Scholarship at UWindsor
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Electronic Theses and Dissertations Theses, Dissertations, and Major Papers
1-1-1968
Determination of bond strengths by kinetic and thermochemical
Determination of bond strengths by kinetic and thermochemical
methods.
methods.
William D. K. Clark
University of Windsor
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Clark, William D. K., "Determination of bond strengths by kinetic and thermochemical methods." (1968). Electronic Theses and Dissertations. 6054.
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BY KINETIC AND THERMOCHEMICAL METHODS
BY
WILLIAM D. K . CLARK
A DISSERTATION
S u b m i t t e d t o t h e F a c u l t y o f G r a d u a t e S t u d i e s t h r o u g h t h e D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y I n P a r t i a l F u l f i l l m e n t
o f t h e R e q u i r e m e n t s f o r t h e D e g re e o f D o c t o r o f P h i l o s o p h y a t t h e
U n i v e r s i t y o f W in d s o r
W i n d s o r , O n t a r i o
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^ T ~ Q c J ^ g k ^ ~
A p a t i e n t , u n d e r s t a n d i n g , a n d l o v i n g w i f e .
A, P y r o l y s i s o f E t h y l b e n z e n e
The p y r o l y s i s o f e t h y l b e n z e n e h a s b e e n s t u d i e d i n a t o l u e n e c a r r i e r f l o w s y s te m f r o m 9 1 0 ° k t o 1089°K u s i n g t o t a l p r e s s u r e s f ro m 2 0 ,l\. mm t o 37*9 mm w i t h t o l u e n e / e t h y I b e n z e n e r a t i o s o f 37 t o I7 0 . B e n z e n e w as a l s o u s e d a s c a r r i e r . The p r o d u c t s f r o m t h e p y r o l y s i s i n c l u d e d m e t h a n e , e t h y l e n e ,
h y d r o g e n , b e n z e n e , a n d s t y r e n e . F i r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t s C£^5GH2CH3 ---> C6H5GH2 + GH3 [1]
f o r r e a c t i o n [ l ] , c a l c u l a t e d fro m t h e m e th a n e p r o d u c e d , w ere i n d e p e n d e n t o f p r e s s u r e , c o n t a c t t i m e , s u r f a c e , c a r r i e r , and t h e c a r r i e r t o e t h y l b e n z e n e r a t i o . A l e a s t s q u a r e s t r e a t m e n t o f t h e d a t a gave
l o g i o k i = 1 4 . 7 - ( 7 0 , 1 0 0 / 2 . 3 R T ) .
T h i s i s i n e x c e l l e n t a g r e e m e n t w i t h t h e r e s u l t s o b t a i n e d b y E s t e b a n , K e r r , and T r o t m a n - D ic k e n s o n u s i n g p r i m a r i l y an a n i l ' l n e c a r r i e r t e c h n i q u e . The a c t i v a t i o n e n e r g y may be e q u a t e d t o D j c ^ H ^ H2 -CH^ .
E t h y l b e n z e n e d eco m p o sed m a i n l y b y r e a c t i o n [ l ] . How e v e r , u n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s u s e d , r e a c t i o n s [2] a n d [3] a c c o u n t e d f o r
C6 H5GH2CH3 --- > + C2H|^ [2j C ^ ^ H 2 C H 3 ---> + H2 [3]
a h e t e r o g e n e o u s p r o c e s s , w h i l e [3] o c c u r r e d i n t h e g a s p h a s e . S e c o n d a r y r a d i c a l a t t a c k on t h e e t h y l b e n z e n e was o f m in o r i m p o r t a n c e .
B . T h e r m o c h e m i s tr y
The e n t h a l p y o f r e a c t i o n i n c h l o r o f o r m s o l u t i o n a t 2 5 °C a n d 1 a t m o s p h e r e p r e s s u r e
I n ( C H ^ ) ^ , c + 3B r2 ( s o l n . ) — > I n B r ^ C s o l n . ) + 3CH3B r ( g ) [V| i s - 1 6 2 . 5 k c a l / m o l e . The e n t h a l p y o f r e a c t i o n [5] u n d e r i d e n t i c a l c o n d i t i o n s
10(0113)3,0, + 2 B r 2 ( s o l n . ) — >CH3lnBr2(soln.) + 2CH3Br(g) [
5
]i s -121^..7 k c a l / m o l e . W ith t h e e n t h a l p y o f r e a c t i o n [l*] ,
A H f 2 9 5 [1 0 (0 1 1 3)3 , cj = 2 9 , 5 k c a l / m o l e , w h ic h w i t h t h e e n t h a l p y o f r e a c t i o n [ 5 ] , g i v e s A H f2 9 8 [0 H3l n B r , c J = - 8 5 . 5 k c a l / m o l e , a n d w i t h A H g u b l i m a t i o n [ln(C H3 )3 ,c J « 1 1 . 6 k c a l / m o l e g i v e s A H f2 9 8 [1 0 (0 1 1 3)3 , g j “ 4 1 * 1 k c a l / m o l e . C o m b in in g t h i s l a s t v a l u e w i t h A H ^ 2 9 8 “ 3 3 . 2 k c a l / m o l e a n d A H f2 9 8 [ ^ o , g j = 5 8 . 2 k c a l / m o l e g i v e s F ( I n - O H3 ) = 3 8 . 9 k c a l / m o l e . Prom p r e v i o u s k i n e t i c s t u d i e s , D |( 0 H 3 )2 lo -0 H 3 + D l o - O H ^ = 8 7 . 9 k c a l / m o l e . H ence D [c H 3 ln -0 H 3 j = 2 8 . 8 k c a l / m o l e .
I n p r e p a r a t i o n f o r more r e f i n e d s t u d i e s on m e t a l a l k y l c o m p o u n d s, t h e c a l i b r a t i o n o f a r o t a t i n g bomb c a l o r i m e t e r was c a r r i e d o u t . A t h e r m i s t o r was u s e d a s t h e t e m p e r a t u r e
T
l i s • ° r a
InR » ■ "m + B [6 ]
>-“R = n é a + s ' - [8] a n d
W e
t o a b o u t t h e same d e g r e e o f a c c u r a c y . The v a r i a t i o n o f t e m p e r a t u r e w i t h t im e f o r t h e c a l o r i m e t e r f o l l o w e d t h e e q u a t i o n
§ 2 - u + g ( T j - T ) . [9]
N u m e r i c a l t e c h n i q u e s w ere u s e d t o t e s t e q u a t i o n s [6] t h r o u ^ [9] , a n d t o e v a l u a t e ^ d t i n t h e c a l c u l a t i o n o f th e t e m p
I w o u ld l i k e t o t a k e t h i s o p p o r t u n i t y t o a c k n o w le d g e w i t h t h e d e e p e s t g r a t i t u d e D r . 8 . J . W. P r i c e whose h e l p , g u i d a n c e , a n d e n c o u r a g e m e n t made t h i s w o rk p o s s i b l e .
I w o u ld a l s o l i k e t o t h a n k M e s s r s . O t t o a n d P e t e r B r u d y a n d t h e C e n t r a l M a c h in e Shop a t t h i s u n i v e r s i t y f o r t h e i r e x c e l l e n t w ork i n t h e c o n s t r u c t i o n o f th e r o t a t i n g bomb c a l o r i m e t e r .
Page DEDICATION ... i i ABSTRACT ... i l l ACKNOWLEDGEMENTS ... v l
LIST OF TABLES ... i x
LIST OF FIGURES ... x TABLE OF NOMENCLATURE ... x i i CHAPTER
I I n t r o d u c t i o n
I n t r o d u c t o r y C o n c e p t s a n d D e f i n i t i o n s . • • • • • • • . . I D e t e r m i n a t i o n o f Bond D i s s o c i a t i o n E n e r g i e s . . . . 3 D e t e r m i n a t i o n o f H e a t s o f F o r m a t i o n . . . 5 N u m e r i c a l M e th o d s a n d C o m p u te r T e c h n i q u e 6 I I T h e o r e t i c a l C o n s i d e r a t i o n s
K i n e t i c D e t e r m i n a t i o n o f Bond E n e r g i e s 8 C a lo r i m e t r i e D e t e r m i n a t i o n o f Bond E n e r g i e s . . . . 12 N u m e r i c a l M e th o d s o f A n a l y s i s ... 33 I I I P y r o l y s i s o f E t h y l b e n z e n e
P r e p a r a t i o n o f M a t e r i a l s ... 41 A p p a r a t u s a n d P r o c e d u r e ... 41 R e s u l t s and D i s c u s s i o n ... $ 0
IV R e a c t i o n C a l o r i m e t r y o f T r i m e t h y l i n d i u m
P r e p a r a t i o n o f M a t e r i a l s ... 7 9 A p p a r a t u s and P r o c e d u r e ... 61 R e s u l t s an d D i s c u s s i o n ... 90 V R o t a t i n g Bomb C a l o r i m e t r y o f T r i m e t h y l i n d i u m
P r e p a r a t i o n o f M a t e r i a l s ... 9 6 A p p a r a t u s a n d P r o c e d u r e ... 9 6 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n ... 10?
