m样Qv=W(卡+水)Tm点火丝Q点火丝式中，m样为样品的质量，g；Qv为样品的恒容燃烧热，J/g；W(卡+水)为氧弹卡计和周围介质的热当量，J/K，它表示卡计和水每升高1所需要吸收的热量；W卡计+水= 14541.35(J/K)；m点火丝为点火丝的质量，g；Q点火丝为点火丝铁丝的在恒

6、容条件燃烧放出热量，其值为6694.4J/g；T为燃烧过程温度的升高值，经过雷诺作图法可校正由于系统热漏等原因产生的T的测量偏差。本实验以T/m研究添加剂对柴油燃烧效率的影响规律。1.2 不完全燃烧条件下二茂铁对燃油燃烧效率及燃烧速率的影响根据上面的实验原理与方法，对于不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧的影响可从燃烧速率T/t，燃烧效率T/m以及燃烧后炭渣的重量和尾气成分的变化三个方面进展研究，尾气可通过氧弹装置中的排气孔收集，利用相关的分析方法进展尾气的定性和定量测定。以寻找二茂铁与柴油量的最正确配比，从而了解二茂铁作为柴油燃烧过程中的添加剂其环保价值和经济价值。2 实验仪器2.1 主要仪器G

7、R3500型氧弹式热量计及氧弹式热量计控制箱(科学仪器厂)、电子天平、镊子、玻璃棒、试管、试管架、移液管、洗耳球2.2 主要试剂二茂铁、柴油3 实验步骤3.1 不完全燃烧条件下二茂铁对柴油燃烧燃值和燃烧速率的影响充氧压力：0.9atm.(1)称取柴油1.2克,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取温度差T;(2)称取柴油1.2克,参加二茂铁(自合成样品或标准试剂样品)，使柴油中二茂铁含量 1.0%;,测量柴油燃烧前后温度随时间变化曲线,经雷诺作图法求取T;(3)2. 通过T，分别计算柴油和添加了二茂铁柴油燃烧QV、T/m;并仔细观察坩埚灰渣情况和排出气体气味,称量灰渣重量.(4)

8、.通过燃烧反响曲线,通过燃烧时温度上升的速率和T，求取T/t.比拟不同配比的柴油其燃烧速率的差异.(5).分别测定一定量柴油和添加了二茂铁柴油燃烧后尾气排放中二氧化硫和二氧化氮的含量.3.2 二氧化硫气体的测定实验步骤3.2.1 二氧化硫标准曲线的绘制(1) 取12支10ml具塞比色管,分A、B两组分别对应编号,A组按下表配制标准系列二氧化硫标准系列标准使用液浓度1.00µg /mL工程管号012345SO2标准液/mL00.501.002.005.008.00甲醛吸收液/mL10.009.509.008.005.002.00SO2含量/µg00.501.002.005.0

9、08.00SO2含量ug/ml00.050.10.20.50.8(2) B管组各管中分别参加0.05%PRA使用液1ml。(3) A管组分别参加浓度为0.06%胺磺酸钠溶液0.5ml，浓度为1.5mol/L氢氧化钠0.5ml,混匀.(4) 逐管迅速分别将A管中溶液全部倒入对应编号并已装有PRA使用液的B管中.立即具塞摇匀后显色.5分钟后以水为参比溶液，在577nm处测定样品中二氧化硫含量.(5) 将扣除空白试样的吸光度与二氧化硫含量作图,可得二氧化硫标准曲线.3.2.2 样品测定将4.00ml甲醛缓冲吸收液放入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气.然后将吸收瓶中的样品全部移入10ml比色管中,用

10、少量甲醛缓冲液洗涤吸收管,倒入比色管中,并用吸收液稀释至5.0ml标线.参加0.060%胺磺酸钠0.5ml,摇匀.放置10分钟,以除去氮氧化物干扰,参加1.50ml/mol氢氧化钠0.5ml,混匀.再将此管中溶液倒入已装入PRA使用液1ml的比色管中,具塞摇匀，室温下显色5分钟后在577nm处测定所测样品消光值。根据消光值通过二氧化硫标准曲线查得相应二氧化硫浓度，计算排放的二氧化硫总量，以每克柴油放出二氧化硫的微克数衡量燃烧尾气中二氧化硫的排放量。3.3 二氧化氮气体的测定方法-盐酸萘乙二胺分光光度法3.3.1 二氧化氮标准曲线的绘制(1) 取六支10ml具塞比色管，按下表配置成亚硝酸钠标准溶

