燃料丁醇及其异构体产生的热能

燃料:化学性质和用途

燃料被定义为储存势能的材料，当势能释放时，可以用作热能。^[6]燃料可以储存为通过燃烧释放的化学能，也可以储存为热能来源的核能，有时也可以储存为不燃烧而通过氧化释放的化学能。化学燃料可分为常见的固体燃料、液体燃料和气体燃料，此外还有生物燃料和化石燃料。此外，这些燃料可以分为它们发生的基础;第一种是自然的，第二种是人为的。例如，煤、石油和天然气是主要类型的化学燃料，而木炭、乙醇和丙烷是次要类型的化学燃料。^[6]

酒精是化学燃料的液态形式，通式为C_nH_{2 n + 1}羟基包括常见的类型，如甲醇，乙醇和丙醇。^[4]另一种这样的燃料是丁醇。这四种被称为前四种脂肪醇的物质，可以化学和生物合成，都具有高辛烷值，这增加了燃料效率，并表现出或具有允许燃料用于内燃机的特性。^[3]

如上所述，液态化学酒精燃料的一种形式是丁醇。丁醇是一种4碳可燃液体(有时是固体)醇，它有4种可能的异构体:正丁醇、仲丁醇、异丁醇和叔丁醇。^[3]它的四链碳氢化合物链很长，因此它是非极性的。^［5］在化学性质上没有任何差异，它可以由生物质(被称为“生物丁醇”)和化石燃料生产，成为“石油丁醇”。一种常见的生产方法是，像乙醇一样，发酵，并使用细菌acetobutylicum梭状芽胞杆菌发酵原料，包括甜菜、甘蔗、小麦和稻草。^[２]另外，它的同分异构体在工业上由以下原料生产:

• 丙烯:在铑基均相催化剂的存在下，经过氧氧反应，转化为丁醛，然后氢化生成正丁醇;
• 1-丁烯或2-丁烯水合生成2-丁醇;或
• 作为异丁烷生产环氧丙烷的副产物、异丁烯的催化水化反应以及丙酮和甲基镁生成叔丁醇的格氏反应的副产物。

丁醇异构体的化学结构遵循如下所示的4链结构，每一个都显示了不同的碳氢化合物位置。

这些都是用分子式C做出来的₄H₉OH代表正丁醇CH_3.CH CH(哦)₂CH_3.对于仲丁醇和(CH_3.）_3.COH代表叔丁醇。它们都是C的基₄H₁₀O. Kekulé公式可以在图片中看到。

从这些结构中，所表现出的能量释放特征主要是由于所有异构体都具有键。作为参考，甲醇只有一个碳(CH_3.OH)而丁醇有4个。反过来，与其他燃料相比，更多的能量可能通过分子键释放出来，而丁醇中分子键可能被打破，这个能量量如下所示，以及其他信息。^[1]

丁醇的燃烧遵循化学方程式

2摄氏度₄H₉哦_(左)+ 13啊_2(g)→8有限公司_2(g)+ 10 h₂O_(左)

一摩尔丁醇的燃烧焓为2676kJ/mol。
假设丁醇结构的平均键焓为5575kJ/mol。^[1]

最后，根据丁醇的不同异构体所经历的分子间作用力的不同，许多不同的性质可能会被改变^［5］．与烷烃相比，醇不仅表现出氢键的分子间作用力，而且还表现出范德华色散力和偶极-偶极相互作用^［5］．这些影响醇的沸点，醇/烷烃之间的比较，以及醇的溶解度。随着酒精中碳原子数量的增加，色散力会增加/变得更强——使它变大，反过来需要更多的能量来克服色散力。这是酒精达到沸点的驱动力。

1. 理由是:
   进行这项研究的基础是确定丁醇不同异构体产生的值和结果，包括热能燃烧，主要是由此产生的热能变化将传递。因此，这些结果将能够显示不同燃料异构体的效率水平的变化，因此，关于最有效燃料的明智决定可以被解释，并可能转移到燃料工业中最好燃料的增加使用和生产。
   
2. 假设:
   丁醇的前两种异构体(正丁醇和正丁醇)给予水的燃烧热和由此产生的热能变化将大于第三种异构体(叔丁醇)，并且，相对于前两种异构体，正丁醇将有最大的能量转移。这背后的原因是同分异构体的分子结构，以及它们所具有的沸点、溶解度等特殊性质。理论上，由于氢氧根在醇中的位置，加上结构的范德华力，^［5］燃烧产生的热量将更大，因此，能量转移。
   
3. 目的:
   本实验的目的是测量不同丁醇异构体(正丁醇、仲丁醇和叔丁醇)燃烧时的用量、温度升高和热能变化的值，并将收集到的结果进行比较，以发现和讨论任何趋势。
   