V I S u g g e s t i o n s f o r F u r t h e r R e s e a r c h
T r i m e t h y l i n d i u m ... 1 3 5
T r i m e t h y l t h a l l i u m ... 1 3 6 T riroe t h y l g a l l i u m ... 1 3 7
APPENDIX ... 1 3 8 BIBLIOGRAPHY ... 15^. VITA AUCTORIS ... 1 5 8
T a b le Page 1* P y r o l y s i s o f E t h y l b e n z e n e , F u n d a m e n ta l D a ta
a n d t h e F i r s t O r d e r R a te C o n s t a n t 52 2 . P y r o l y s i s o f E t h y l b e n z e n e , P r o d u c t s o f
t h e R e a c t i o n ... 55 3 . P y r o l y s i s o f E t h y l b e n z e n e , P r o d u c t R a t i o s
W ith R e s p e c t t o E t h y l b e n z e n e and M ethane ... 58 4 . P y r o l y s i s o f B e n z e n e , F u n d a m e n t a l D a t a ,
P r o d u c t s , and F i r s t - O r d e r R a te C o n s t a n t s . . . 6 7 5 . R a te C o n s t a n t s f o r t h e M o l e c u l a r Breakdown
o f E t h y l b e n z e n e ... «... 72 6 . R e a c t i o n o f T r i m e t h y l i n d i u m W ith V a r i o u s
S u b s t a n c e s . . . 92 7 . E n t h a l p y o f R e a c t i o n o f T r i m e t h y l i n d i u m w i t h
B rom ine i n C h l o r o f o r m S o l u t i o n ... 92 8 . C a l i b r a t i o n o f T h e r m i s t o r s a g a i n s t C a l i b r a t e d
T h e rm o m e te rs . . . 109 9 . T e s t f o r t h e P o ly n o m ia l C u r v e - f i t t i n g P ro g ra m . . . . m 1 0 . P o l y n o m i a l C urve F i t s t o t h e T h e r m i s t o r
C a l i b r a t i o n D a ta ... 112 1 1 . D a t a f o r t h e P l o t o f d T / d t v s T . . . I I9 1 2 . R e s u l t s o f T e s t s t o E v a l u a t e t h e B e s t
M ethod o f N u m e r i c a l I n t e g r a t i o n ... 1 2 4 1 3 . D e t e r m i n a t i o n o f t h e E n e r g y E q u i v a l e n t
o f t h e C a l o r i m e t e r ... 126 1 4 . C o n v e rg e n c e o f V a l u e s i n t h e C a l i b r a t i o n P ro g ra m . 1 2 8 1 5 . H e a t o f C o m b u stio n o f A u x i l i a r y M a t e r i a l s . . . 1 3 0
F i g u r e Pag® 1 . T im e- t e m p e r a t u r e c u r v e f o r a b o m b - c a l o r i m e t r i e
e x p e r i m e n t ... 2 . S c h e m a tic d i a g r a m o f t o l u e n e c a r r i e r f lo w
s y s te m ...* ... 42 3 . E t h y l b e n z e n e i n j e c t i o n s y s te m ... 45 Ij.. P la c e m e n t o f h e a t i n g w i n d i n g s on f u r n a c e b l o c k
f o r t e m p e r a t u r e p r o f i l e c o n t r o l . . 46 5 . A t y p i c a l t e m p e r a t u r e p r o f i l e ... 46 6 . S c h e m a ti c d i a g r a m o f t h e i n j e c t i o n s y s te m
u s e d f o r g a s a n a l y s i s ... 49 7 . A r r h e n i u s p l o t o f t h e f i r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t s
f o r t h e p y r o l y s i s o f e t h y l b e n z e n e ... 63 6 . A r r h e n i u s p l o t o f t h e f i r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t s
f o r t h e p y r o l y s i s o f b e n z e n e ... 68 9 . A r r h e n i u s p l o t o f t h e f i r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t
f o r r e a c t i o n [12] 73
1 0 . A r r h e n i u s p l o t o f t h e f i r s t - o r d e r r a t e c o n s t a n t
f o r r e a c t i o n [ l l ] ... 74 1 1 . A p p a r a t u s f o r t h e p r o d u c t i o n o f t r i m e t h y l i n d i u m . . . 80 1 2 . R e a c t i o n c a l o r i m e t e r f o r t r i m e t h y l i n d i u m s t u d y . . . . 82 1 3 . C i r c u i t d i a g r a m f o r th e e l e c t r i c a l c a l i b r a t i o n
o f th e r e a c t i o n c a l o r i m e t e r u s e d i n t h e
t r i m e t h y l i n d i u m s t u d y ... . . . 83 1 4 . S t o r a g e v e s s e l f o r t h e IN b ro m in e i n
c h l o r o f o r m s o l u t i o n ... 84 1 5 . V e s s e l f o r r e l e a s e o f in d iu m t r i b r o m i d e
i n t o c h l o r o f o r m ... 86 1 6 . V a r i a t i o n o f t h e h e a t o f r e a c t i o n o f t r i m e t h y l i n d i u m
w i t h b r o m in e i n c h l o r o f o r m s o l u t i o n a t 25°C . . . 89
1 7 . P h o t o g r a p h o f th e r o t a t i n g bomb c a l o r i m e t e r 9^. I8 « P h o t o g r a p h o f t h e c a l o r i m e t e r b u c k e t . . . 9 6 1 9 . D iag ram o f t h e bomb h e a d ... i o 5 2 0 . T h e i m i s t o r c a l i b r a t i o n r p l o t o f l / l n R v s T . . . 1 1 5 2 1 . T h e r m i s t o r c a l i b r a t i o n ; p l o t s o f InR v s 1 / T ,
B, and InR v s l / ( T + @ ) , A ... I I6 2 2 . T h e r m i s t o r c a l i b r a t i o n : p l o t o f T v s InR ... 1 1 7 2 3 . C h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e c a l o r i m e t e r : p l o t o f
d T /d t v s T ... 118
2 4 . T e s t c u r v e g e n e r a t e d fro m two h y p e r b o l a s f o r e v a l u a t i o n o f t h e b e a t m ethod o f n u m e r i c a l
i n t e g r a t i o n ... 122
S t a n d a r d h e a t o f f o r m a t i o n a t 298°K A H p r o o e s s H e a t o f p r o c e s s i n d i c a t e d
D Bond D i s s o c i a t i o n E n e r g y K T r a n s m i s s i o n c o e f f i c i e n t k B o l t z m a n n 's c o n s t a n t
k i R a te c o n s t a n t f o r p r o c e s s i ll P l a n c k ' s c o n s t a n t
T A b s o l u t e t e m p e r a t u r e P ( T ) T o t a l p a r t i t i o n f u n c t i o n
^'i P a r t i t i o n f u n c t i o n o f d e g r e e o f f r e e d o m i m M ass o f a m o l e c u l e
R U n i v e r s a l g a s c o n s t a n t
A,B,C Moments o f i n e r t i a o f a m o l e c u l e V V i b r a t i o n a l f r e q u e n c y
®exp E x p e r i m e n t a l a c t i v a t i o n e n e r g y
Ê' Mean o r a v e r a g e b o n d d i s s o c i a t i o n e n e r g y E I n t e r n a l e n e r g y
H E n t h a l p y
P P r e s s u r e
V Volume
C l H e a t c a p a c i t y a t c o n s t a n t th e rm o d y n a m ic v a r i a b l e i
E n t r o p y
H e a t fro m i g n i t i o n e n e r g y
% H e a t f r o m f o r m a t i o n o f n i t r i c a c i d 9 s u b s t a n c e H e a t fro m c o m b u s ti o n o f s u b s t a n c e Eq H e a t o f c o m b u s ti o n
INTRODUCTION
I n t r o d u c t o r y C o n c e p t s and D e f i n i t i o n s
The s t r e n g t h o f t h e c h e m i c a l b o n d i s o f p r im e i m p o r t a n c e f o r t h e q u a n t i t a t i v e t r e a t m e n t o f c h e m i c a l r e a c t i o n s . The e x o t h e r m i c i t y o f e n d o t h e r m i c i t y o f a c h e m i c a l p r o c e s s i s d e t e r m i n e d b y Which b o n d s a r e fo rm e d and w h i c h b o n d s a r e b r o k e n . T h i s l i b e r a t i o n o r a b s o r p t i o n o f e n e r g y i n c o n j u n c
t i o n w i t h s t r u c t u r a l c o n s i d e r a t i o n s o f t h e p r o d u c t s a n d r e a c t a n t s d e t e r m i n e s t h e f e a s i b i l i t y o f c h e m i c a l r e a c t i o n . The r u p t u r e o f a p a r t i c u l a r b o n d i n one m o l e c u l e a n d t h e
s t a b i l i t y o f t h e s e e m i n g l y same b o n d i n a n o t h e r m o l e c u l e g i v e s i n f o r m a t i o n a s t o t h e d i f f e r e n c e s i n e l e c t r o n i c c o n f i g u r a t i o n o f t h e two c a s e s a n d s h e d s new l i g h t on t h e e x i s t i n g t h e o r i e s o f v a l e n c e . The c o n t r a s t i n t h e d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s i n t h e N-N b o n d i n n i t r o g e n t e t r o x i d e an d t h e N-N b o n d i n t h e n i t r o g e n m o l e c u l e (1 2 . 9 k c a l and 2 2 5 . 0 k c a l
r e s p e c t i v e l y ( 1 ) ) I l l u s t r a t e s d r a m a t i c a l l y t h e d i f f e r e n c e s i n t h e b i n d i n g f o r c e s b e tw e e n t h e n i t r o g e n a t o m s . T h e r e f o r e , t h e c o n c e p t o f a b o n d e n e r g y i s i m p o r t a n t i n t h e a r e a s o f c h e m i c a l k i n e t i c s a n d i s i n t e g r a l l y r e l a t e d i n t h e c o n c e p t o f t h e c h e m i c a l b o n d .