11、液系列亚硝酸钠标准溶液标准使用液浓度2.5µg/mL工程管号012345亚硝酸钠标准液/mL00.400.801.201.602.00水/mL2.001.601.200.800.400.00显色液/mL8.008.008.008.008.008.00亚硝酸浓度µg/mL00.100.200.300.400.50(2)将各管混合均匀,置于暗处中放置20min(室温低于20时显色40min以上)后,用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度.(3)将扣除空白试样的吸光度与亚硝酸浓度作图,可得亚硝酸钠标准曲线.3.3.2 样品测定将5.00ml二氧化氮显示液放

12、入吸收瓶中,用于吸收氧弹中的燃烧尾气.然后将吸收瓶中的样品暗处放置20min(室温低于20时显色40min以上),用1cm比色皿,在波长540nm处，以水为参比液，测定其吸光度，将所测消光值在二氧化氮标准曲线上查得相应二氧化氮浓度，计算排放二氧化氮的总量，以每克柴油放出二氧化氮的微克数衡量尾气中二氧化氮的排放量。.4 实验数据处理4.1 NO2含量的测定1在没有二茂铁，不完全燃烧的条件下柴油的燃烧情况和燃烧数据分别如表1和表2所示。表1 柴油的燃烧情况无二茂铁，不完全燃烧柴油质量/ g燃烧前铁丝质量/g燃烧后铁丝质量/g柴油渣质量/g烧掉的油的质量/g1.00950.01220.00400.1

13、5290.8566表2 柴油燃烧热数据无二茂铁，不完全燃烧点火前点火后后期温度时间/min温度/时间/min温度/时间/min温度/1.027.3324.027.35210.029.0432.027.3385.027.58211.029.1143.027.3436.028.03112.029.1657.028.40413.029.2058.028.79414.029.2379.028.94815.029.263根据表2的数据进展雷诺校正，可绘制如图1所示的时间-温度曲线。图1 T-t雷诺校正曲线无二茂铁，不完全燃烧则温度差T=29.04-27.36=1.68k，根据并忽略燃烧的铁丝的质量，可得

14、：QV = W卡计+水×T÷m样=14541.35 J/k×1.68k÷0.8566g=28519.108 J/g t=9.0-4.0=5min即300s所以燃烧速率为:T/t=1.68K÷300s = 0.00560K/s燃烧效率为：T/m =1.68K ÷0.8566g = 1.96K/g2在添加0.0096g二茂铁，不完全燃烧的条件下柴油的燃烧情况和燃烧数据分别如表3和表4所示。表3 柴油的燃烧情况0.0096g二茂铁，不完全燃烧柴油/ g燃烧前铁丝质量/g燃烧后铁丝质量/g柴油残渣质量/g烧掉的油的质量/g0.98650.12

15、10.01030.15030.8362表4 柴油燃烧热数据0.0096g二茂铁，不完全燃烧点火前点火后后期温度时间/min温度/时间/min温度/时间/min温度/1.030.6385.030.85911.032.5102.030.6286.031.61812.032.5573.030.6207.031.98513.032.5964.030.6168.032.22414.032.6299.032.35810.032.447根据表4的数据进展雷诺校正，可绘制如图2所示的时间-温度曲线。图2 T-t雷诺校正曲线0.0096g二茂铁，不完全燃烧则温度差T=32.372-30.587=1.785k 所

16、以QV = W卡计+水×T÷m样=14541.35 J/k×1.785k÷0.8362g=31040.791 J/g因为t=10-5=5min即300s所以燃烧速率为:T/t=1.785K÷300s = 0.00595K/s燃烧效率为：T/m =1.785K ÷0.8362g = 2.13K/g结论：根据以上数据分析可知，参加二茂铁的柴油的燃烧热、燃烧速率和燃烧效率均大于不加二茂铁的柴油燃烧速率。3NO2标准曲线的绘制实验中测得样品1的吸光度如表5所示。表5 样品1的吸光度测NO2含量NO2含量ug/mL00.010.020.030.