4. 方法论证:
   之所以选择温度变化的结果测量(以200ml水为单位)，是因为它将始终如一地代表水对燃料的响应温度变化。此外，它是利用现有设备确定燃料热能的最准确方法。
   为了确保实验的准确性，必须控制测量和其他变量，如用水量、使用的设备/仪器，以及在整个测试期间将相同的任务分配给同一个人，以确保稳定的记录/设置。然而，不受控制的变量包括燃料使用量和实验中各种项目(即水、燃料、锡、环境等)的温度，以及不同燃料的烈酒燃烧器中灯芯的大小。
   最后，在开始对所需燃料进行测试之前，用乙醇进行了初步测试，以测试和改进实验的设计和设备。在进行修改之前，该设备的平均效率为25%。改进的铝箔覆盖(绝缘)和盖子将效率提高到30%。这成为以后所有测试效率的标准/基础。

5. 方法:

   将一定量的燃料放入燃烧器中，使灯芯几乎完全淹没或至少完全涂覆/潮湿。这相当于大约10-13ml的燃料。一旦完成这一步，就在仪器上测量重量和温度，特别是在燃烧器和装满水的罐子上。测量结束后，为了尽量减少蒸发和汽化的影响，立即点燃烈酒燃烧器，并将锡罐烟囱装置置于高处。为了确保火焰不会消散或熄灭，给了火焰5分钟的时间来加热水。在此之后，立即测量了水温和酒精燃烧器的重量。这一过程对每种燃料重复两次。

6. 数据分析:
   使用Microsoft Excel计算每个丁醇异构体的记录数据的平均值和标准差。平均值的差异是通过彼此相减来计算的，然后用百分数除以。结果报告为平均值(标准偏差)。
7. 安全
   由于处理燃料的潜在安全问题，有许多问题必须讨论和涵盖，包括潜在的问题，正确使用和实施的安全预防措施。潜在的问题围绕着燃料的滥用和无知的操作和照明。因此，不仅泄漏、污染和吸入可能的有毒物质是一种威胁，而且燃料的燃烧、火灾和燃烧烟雾也是一种威胁。正确处理燃料是指在测试时对物质的负责任和小心处理，如果忽视或不遵循这些物质，可能会导致前面所述的威胁/问题。因此，为了保证实验条件的安全，必须采取预防措施，例如在处理燃料时使用安全眼镜，对烟雾进行充分的通风，小心移动/处理燃料和玻璃器皿，最后是一个没有外部变量可能导致事故的清晰的实验环境。

比较三种丁醇异构体(正丁醇、仲丁醇和叔丁醇)在5分钟测试周期后的平均温度变化和相关效率。注意同分异构体的效率随着其烃类位置的改变而下降。

上图显示了丁醇的不同异构体(正丁醇、仲丁醇和叔丁醇)所表现出的温度变化以及所收集数据的计算效率。在5分钟的测试期结束时，平均温度变化为34.25^o, 46.9^o和36.66^o对于正丁醇、仲丁醇和叔丁醇燃料，在计算热能变化后，相同燃料的平均效率分别为30.5%、22.8%和18%。

4.0讨论

结果清楚地显示了丁醇异构体相对于其分子结构和醇的功能基团位置的不同所表现出的趋势。趋势表明，燃料的效率随着它们通过测试的异构体以及酒精的放置而降低。以正丁醇为例，效率为30.5%，这可以归因于它的直链结构和末端碳醇位置。在正丁醇中，内醇放置在直链异构体上降低了效率，为22.8%。最后，在叔丁醇中，18%的效率是异构体分枝结构的结果，而醇的位置是内碳。

这种趋势发生的可能原因要么是机械错误，要么是同分异构体的结构。具体来说，在随后进行的试验中，效率下降了，正丁醇是第一个试验的燃料，叔丁醇是最后一个试验的燃料。由于效率下降的趋势(正丁醇比基价上升+0.5%，秒丁醇下降-7.2%，叔丁醇下降-12%)与测试顺序一致，可能是仪器质量受到了影响。另一方面，由于异构体的结构，例如，直链的正丁醇，受所述结构影响的性质，如沸点，以及较短的测试周期，可能产生了这些结果。

另外，当观察异构体的平均热能变化时，另一个趋势是可见的。可以看出，酒精的位置对量有影响。例如，正丁醇是唯一一种醇位于末端碳上的异构体。它也是一个直链结构。因此，正丁醇表现出最低的热交换量，尽管其效率较高，为34.25^o经过5分钟的测试期。二丁醇和叔丁醇都在碳上有一个功能醇基团，但二丁醇是直链结构，而叔丁醇是支链结构。从数据来看，秒丁醇表现出明显高于正丁醇和叔丁醇的温度变化量，为46.9^o．叔丁醇是36.66^o．

这意味着异构体之间的平均值差为:12.65^o仲丁醇和正丁醇之间，10.24^o介于仲丁醇和叔丁醇和2.41之间^o叔丁醇和正丁醇之间。

然而，关于这些结果的主要问题是，它们是如何/为什么发生的。围绕物质形状的一些原因提供了答案。如前所述，正丁醇和仲丁醇是丁醇的直链异构体，而叔丁醇是支链异构体。角应变，作为这些异构体形状不同的结果，使分子不稳定，并导致更高的反应活性和燃烧热-这是导致热能变化的关键力量。由于正/秒丁醇的平角性质，角应变最小，而叔丁醇的角应变较大，这将导致收集到的数据。此外，叔丁醇的熔点比n/s丁醇更大，结构更紧凑，这反过来意味着它需要更多的能量来分离键。