The d i s s o c i a t i o n e n e r g y , D(Rj^-R2 ) , i n t h e m o l e c u l e ( o r r a d i c a l ) M i s t h e e n d o t h e r m i c i t y o f t h e r e a c t i o n i n w h ic h M
i s d eco m p o se d i n t o tw o f r a g m e n t s R i a n d R2 f o r m e d b y b r e a k i n g t h e b o n d R1 -R2 (2 ) , p r o v i d e d t h e r e c o m b i n a t i o n o f Rj^ and R2 p r o c e e d s w i t h z e r o a c t i v a t i o n e n e r g y .
M — > + ^ 2 " D (R i-R2 ) k c a l / m o l e . [ l ]
The e n d o t h e r m i c i t y i s c o m p u te d f o r t h e r e a b t a n t s a n d p r o d u c t s i n t h e g a s e o u s p h a s e , a t z e r o p r e s s u r e and a t 0 ° K.
The h e a t o f a t o m i z a t i o n o f a m o l e c u l e i s e q u a l t o t h e sum o f t h e d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s o f a l l t h e b o n d s t h a t h a v e t o be b r o k e n t o l e a v e a m o l e c u l e a s s e p a r a t e a to m s ( 2 ) . I n t h e c a s e o f w a t e r :
H2O ---- > H + OH - D(H-OH) OH ---- > H + OH - D(O-H)
The h e a t o f a t o m i z a t i o n i s D(H-OH) + D (O -H ). The d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s o f a bond b e tw e e n a n y two g i v e n a to m s b u t r e f e r r e d t o d i f f e r e n t f r a g m e n t s w i l l n o t u s u a l l y be e q u a l . F o r e x a m p le ;
D(H-OH) = 1 1 8 k c a l / m o l e , D(O-fi) = 1 0 0 k c a l / m o l e .
The a v e r a g e b o n d e n e r g y , Ê , f o r t h e m o l e c u l e AX^ i s d e f i n e d a s l / n o f i t s h e a t o f a t o m i z a t i o n . T h e r e f o r e i n t h e c a s e o f t h e w a t e r m o l e c u l e , t h e a v e r a g e b o n d e n e r g y fr o m a b o v e i s 1 0 9 k c a l / m o l e .
The u s u a l s t a n d a r d s t a t e f o r e l e m e n t s i s d e f i n e d a s t h e i r m o st s t a b l e f o r m w h i c h e x i s t s a t 2 9 8 ^K a n d u n i t f u g a c i t y ( 4 )« s u c h a s t a t e , Hie e l e m e n t s a r e c o n s i d e r e d t o h a v e z e r o e n t h a l p y . F o r w a t e r a g a i n ,
H2(g) + 0 2(8) HgO (1 ).
“ ®rxn + 8) + ®f29S*°2» s).
H ? 2 , 8 ( “ 2 °.1 -) - H « d.
a s t h e v a l u e s o f t h e h e a t o f f o r m a t i o n o f o x y g e n a n d h y d r o g e n i n t h e i r s t a n d a r d s t a t e s are z e r o .
From h e a t o f f o r m a t i o n d a t a f o r p r o d u c t s a n d r e a c t a n t s , i t i s a l s o p o s s i b l e t o a r r i v e a t a v e r a g e b o n d e n e r g i e s . F o r t h e p r o c e s s ,
HgOtg) ---- > 2H (g) + 0 ( g )
t h e h e a t o f t h e r e a c t i o n i s t h e h e a t o f a t o m i z a t i o n a n d a s two b o n d s a r e b r o k e n ,
® “ H r x n / 2 [2]
T h e r e f o r e b o n d d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s a n d h e a t s o f f o r m a t i o n o f a to m s o r r a d i c a l s a r e i n t e g r a l l y r e l a t e d .
D e t e r m i n a t i o n o f Bond D i s s o c i a t i o n E n e r g i e s M e th o d s o f e s t i m a t i n g b o n d d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s b y i n v e s t i g a t i n g t h e p r o c e s s o f b o n d - b r e a k i n g may be d i v i d e d i n t o t h r e e g r o u p s , a c c o r d i n g t o t h e fo rm i n w h ic h e n e r g y i s
d e c o m p o s i t i o n . The a p p l i c a t i o n o f t h e f i r s t two m e th o d s i s l i m i t e d t o s i m p l e m o l e c u l e s due t o t h e c o m p l e x i t y o f t h e s p e c t r a i n v o l v e d . The l a t t e r two m e th o d s o n l y g i v e a n u p p e r l i m i t f o r t h e r e s p e c t i v e bo n d d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s .
The e l e c t r o n i m p a c t m eth o d h a s t h e e n e r g y s u p p l i e d b y a beam o f e l e c t r o n s . A g a i n , t h i s m eth o d o n l y g i v e s an u p p e r l i m i t t o t h e d i s s o c i a t i o n e n e r g y . The f o rm o f t h e d i s s o c i a t i o n i s i n t o i o n s r a t h e r t h a n a to m s o r r a d i c a l s a n d l e a d s t o d i f f i c u l t y s o m e tim e s i n t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e i o n i z a t i o n p o t e n t i a l (5 ) .
The t h i r d g r o u p i n c l u d e s a l l m e th o d s i n w h i c h e n e r g y s u p p l i e d t o t h e m o l e c u l e i s t h e r m a l e n e r g y . T h e s e m e th o d s c o n s i s t o f two s u b g r o u p s : t h e e q u i l i b r i u m m eth o d a n d t h e k i n e t i c m e th o d .
The e q u i l i b r i u m m e th o d ( 2 ) i s b a s e d on t h e m e a su re m e n t o f t h e e q u i l i b r i u m c o n s t a n t o f t h e g a s e o u s r e a c t i o n
^ 1 ^ 2 — ^ ^ 1 * ^ 2 [ ) ]
w here a n d R£ a r e t h e r a d i c a l s o r a to m s f o r m e d b y t h e r u p t u r e o f Hxe b o n d i n q u e s t i o n . T h i s m eth o d i s p a r t i c u l a r l y s u i t e d f o r s t u d i e s o f t h e d i s s o c i a t i o n e n e r g i e s o f d i a t o m i c m o l e c u l e s , b u t i s f o u n d l a c k i n g f o r t h e c a s e s w h e re R ^, a r e r a d i c a l s . The e q u i l i b r i u m i n t h i s l a t t e r c a s e i s d i s r u p t e d b y t h e a t t a c k o f t h e r a d i c a l s on t h e p a r e n t s p e c i e s , a n d / o r r e a c t i o n s b e tw e e n Rj^ a n d R£ w h i c h l e a d t o p r o d u c t s o t h e r t h a n t h e p a r e n t m o l e c u l e .