17、040.05吸光度A0.1110.1740.2430.2940.3600.455扣除空白后吸光度0.0000.0630.01320.1830.2490.344根据表5的数据可以绘制NO2浓度标准曲线，如图3所示。图3 NO2浓度标准曲线根据图2可知，NO2的标准曲线方程为：Y = 0.66654* -0.0045当没有加二茂铁时，其吸光度是A1=0.132，则NO2的浓度*=0.205g/mL则每克柴油燃烧放出的NO2量为1.197g；当加0.0096g二茂铁时，其吸光度是A2=0.151，则NO2的浓度*=0.234g/mL则每克柴油燃烧放出的NO2量为1.399g。4.1 SO2含量的测定

18、1在没有二茂铁，不完全燃烧的条件下柴油的燃烧情况和燃烧数据分别如表6和表7所示。表6 柴油的燃烧情况无二茂铁，不完全燃烧柴油/ g燃烧前铁丝质量/g燃烧后铁丝质量/g柴油残渣质量/g烧掉的油的质量/g1.01160.01260.0036g0.14750.8641表7 柴油的燃烧热数据无二茂铁，不完全燃烧点火前点火后后期温度时间/min温度/时间/min温度/时间/min温度/1.032.0335.032.57610.034.0282.032.0026.033.30411.034.0773.031.9957.033.65112.034.1144.031.9898.033.84913.034.14

19、39.033.96114.034.170根据表7的数据进展雷诺校正，可绘制如图4所示的时间-温度曲线。图4 T-t雷诺校正曲线无二茂铁，不完全燃烧则温度差T=33.921-32.179=1.742k所以QV = W卡计+水×T÷m样=14541.35 J/k×1.742k÷0.8641g= 29314.93J/gt=9-4.5=4.5min即270s则燃烧速率为:T/t=1.742K÷270s = 0.00645K/s燃烧效率为：T/m = 1.742K÷0.8641g = 2.016K/g2在添加0.0100g二茂铁，不完全燃烧的条

20、件下柴油的燃烧情况和燃烧数据分别如表8和表9所示。表8 柴油的燃烧情况0.0100g二茂铁，不完全燃烧柴油/ g燃烧前铁丝质量/g燃烧后铁丝质量/g柴油残渣/g烧掉的油/g0.99750.01230.00750.12050.877表9 柴油的燃烧数据0.0100g二茂铁，不完全燃烧点火前点火后后期温度时间/min温度/时间/min温度/时间/min温度/1.029.2365.029.40210.031.0642.029.2116.030.05311.031.1403.029.1997.030.50412.031.2044.029.1938.030.77913.031.2479.030.953根

21、据表9的数据进展雷诺校正，可绘制如图5所示的时间-温度曲线。图5 T-t雷诺校正曲线0.0100g二茂铁，不完全燃烧则温度差T=30.940-29.090=1.850kQV = W卡计+水×T÷m样=14541.35 J/k×1.850k÷0.877g= 30674.46J/gt=9.0-4.5=4.5min即270s则燃烧速率为:T/t=1.850K÷270s = 0.00685K/s燃烧效率为：T/m = 1.850K÷0.877g = 2.109K/g结论：根据以上数据分析可知，参加二茂铁的柴油的燃烧热、燃烧速率和燃烧效率均大于

22、不加二茂铁的柴油燃烧速率。3SO2标准曲线的绘制实验中测得样品2的吸光度如表10所示。表10 样品2的吸光度测SO2含量SO2含量ug/mL00.050.10.20.50.8吸光度A0.0500.0680.0840.1080.1650.228扣除空白后吸光度0.000.0180.0340.0580.1150.178根据表10的数据可以绘制SO2浓度标准曲线，如图6所示。图6 SO2浓度标准曲线根据图6可知，SO2的标准曲线方程为：Y = 0.2148* + 0.0081当没有加二茂铁时，其吸光度是A1=0.084，则SO2的浓度*=0.353g/mL则每克柴油燃烧放出的SO2量为2.860g；当加0.0100g二茂铁时，其吸光度是A2=0.072，则SO2的浓度*=0.344g/mL则每克柴油燃烧放出的SO2量为2.371g。三、结果与讨论将以上的数据处理进展整理，可得：表11 不同配比的二茂铁-柴油混合体系不完全燃烧时燃烧效率及燃烧率柴油质量/g二茂铁质量/ gT/KQv/(J/molT/t/(K/s)T/m/(K/g)NO2含量/(ug/g)SO2含量/(ug/g)11.00951.6828519.110.005601.961.19720.98650