有人就叔丁醇表现出的效率的标准偏差提出了一个问题。正丁醇和正丁醇的标准差都是0.5^o和0.775^o，与均值的差值均小于5%，叔丁醇的标准差为2.515^o，与平均值相差14%。这可能意味着记录的数据分布不均匀。这个问题的一个可能的答案可能是由于给燃料的时间限制及其特性受到所述限制的影响，或者是由于实验设计中的错误。叔丁醇在室温下有时是固体，熔点为25^o-26年^o．由于试验的实验设计，燃料可能预先受到加热过程的影响，以便使其成为液体(因此可用于试验)，这反过来又会影响其显示的热能变化。

实验中控制的变量包括:用水量和测试时间。不受控制的变量包括:燃料的温度，环境温度，燃料用量，水的温度和燃烧器灯芯的大小。可以采用几种方法来改进这些变量，这将需要更加小心地测量每个实验阶段的燃料使用量。这将有望确保不同使用的燃料之间产生更均衡/公平的结果。此外，通过使用水浴和绝缘材料的混合，可以解决温度问题，从而更好地反映结果。最后，使用相同的清洁过的燃烧器将在所有实验中保持灯芯的大小稳定，这意味着使用的燃料量和产生的温度将是相同的，而不是分散的，不同大小的灯芯吸收更多/更少的燃料，产生更大的火焰。

另一个可能影响实验结果的变量是实验设计的修改-特别是加热/储存锡上的铝箔盖子。这种改进旨在减少热量损失和对流的影响，可能间接造成了“烤箱”式的效应，这种效应可以增加水的温度，作为燃料燃烧的火焰之外的附加作用变量。然而，由于测试的时间框架很短(5分钟)，不太可能产生有效的烤箱效果。

下一个合乎逻辑的步骤应该遵循一个更精确和全面的答案，对这项研究很简单。更好的实验设计——包括使用更精确和更有效的装置，使燃料的能量更直接地作用于水，以及增加测试周期——包括测试的时间限制和次数——将意味着可以观察到更好的燃料特性，并更准确地反映所述燃料。

实验结果提出了一个关于燃料醇功能基团的分子结构模式和位置以及每种燃料可能表现出的特征的问题。这可以引导我们寻找另一个在燃料热能和效率方面可以改进或进一步研究的领域，例如氢氧根基团的放置或结构形状，或者不同燃料及其结构/功能基团的放置对热能或效率的影响。

5.0结论

研究问题是“在丁醇的异构体中，燃料的热能变化和效率是什么?”有人问。一种最初的假设认为，由于醇的位置和物质的结构，叔丁醇的温度变化最小，其次是仲丁醇，正丁醇是热能变化最大的燃料。收集到的结果并不支持这一假设，事实上，结果几乎相反。正丁醇是热能变化最小的燃料，为34.25^o叔丁醇次之，为36.66^o正丁醇在上面，差46.9^o．然而，相比之下，燃料的效率遵循了假设中预测的趋势，其中正丁醇表现出最高的效率，其次是秒丁醇，然后是叔丁醇。这些结果的含义表明，燃料的特性和性质取决于燃料的形状/结构，并在更大程度上取决于作用醇在所述结构中的位置。本实验实际应用表明，就效率而言，正丁醇是丁醇中效率最高的异构体;然而，正丁醇会产生更大的热量。

参考资料及进一步阅读

1. 德里，L.，康纳，M.，乔丹，C.(2008)。用于IB文凭的化学
2. 课程标准水平．墨尔本:Pearson Australia。
3. 美国环境保护署污染预防和有毒物质办公室(1994年8月)。环境中的化学物质:1-丁醇．2013年7月26日，检索自http://www.epa.gov/chemfact/f_butano.txt
4. 亚当·希尔(2013年5月)。什么是丁醇?．检索自2013年7月26日，http://ww w.wisegeek.com/what-is-butanol.htm。
5. 布朗博士，P.(未指明)采购产品醇，乙醇，性质，反应和用途，生物燃料．2013年7月27日，来自http://www.docbrown.info/page04/OilProducts09.htm
6. 克拉克(2003)。介绍醇．2013年7月28日，从http://www.che mguide.co.uk/organicprops/alcohols/background.html#top
7. 休·奇泽姆编著(1911)。燃料"．Encyclopædia大英百科全书(11日ed)。剑桥大学出版社。
8. 马礼逊，博伊德(1992)。有机化学(6日ed)。新泽西州:普伦蒂斯厅。

评论

菲尼克2019年10月15日:

燃烧方程是错误的，反应物中有28个氧，但生成物中有26个氧。化学平衡是错误的。它应该是C4h9oh + 602—4co2 +5h20。