T h i s a s s u m p t i o n h a s s t r o n g e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e f o r s m a l l r a d i c a l s a n d a to m s ( 6 ) . As a r e s u l t , t h e a c t i v a t i o n e n e r g y f o r t h e u n i m o l e c u l a r d i s s o c i a t i o n p r o c e s s i s e q u a t e d t o t h e d i s s o c i a t i o n e n e r g y o f t h e R]_-R2 b o n d ( 5 ) . The r e q u i r e d a c t i v a t i o n e n e r g y c a n be c o m p u te d fro m t h e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t o f t h e u n i m o l e c u l a r d i s s o c i a t i o n r a t e c o n s t a n t w h ic h i s t h e s l o p e o f a p l o t o f t h e l o g o f t h e r a t e c o n s t a n t v s r e c i p r o c a l t e m p e r a t u r e . The a c c u r a c y o f t h e d e s i r e d v a l u e d e p e n d s on t h e a c c u r a c y o f t h e r a t e c o n s t a n t , a n d t h e l e n g t h o f t h e t e m p e r a t u r e r a n g e . S y s t e m i c e r r o r s i n t h e v a l u e s o f t h e r a t e c o n s t a n t s due t o s i d e r e a c t i o n s o f t h e r a d i c a l s R^ a n d R2 c a n be m in i m iz e d w i t h t h e s u p p r e s s i o n o f s u c h r e a c t i o n s b y a r a d i c a l s c a v e n g e r .
D e t e r m i n a t i o n s o f H e a t s o f F o r m a t i o n
H e a t s o f r e a c t i o n , a n d h e n c e h e a t s o f f o r m a t i o n a r e m e a s u r e d c a l o r i m e t r i c a l l y . The t y p e o f c a l o r i m e t e r u s e d d e p e n d s upon t h e t y p e o f r e a c t i o n i n v o l v e d , t h e am ount o f h e a t e x c h a n g e d , a n d t h e d u r a t i o n o f t h e r e a c t i o n ( 7 ) . M o st c a l o r i me t r i e e e t h b d s h a v e i n common t h e m e a s u re m e n t o f t h e t e m p e r a t u r e r i s e o f a known am o u n t o f c a l o r i m e t r i c f l u i d w h i c h h a s e x c h a n g e d h e a t w i t h t h e r e a c t i o n o r p r o c e s s u n d e r s t u d y .
The e n e r g y e q u i v a l e n t o r h e a t c a p a c i t y o f t h e s e c a l o r i m e t r i c s y s t e m s i s d e t e r m i n e d b y c a l i b r a t i o n w i t h e i t h e r e l e c t r i c a l e n e r g y o r a r e a c t i o n o f known h e a t c o n t e n t .
g a s e s o r s u b s t a n c e s w i t h v e r y h i g h v a p o u r p r e s s u r e .
The r e a c t i o n c a l o r i m e t e r i s t h e t e r m u s e d f o r t h e a p p a r a t u s w h i c h m e a s u r e s t h e h e a t l i b e r a t e d when a s u b s t a n c e r e a c t s w i t h s o m e t h i n g o t h e r t h a n o x y g e n . Common r e a c t i o n s e m p lo y e d i n c l u d e h y d r o g e n a t i o n , h y d r o h a l o g e n a t i o n , h a l o g é n a t i o n , a n d h y d r o l y s i s . The A p p a r a t u s i s u s u a l l y o f a c o n s t a n t p r e s s u r e t y p e a n d may o p e r a t e u n d e r i s o t h e r m a l o r a d i a b a t i c c o n d i t i o n s . The am ount o f e n e r g y l i b e r a t e d i n t h e r e a c t i o n i s o f t h e o r d e r o f s e v e r a l h u n d r e d c a l o r i e s . W h ile t h i s t y p e o f c a l o r i m e t r y w i l l o f t e n a l l o w r e a c t i o n o f com pounds w h i c h do n o t u n d e r g o s u i t a b l e r e a c t i o n s w i t h o x y g e n , n e c e s
s a r y a u x i l i a r y d a t a i s s o m e tim e s d i f f i c u l t t o f i n d .
The bomb c a l o r i m e t e r i s t h e o l d e s t a n d b e s t c h a r a c t e r i z e d o f a l l t h e c a l o r i m e t e r s known ( 7 ) . I t i s a c o n s t a n t vo lu m e a p p a r a t u s i n w h ic h s u b s t a n c e s r e a c t w i t h o x y g e n a t m o d e r a te p r e s s u r e s t o f o r m s i m p l e co m p o u n d s. The am ount o f e n e r g y r e l e a s e d i s u s u a l l y s e v e r a l t h o u s a n d c a l o r i e s . The h e a t o f f o r m a t i o n v a l u e s f o r t h e p r o d u c t s commonly fo rm e d a r e w e l l e s t a b l i s h e d , and t h e i n s t r u m e n t a t i o n f o r m e a s u r i n g t h e e n e r g y r e l e a s e d i s q u i t e a d e q u a t e .
N u m e r i c a l M e th o d s a n d C o m p u te r T e c h n iq u e
many d i f f e r e n t w a y s i n o r d e r t o see w h ic h i s t h e b e s t .
F o r i n s t a n c e , g a s k i n e t i c d a t a c a n be s o r t e d a c c o r d i n g t o t h e v a r i o u s p a r a m e t e r s i n v o l v e d so t h a t t h e d i s t r i b u t i o n o f p r o d u c t s c a n b e s e e n more r e a d i l y i n t e r m s o f p r e s s u r e i n c r e a s e s o r v a r i a t i o n s i n t e m p e r a t u r e . The a r e a u n d e r a p o r t i o n o f a t i m e - t e m p e r a t u r e c u r v e i n a c a l o r i m e t r i c e x p e r i m en t c a n b e f o u n d a n d t h i s a l l e v i a t e s s q u a r e c o u n t i n g o r t h e u s e o f a p p r o x i m a t e t r e a t m e n t s o f d a t a . A s e t o f d a t a c a n p e r h a p s b e b e t t e r f i t b y s o m e t h i n g o t h e r t h a n a l i n e a r e q u a t i o n . A p o l y n o m i a l c u r v e f i t t i n g p r o g r a m w o u ld t r y p o l y n o m i a l s o f v a r i o u s d e g r e e s a n d e v a l u a t e t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n w i t h e a c h so t h a t a Ju d g m e n t c o u l d be made a s t o w h ic h f i t t h e d a t a b e s t .
THEORETICAL CONSIDERATIONS
K i n e t i c D e t e r m i n a t i o n o f Bond E n e r g i e s a ) L i m i t s o f t h e K i n e t i c M ethod
T r a n s i t i o n s t a t e t h e o r y ( 9 ) p r e d i c t s t h a t t h e r a t e c o n s t a n t f o r a u n i m o l e c u l a r d i s s o c i a t i o n i s
^ F * ( T ) . - D / R T A h P a
w h e re a d e n o t e s t h e i n i t i a l s t a t e a n d * t h a t o f t h e a c t i v a t e d c o m p le x . The t o t a l p a r t i t i o n f u n c t i o n s F * (T ) a n d F a ( T ) c a n be s e p a r a t e d i n t o t r a n s l a t i o n a l , r o t a t i o n a l , a n d v i b r a t i o n a l c o n t r i b u t i o n s .
The t r a n s l a t i o n a l p a r t i t i o n f u n c t i o n
f ^ ( T ) = ( 2 i r m k T ) ^ / ^ A ^ [5]
w i l l be t h e same f o r t h e n o r m a l m o l e c u l e and t h e a c t i v a t e d c o m p le x . The r o t a t i o n a l p a r t i t i o n f u n c t i o n w i l l be
V T ) = [6]
f o r a l i n e a r m o l e c u l e a n d f o r a n o n - l i n e a r m o l e c u l e r , ( T ) = §
L i k e w i s e t h e r o t a t i o n a l p a r t i t i o n f u n c t i o n f o r t h e n o r m a l m o l e c u l e a n d a c t i v a t e d c o m p lex w i l l be s i m i l a r .
I f e a c h mode o f i n t e r n a l v i b r a t i o n b e h a v e s a s a h a r m o n i c
o s c i l l a t o r , t h e e x p r e s s i o n f o r t h e r a t e c o n s t a n t b e co m es
TT ( 1 - e - ^ ^ * / ^ )
At r e l a t i v e l y low t e m p e r a t u r e s s u c h t h a t h v » kT , t h e t e r m s ( 1 - e - l i v /k T ^ t e n d t o u n i t y and kj^ b eco m es
k, =* K 2 * /a« B « C » \ V 2 ^ ^-D /R T
^ (Ht- VAaBaCa/ h L"J
I f t h e t e m p e r a t u r e i s r e l a t i v e l y h i ^ s u c h t h a t h v « kT a n d t h e t e r m s ( 1 - e " ^ ^ / ^ ^ ) may b e r e p l a c e d by k T / h v ,
3n-6
r A \ A. f r'
-ki = K GA / A*BiK]*V / ^ TT V a “D/HT
J 3 n - 7 ® 1 (Tk U a B a C a
rr
V*F o r t h e c a s e h v » kT ( e q u a t i o n . 9 ) , t a k i n g t h e l o g a r i t h m s o f b o t h s i d e s a n d d i f f e r e n t i a t i n g w i t h r e s p e c t t o
T g i v e s
^ ^ M
T h e r e f o r e , t h e A r r h e n i u s a c t i v a t i o n e n e r g y , E g^p = D, U s i n g 1dae same o p e r a t i o n s f o r t h e c a s e h v « kT g i v e s
d I n k i _ D + RT r ,,- i
" d T R Ï2 ' ' L llJ
t h e r e f o r e E g ^p = D + RT. Hence
p r e c e e d l n g d i s c u s s i o n , i t s h o u l d be n o t e d t h a t t h e r a t e c o n s t a n t s m e a s u r e d a r e t h o s e i n t h e p r e s s u r e i n d e p e n d e n t r e g i o n o f t h e r e a c t i o n .
b ) T o l u e n c e C a r r i e r T e c h n i q u e
I n o r d e r t o m e a s u re t h e a c t i v a t i o n e n e r g y f o r t h e p r o c e s s
R1R2 — > R i + ^ 2 [3]
a c c u r a t e l y , i t i s n e c e s s a r y t o be a b l e t o d e t e r m i n e t h e r a t e o f t h e p r i m a l y d i s s o c i a t i o n w i t h a c c u r a c y . The f i r s t p r e r e q u i s i t e t o a c c o m p l i s h t h i s i s t h a t t h e b o n d u n d e r s t u d y i s c o n s i d e r a b l y w e a k e r t h a n a n y o t h e r b o n d s i n t h e m o l e c u l e .
The p r i m a r y d i s s o c i a t i o n p r o c e s s i s f o l l o w e d b y s u b s e q u e n t r e a c t i o n s o f t h e r a d i c a l s e i t h e r w i t h t h e m s e l v e s o r un d eco m p o sed m o l e c u l e s . A d i r e c t m e a su re o f r a d i c a l c o n c e n t r a t i o n w o u ld o n l y g i v e t h e s t e a d y s t a t e c o n c e n t r a t i o n v h i c h i s n o t p r o p o r t i o n a l t o t h e tim e o f r e a c t i o n ( 2 ) .
The u s e o f a f l o w s y s t e m i n w h ic h r e a c t a n t s p a s s t h r o u ^ t h e f u r n a c e i n a v e r y s h o r t t i m e so t h a t t h e r a d i c a l s h a v e no t i m e f o r s u b s e q u e n t r e a c t i o n s p r o v i d e s some m ean s o f i s o l a t i n g t h e p r i m a r y s t e p . The r a d i c a l s a r e c o u n t e d by
some m e th o d a s t h e y l e a v e t h e f u r n a c e . H o w e v e r, e v e n v e r y h i ^ f l o w r a t e s w o u ld n o t l i k e l y p r e v e n t some r e a c t i o n a n d w o u ld p r o b a b l y l e a d t o p r o b l e m s o f t h e r m a l e q u i l i b r i u m .
o f a c h a i n r e a c t i o n . The k i n e t i c s o f a c h a i n p r o c e s s a r e v e r y c o m p le x a n d w o u ld l e a d t o d i f f i c u l t y i n d e t e r m i n i n g t h e i n i t i a l r a t e o f d e c o m p o s i t i o n .
T o l u e n e o v e rc o m e s t h e t h r e a t o f p o s s i b l e c h a i n p r o c e s s e s b y p r o d u c i n g b e n z y l r a d i c a l s on r e a c t i o n w i t h o t h e r r a d i c a l s . U n d e r t h e e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s u s u a l l y e m p lo y e d , b e n z y l r a d i c a l s a r e s t a b l e a n d e i t h e r p a s s o u t o f t h e h o t zo n e t o d i m e r i z e i n a c o o l e r r e g i o n , o r c o m b in e i n t h e h o t zone w i t h o t h e r f r e e r a d i c a l s . R a d i c a l s , R, p r o d u c e d i n a n i n i t i a l b o n d b r e a k , r e a c t w i t i i t o l u e n e a s f o l l o w s ;
R + » G ^ ^ E 2 + RE [il^]
I f r e a c t i o n [li^ r e p r e s e n t s t h e o n l y a p p r e c i a b l e f a t e o f R , t h e n t h e m e a s u re m e n t o f t h e r a t e o f f o r m a t i o n o f RE a l l o w s one t o c a l c u l a t e t h e r a t e d e t e r m i n i n g i n i t i a l d e c o m p o s i t i o n a s r e a c t i o n i s f a s t .
The m ain l i m i t a t i o n s o f t h e m eth o d a r e t h a t t h e b o n d b e i n g b r o k e n i n t h e compound u n d e r i n v e s t i g a t i o n m u st b e much w e a k e r t h a n t h e C-E b o n d i n t h e s i d e c h a i n o f t o l u e n e , p r e f e r a b l y by a t l e a s t 10 k c a l (1 0 ). The r a d i c a l s p r o d u c e d m u s t r e a c t r a p i d l y w i t h t o l u e n e t o p r o d u c e a s t a b l e m o le
c u l e ( 2 ) . The t o l u e n e c a r r i e r t e c h n i q u e may be u s e d a t
t e m p e r a t u r e s w h e re t o l u e n e i t s e l f d e c o m p o s e s i f t h e p r o d u c t s c o m in g f r o m t h e f r a g m e n t a t i o n o f t h e s t u d i e d compound a r e
away t h e p r o d u c t s r a p i d l y e n o u ^ .
C a l o r i m e t r i c D e t e r m i n a t i o n o f Bond E n e r g i e s a ) G e n e r a l I n t r o d u c t i o n
I n a t h e r m o c h e m i c a l i n v e s t i g a t i o n , t h e e x p e r i m e n t e r a t t e m p t s t o d e t e r m i n e t h e q u a n t i t y o f e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h a u n i t am o u n t o f a g i v e n c h e m i c a l r e a c t i o n o r p h y s i c a l p r o c e s s ( 8 ) . As p a r t o f t h i s i n v e s t i g a t i o n , i t i s n e c e s s a r y t o d e t e r m i n e t h e e n e r g y a n d t h e e x t e n t o f t h e p r o c e s s u n d e r
s t u d y , t h e n a t u r e o f t h e th e rm o d y n a m ic p r o p e r t y i n v o l v e d , t h e t e m p e r a t u r e o f t h e p r o c e s s , a n d c o r r e c t i o n s n e e d e d t o r e f e r t h e r e a c t i o n t o some s t a n d a r d o r r e f e r e n c e s t a t e s .
I n o r d e r t o a t t a c h s i g n i f i c a n c e t o t h e m e a s u r e d e n e r g y a s s o c i a t e d w i t h a r e a c t i o n o r p r o c e s s , i t i s n e c e s s a r y t o d e s c r i b e t h e g i v e n r e a c t i o n o r p r o c e s s a d e q u a t e l y w i t h re*, s p e c t t o a l l f a c t o r s w h ic h may i n f l u e n c e t h e v a l u e o f t h e e n e r g y . Among t h e s e f a c t o r s a r e t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e ,
s t a t e o f t h e m a t e r i a l , a n d c o n c e n t r a t i o n . E a c h f a c t o r
s h o u l d b e s p e c i f i e d w i t h a n a c c u r a c y w a r r a n t e d b y i t s e f f e c t on t h e v a l u e o f t h e e n e r g y . W ith t h e p r o d u c t s a n d r e a c t a n t s o f t h e r e a c t i o n so d e f i n e d , i t b e c o m e s a s i m p l e m a t t e r t o c o r r e c t e a c h q u a n t i t y t o i t s th e rm o d y n a m ic s t a n d a r d s t a t e . T a b u l a t i o n o f s t a n d a r d s t a t e d a t a a l l o w s c a l c u l a t i o n o f new
s t a n d a r d s t a t e d a t a f ro m m e a s u r e d h e a t s o f r e a c t i o n s .
A c c o r d i n g to t h e f i r s t law o f t h e r m o d y n a m i c s , f o r a n y p r o c e s s
A E » q + w + u [1 5]
w h ere q i s t h e h e a t e n e r g y a b s o r b e d , w i s t h e FV w ork do n e on t h e s y s t e m a n d u i s a n y o t h e r e n e r g y a b s o r b e d b y t h e
s y s t e m . U s u a l l y u i s z e r o a s i t d e a l s w i t h e n e r g y t e r m s d u e t o c h a n g e s i n t h e m o tio n o f t h e e n t i r e s y s t e m , v a r i a t i o n s i n e l e c t r i c o r m a g n e t i c f i e l d s t r e n g t h e t c . , w h ic h a r e u s u a l l y c o n s t a n t .
F o r a p r o c e s s a t c o n s t a n t v o lu m e , V, PAV » 0 . T h e r e f o r e A E = q , t h e h e a t a b s o r b e d b y a p r o c e s s o c c u r r i n g i n a c a l o r i m e t e r a t c o n s t a n t v o lu m e .
F o r a p r o c e s s a t c o n s t a n t p r e s s u r e , w = -PAV. S u b s t i t u t i n g i n e q u a t i o n [ l ^ g i v e s
A E = q - PAV [1 6] H ence
and
D e f i n i n g
one c a n w r i t e
A E + PAV « q [1 7]
A E 4. APV * A ( E + PV) * q [ l8]
E + PV = H, [1 9]
AH = q . [2 0]
r e l a t i o n
A H = A E + A P V . [2 1]
The t h e r m o c h e m i c a l e x p e r i m e n t c o n s i s t s o f tw o p a r t s : t h e c a l o r i m e t r i c p a r t , w h i c h i n v o l v e s t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e q u a n t i t y o f e n e r g y e v o l v e d b y t h e r e a c t i o n o r p r o c e s s ; a n d t h e c h e m i c a l p a r t , w h i c h i n v o l v e s t h e m e a su re m e n t o f t h e am ount o f t h e g i v e n r e a c t i o n o r p r o c e s s .
I n t h e c a l o r i m e t r i c p a r t , t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e c a l o r i m e t e r i s d e t e r m i n e d e i t h e r b y u s e o f a known a m o u n t o f e l e c t r i c a l e n e r g y o r a known am ount o f c h e m i c a l r e a c t i o n w i t h a w e l l c h a r a c t e r i z e d r e a c t i o n h e a t . The e n e r g y e q u i v a l e n t i s d e f i n e d a s t h e known a m o u n t o f e n e r g y d i v i d e d b y t h e
t e m p e r a t u r e r i s e i t p r o d u c e s . I t i s t h e r e f o r e e v i d e n t , t h a t f o r t h e same c a l o r i m e t e r , a n e q u a l t e m p e r a t u r e r i s e p r o d u c e d b y a r e a c t i o n o f unknown e n e r g y , w i l l h a v e r e l e a s e d t h e same e n e r g y .
I n t h e c h e m i c a l p a r t , t h e p r im e i n t e r e s t i s i n d e t e r m in in g t h e n a t u r e a n d c o m p l e t e n e s s o f t h e c h e m i c a l r e a c t i o n s t u d i e d . The r e a c t i o n s h o u l d p r e f e r a b l y p r o d u c e a v e r y l i m i t e d num ber o f p r o d u c t s i n w e l l d e f i n e d th e r m o d y n a m ic
s t a t e s . I t i s t h e n p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e c o m p l e t e n e s s o f t h e r e a c t i o n b y m e a s u r i n g t h e am ount o f one o f t h e r e a c t a n t s c o n su m e d , o r more o f t e n b y m e a s u r i n g t h e am o u n t o f t h e p r o d u c t s . F o r e x a m p le i n t h e f o l l o w i n g c o m b u s t i o n :
C ^ H i i^ d i q ) + 9 & 0 2 (g ) —^ 6 0 0 2( g ) + 7 H 2 0 ( l i q )
a i r a n d m o i s t u r e w h ic h r e q u i r e c o r r e c t i o n s . S i n c e t h e
s t o i c h i o m e t r y o f h y d r o c a r b o n c o m b u s t i o n i s w e l l known, t h e r e i s no n e e d t o d e t e r m i n e t h e q u a n t i t y o f w a t e r p r o d u c e d .
As m o st c a l o r i m e t r i c i n v e s t i g a t i o n s a r e n o t c a r r i e d o u t a t t h e t e m p e r a t u r e commonly u s e d i n th e d e f i n i t i o n o f t h e
s t a n d a r d s t a t e o f a s u b s t a n c e , n a m e ly 298°K , some m eans m u st be f o u n d o f c o r r e c t i n g f o r t h e v a r i a t i o n o f t h e h e a t o f r e a c t i o n w i t h t e m p e r a t u r e . F o r a n y p r o c e s s a t c o n s t a n t p r e s
s u r e
A H = H p r o d u c t s - H r e a c t a n t s
a n d d i f f e r e n t i a t i n g w i t h r e s p e c t t o t e m p e r a t u r e ,
d A H AH p r o d u c t s _ ^ H r e a c t a n t s I2 2I
— a ï ---- ^
By d e f i n i t i o n , t h e c h a n g e i n e n t h a l p y w i t h r e s p e c t t o te m p e r a t u r e a t c o n s t a n t p r e s s u r e i s t h e h e a t c a p a c i t y a t c o n s t a n t p r e s s u r e . T h e r e f o r e
3 A H as (C_) p r o d u c t s - (C „) r e a c t a n t s * A C p [2 3I
3 T ^ ^
a n d i n a s i m i l a r m an n er f o r a c o n s t a n t volum e p r o c e s s ,
à A E _ A C v [24]
a T
T h e r e f o r e i t i s o n l y n e c e s s a r y t o know t h e d i f f e r e n c e i n h e a t c a p a c i t i e s o f t h e p r o d u c t s a n d r e a c t a n t s i n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e v a r i a t i o n o f t h e h e a t o f r e a c t i o n w i t h t e m p e r a t u r e .
dE = TdS-PdV [2 5] T h e r e f o r e
f
E dT , ^ dP ^ T s f a s dT + T a s dP . P s f a v j T dT - j pP a v dP a n d/ l è i - T ^ + p a v ^ dP . / a s . T a s + p a v ^ dT = 0
U r 5 p d p / i j T J T J Ï /
The o n l y way f o r t h e r e l a t i o n t o h o l d i s i f t h e b r a c k e t e d e x p r e s s i o n s a r e z e r o . T h e r e f o r e t h e i n t e r n a l e n e r g y c h a n g e a s a f u n c t i o n o f p r e s s u r e i s g i v e n by
<)E = T<^8 _ PgTV . [26]
a ? a T a p ^
As
» - ■ I f -t h e r e f o r e
^ = _T a v - p a v [27I
a ? a T â ?
a n d i t i s n e c e s s a r y t o f i n d ^ ^ / ^ T a n d ^ ^ / ^ P d a t a f o r t h e q u a n t i t i e s c o n c e r n e d . S i m i l a r l y f o r t h e e n t h a l p y
E = E + PV [19]
a n d a n « aE + p a v V.
a p a p
2?
Upon s u b s t i t u t i o n a n d s i m p l i f i c a t i o n ,
^ « -T ,a v + V. [28] a ? aT
o f t h e e x p e r i m e n t a t t e m p e r a t u r e , a n d a l l o f t h e p r o d u c t m a t e r i a l i s i n t h e c a l o r i m e t e r a t t h e e n d of t h e e x p e r i m e n t a t t e m p e r a t u r e 0^ , one h a s t h e c h o i c e o f c h o o s i n g o r a s t h e a s s i g n e d t e m p e r a t u r e . I f t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e c a l o r i m e t e r i s t a k e n a s t h a t o f t h e f i n a l s y s t e m , o r i n i t i a l s y s t e m , t h e a s s i g n e d t e m p e r a t u r e s a r e r e s p e c t i v e l y
a n d T g .
b ) M oving Bomb C a l o r i m e t r y
The m o st w e l l d e v e l o p e d a r e a o f t h e r m o c h e m i s t r y i s t h e d e g r a d a t i v e o x i d a t i o n o f o r g a n i c com pounds c o n t a i n i n g t h e e l e m e n t s c a r b o n , h y d r o g e n , a n d oxygen ( 7 ) « The r e a c t i o n i s c a r r i e d o u t a t c o n s t a n t volum e u n d e r a p r e s s u r e o f 25 t o 30 a t m o s p h e r e s o f o x y g e n . The r e a c t i o n v e s s e l i s a c o r r o s i o n r e s i s t a n t s t e e l t u b u l a r v e s s e l o f a b o u t 350 m l. i n t e r n a l volum e w i t h a s c r e w - o n c a p c d n t a i n i n g v a l v e s f o r t h e i n t r o d u c t i o n a n d e m i s s i o n o f g a s e s . T h i s v e s s e l i s t e r m e d a bomb. The bomb, c o n t a i n i n g t h e s a m p le , i s im m e rsed i n a c a n o f
w a t e r , t h e t e m p e r a t u r e o f w h ic h r i s e s when t h e sa m p le i s i g n i t e d b y e l e c t r i c a l m e a n s. The bomb a n d c a n o f w a t e r a r e s u r r o u n d e d b y a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e b a t h . From t h e m e a s u r e d t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e w a t e r i n t h e c a n , a n d a p r e v i o u s
d e t e r m i n a t i o n o f t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e s y s t e m , t h e am ount o f h e a t l i b e r a t e d b y t h e c o m b u s t i o n o f t h e sa m p le c a n b e f o u n d .
n o t d i f f i c u l t t o o b t a i n d a t a t o s p e c i f y t h e m a s s , p u r i t y , a n d n a t u r e o f t h e p r i m a r y r e a c t a n t , a n d t h e m a s s e s , c h e m i c a l n a t u r e , a n d s t a t e s o f t h e p r o d u c t s . H o w ev e r, f o r co m pounds c o n t a i n i n g o t h e r e l e m e n t s t h a n t h e a b o v e t h r e e , s u c h a s
s u l i d i u r , h a l o g e n , o r m e t a l , t h e p r o d u c t s f r e q u e n t l y c a n n o t be d e f i n e d r i g o r o u s l y a s t o t h e i r c h e m i c a l n a t u r e , p h y s i c a l s t a t e , o r c o n c e n t r a t i o n .
The c o m b u s t i o n o f an o r g a n o m e t a l l i c compound i n a c o n v e n t i o n a l s t a t i c bomb c a l o r i m e t e r r e s u l t s i n t h e p r o d u c t i o n o f i n o r g a n i c com pounds o f t h e m e t a l a s w e l l a s t h e u s u a l p r o d u c t s f r o m t h e o r g a n i c p a r t o f t h e m o l e c u l e . The i n o r g a n i c s p e c i e s c a n b e q u i t e c o m p lex u s u a l l y y i e l d i n g more t h a n one com pound, e a c h o f w h i c h may be fo rm e d i n d i f f e r e n t a l l o t r o p i e m o d i f i c a t i o n s . The c h e m i c a l s p e c i e s a n d a l l o t r o p i e m o d i f i c a t i o n s may b e i n i l l f d e f i n e d p h y s i c a l s t a t e s . F o r e x a n p l e , t h e h e a t c o n t e n t o f a m o rp h o u s m a t e r i a l u s u a l l y
d e p e n d s on t h e c o n d i t i o n s o f f o r m a t i o n . A l s o d i f f e r e n c e s i n p a r t i c l e s i z e o f c r y s t a l l i n e m a t e r i a l r e s u l t s i n v a r y i n g h e a t c o n t e n t f o r t h e d i f f e r e n t s i z e s ( 1 2 ) .
The r o t a t i n g - b o m b o r moving-bomb c a l o r i m e t e r p r o v i d e s a m eans f o r p r o d u c i n g a f i n a l s t a t e o f t h e bomb p r o c e s s t h a t
t h e n c o n s i s t s o f a g a s p h a s e a n d a l i q u i d p h a s e c o n t a i n i n g t h e m e t a l i n a s i n g l e o x i d a t i o n s t a t e , w i t h b o t h p h a s e s h o m o g en e o u s a n d i n e q u i l i b r i u m w i t h one a n o t h e r .
S e v e r a l r u l e s m u st be o b s e r v e d i n s e l e c t i n g a s u i t a b l e i n i t i a l s o l u t i o n ( 1 3 ) :
i ) The s o l u t i o n s h o u l d p r e f e r a b l y be a c i d o r n e u t r a l t o m in im iz e t h e s o l u b i l i t y o f c a r b o n d i o x i d e . H ow ever an a l k a l i n e s o l u t i o n , i f u s e d , s h o u l d d i s s o l v e a l l t h e c a r b o n d i o x i d e p r o d u c e d i n t h e bomb.
i i ) The s o l u t i o n s h o u l d n o t r e a c t w i t h t h e i n t e r i o r o f t h e bomb o r i t s f i t t i n g s .
i i i ) The s o l u t i o n s h o u l d d i s s o l v e t h e s o l i d p r o d u c t s o f c o m b u s t i o n w i t h i n a r e a s o n a b l e t i m e , p r e f e r a b l y o n l y a few m i n u t e s a f t e r t h e bomb r o t a t i o n i s s t a r t e d .
i v ) I f s i d e r e a c t i o n s o c c u r , s u c h a s t h e o x i d a t i o n o f a r e d u c i n g a g e n t u s e d t o r e d u c e t h e m e t a l t o a c e r t a i n o x i d a t i o n s t a t e , t h e r m o c h e m i c a l d a t a o f a d e q u a t e a c c u r a c y f o r 1üie r e q u i r e d c o r r e c t i o n s s h o u l d b e a v a i l a b l e .
v ) E s t a b l i s h e d a n a l y t i c a l m e th o d s o f a d e q u a t e a c c u r a c y ishould b e a v a i l a b l e t o d e t e r m i n e t h e e x t e n t o f a l l s i d e r e a c t i o n s . S i d e r e a c t i o n s p r o d u c i n g g a s e o u s p r o d u c t s s h o u l d b e a v o i d e d .
s t a n d a r d s t a t e s . The r o t a t i n g bomb m e th o d w h i l e o v e r c o m in g t h e m a j o r p r o b l e m o f f i n a l s t a t e d e f i n i t i o n p r e s e n t s some m in o r c o m p l e x i t i e s i n t h e c o r r e c t i o n s t o s t a n d a r d s t a t e s .
The p h y s i c a l c o n s t a n t s n e e d e d f o r t h e c o r r e c t i o n s p e c u l i a r t o o r g a n o m e t a l l i c com pounds (1 3 ) i n c l u d e ;
i ) v a l u e s f o r t h e i n i t i a l a n d f i n a l bomb s o l u t i o n s a s f u n c t i o n s o f c o m p o s i t i o n o f t h e f o l l o w i n g p r o p e r t i e s :
d e n s i t y , v a p o u r p r e s s u r e , s o l u b i l i t y o f bomb g a s e s , a n d h e a t c a p a c i t y ;
i i ) v a l u e s o f t h e h e a t o f d i l u t i o n o f s u b s t a n c e s t h a t a r e i n a e q u e o u s s o l u t i o n ;
i i i ) t h e r m o c h e m i c a l d a t a n e e d e d t o a p p l y c o r r e c t i o n s f o r a l l s i d e r e a c t i o n s ; a n d
i v ) a l l d a t a n e e d e d i n c o r r e c t i n g f o r u n u s u a l e x p e r i m e n t a l d e t a i l s - f o r e x a m p l e , t h e h e a t c a p a c i t y o f m a t e r i a l s p r e s e n t i n t h e c o m b u s t i o n b u t n o t i n t h e c a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s .
As a r e l a t i v e l y l a r g e volum e of s o l u t i o n , a b o u t 5 0 m l, i s u s e d i n t h e r o t a t i n g - b o m b m e th o d , t h e d i s s o l v i n g o f t h e bomb p r o d u c t g a s e s , p a r t i c u l a r l y t h e c a r b o n d i o x i d e i n t h e
I n a d d i t i o n , t h e c a l i b r a t i o n o f t h e c a l o r i m e t e r i s
u s u a l l y d o n e b y t h e c o m b u s t i o n o f a c e r t a i n w e i g h t o f b e n z o i c a c i d w h ic h h a s a c e r t i f i e d h e a t o f c o m b u s t i o n . One o f t h e c o n d i t i o n s i n u s i n g t h e b e n z o i c a c i d i s t h a t t h e bomb c o n t a i n s o n l y one c c . o f w a t e r . The u s e o f a 5 0 c c . m u l t i c o m p o n e n t s o l u t i o n r e q u i r e s t h e u s e o f an u n c e r t a i n c o r r e c t i o n .
To o v e rc o m e t h e s e m in o r d i f f i c u l t i e s , a c o m p a r i s o n
e x p e r i m e n t i s p e r f o r m e d . The c o m p a r is o n e x p e r i m e n t i n v o l v e s t h e c o m b u s t i o n o f a c o m b i n a t i o n o f b e n z o i c a c i d a n d a h y d r o c a r b o n o i l t o y i e l d t h e same a m o u n ts o f e n e r g y a n d c a r b o n d i o x i d e a s i n t h e a c t u a l e x p e r i m e n t . A l s o , a sam p le o f a n i n o r g a n i c compound o f t h e m e t a l w h i c h i s s o l u b l e i n t h e bomb s o l u t i o n i s p l a c e d i n a s e c o n d c r u c i b l e a n d s p i l l e d i n t o t h e s o l u t i o n when t h e r o t a t i o n i s s t a r t e d . T h i s p r o c e d u r e
s e r v e s t o g i v e a f i n a l s t a t e i d e n t i c a l t o t h a t o f t h e a c t u a l e x p e r i m e n t .
A f t e r c o r r e c t i o n f o r t h e h e a t o f c o m b u s ti o n o f t h e o r g a n i c s a m p l e , t h e r e s u l t s o f th e c o m p a r is o n e x p e r i m e n t y i e l d a v a l u e o f t h e h e a t o f s o l u t i o n o f t h e i n o r g a n i c compound i n t h e i n i t i a l bomb s o l u t i o n t o f o rm t h e f i n a l s o l u t i o n .
i m p o r t a n t t e r m f o r t h e s o l u t i o n o f c a r b o n d i o x i d e i n t h e f i n a l bomb s o l u t i o n , a r e n e a r l y t h e same f o r b o t h e x p e r i m e n t s . T h e r e f o r e e r r o r s i n c o r r e c t i o n s c a u s e d b y i n a c c u r a t e d a t a c a n c e l i n t h e f i n a l v a l u e s o f t h e h e a t o f c o m b u s ti o n a s r e f e r r e d t o t h e i n o r g a n i c compound o f t h e m e t a l . S i m i l a r l y , e r r o r s , t h a t o c c u r b e c a u s e t h e c a l o r i m e t r y i s d i f f e r e n t t h a n t h a t i n t h e c a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t s w i t h b e n z o i c a c i d , w i l l b e n e a r l y t h e sam e, a n d t h e n e f f e c t i v e l y c a n c e l i n th » f i n a l v a l u e o f t h e h e a t o f c o m b u s t i o n .
To a v o i d c o r r e c t i o n s d u e t o o x i d a t i o n o r s o l u t i o n o f t h e bomb i n t e r i o r , t h e i n t e r i o r s u r f a c e s o f t h e bomb a s w e l l a s t h e c r u c i b l e u s e d f o r h o l d i n g t h e sa m p le m u st b e i n e r t t o t h e c o n d i t i o n s u s e d . A p l a t i n u m l i n e d i n t e r i o r , w i t h p l a t i n u m f i t t i n g s , a n d a p l a t i n u m c r u c i b l e o f f e r e x t r e m e i n e r t n e s s t o b o t h o x i d a t i o n a n d s o l u t i o n . H o w e v e r, t h e c o m b u s t i o n o f o r g a n o m e t a l l i c c o n f o u n d s s o m e tim e s l e a d s t o t h e f o r m a t i o n o f m o lt e n m e t a l o r m o lte n m e t a l o x i d e s w h ic h c a n s p l a t t e r a n d damage t h e t h i n p l a t i n u m l i n e r , o r a l l o y w i t h t h e c r u c i b l e . I n t h i s c a s e , a l t e r n a t i v e m a t e r i a l s s u c h a s l i n e r s a n d c r u c i b l e s o f n i c k e l - c h r o m i u m a l l o y o r s t a i n l e s s s t e e l may b e p r e f e r a b l e . C r u c i b l e s o f r e f r a c t o r y m a t e r i a l s s u c h a s f u s e d s i l i c a , a l u m i n a , o r p o r c e l i n c o u l d a l s o be u s e d s a t i s f a c t o r i l y . A t t a c k b y c e r t a i n bomb s o l u t i o n s on
B u f f e r f r o m a l l t h r e e p r o b l e m s .
G l a s s a m p o u l e s a r e u n s a t i s f a c t o r y f o r o r g a n o m e t a l l i c co m pounds ( 1 3 ) • M o l t e n g l a s s fro m t h e am p o u le c a n r e a c t
w i t h s o l i d c o m b u s t i o n p r o d u c t s t o g i v e t h e r m o c h e m i c a l e f f e c t s o f unknown m a g n i t u d e . The m o l t e n g l a s s , on c o o l i n g , c a n e n v e l o p s o l i d c o m b u s ti o n p r o d u c t s , w h ic h w o u ld t h e n go u n d i s
s o l v e d i n t h e bomb s o l u t i o n .
F u s e d s i l i c a a m p o u le s a n d p o l y e s t e r o r p o l y h y d r o c a r b o n b a g s overcom e t h e d i f f i c u l t i e s e n c o u n t e r e d w i t h g l a s s am p o u l e s . H o w e v e r , f u s e d s i l i c a a m p o u l e s , l i k e f u s e d s i l i c a c r u c i b l e s may i n t r o d u c e c o r r e c t i o n s due t o r e a c t i o n w i t h
s o l i d c o m b u s t i o n p r o d u c t s o r d i s s o l u t i o n i n t h e bomb l i q u i d . P o l y e s t e r o r p o l y h y d r o c a r b o n b a g s c o m b u st c o m p l e t e l y a n d l e a v e n o t h i n g t o r e a c t w i t h o r e n v e l o p s o l i d c o m b u s ti o n p r o d u c t s .
t h e e s c a p e o f b u r n i n g s a m p le ; o r some c o m b i n a t i o n o f t h e s e m e a s u r e s . The u s e o f a n a u x i l i a r y c o m b u s t a n t , s u c h a s a h y d r o c a r b o n o i l , may b e u s e d t o a c c e l e r a t e a s l u g g i s h com
b u s t i o n o r t e m p e r a v i o l e n t o n e .
I f no v a r i a t i o n i n t e c h n i q u e w i l l p r o d u c e a c o m p l e t e c o m b u s t i o n , r e c o u r s e m ust be made t o m e a s u r i n g t h e am ount o f
u n r e a c t e d m a t e r i a l a n d d e t e r m i n i n g t h e c a r b o n m onoxide f o r m e d . I f t h i s a l t e r n a t e p r o v e s t o o u n s a t i s f a c t o r y , t h e compound
w i l l h a v e t o b e s t u d i e d i n a r e a c t i o n c a l o r i m e t e r , d ) C a l i b r a t i o n o f t h e Bomb w i t h B e n z o i c A c id
B e n z o i c a c i d h a s b e e n c h o s e n a s a c a l o r i m e t r i c s t a n d a r d s u b s t a n c e ( I I4.) b e c a u s e i t a ) c a n b e o b t a i n e d i n a s t a b l e s o l i d f o rm b ) c a n b e p u r i f i e d r e l a t i v e l y e a s i l y , c ) i s n o t n o t i c e a b l y v o l a t i l e a t o r d i n a r y room t e m p e r a t u r e s , d) d o e s n o t a b s o r b m o i s t u r e fro m t h e a t m o s p h e r e , e ) b u r n s q u a n t i t a t i v e l y i n t h e bomb, a n d f ) c a n b e c o m p r e s s e d i n t a b l e t s .
The c e r t i f i e d v a l u e o f t h e b e n z o i c a c i d c a n b e u s e d (li{.) i f i t i s c o m b u s te d u n d e r t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n s *
a ) The c o m b u s t i o n r e a c t i o n i s r e f e r r e d t o 298°K .
b ) The sam p le i s b u r n e d i n a bomb o f c o n s t a n t volu m e i n p u r e o x y g en a t an i n i t i a l p r e s s u r e o f 30 a t m o s p h e r e s a t 298°K .
c ) The num ber o f gram s o f sam p le b u r n e d i s e q u a l t o ibhree t i m e s t h e i n t e r n a l volume o f t h e bomb i n l i t r e s .
d ) The num ber o f g ra m s o f w a t e r p l a c e d i n t h e bomb p r i o r t o c o m b u s ti o n i s e q u a l t o t h r e e t i m e s t h e i n t e r n a l volum e o f lAie bomb i n l i t r e s .
b u t r e q u i r e t h e u s e o f t h e c o r r e c t i o n f a c t o r
f = 1 + 1 0 - 6 2 0 ( P - 3 0 ) + 4 2 ( M s A - 3 ) + 3 0 ( M w A - 3 ) - 4 5 ( T - 2 9 8 ) [2 9] w h ere P i s t h e i n i t i a l p r e s s u r e i n a t m o s p h e r e s o f t h e o x y g en a t t h e t e m p e r a t u r e , T , t o w h ic h t h e r e a c t i o n i s r e f e r r e d , Ms i s t h e m ass o f b e n z o i c a c i d i n g r a m s , Mw i s t h e m ass o f w a t e r p l a c e d i n t h e bomb i n g r a m s , a n d V i s t h e i n t e r n a l volume o f t h e bomb i n l i t r e s . The v a l u e o f t h e h e a t o f com b u s t i o n o f b e n z o i c a c i d a s s u p p l i e d b y t h e P a r r i n s t r u m e n t company i s 6 3 1 8 c a l o r i e s p e r g ram .
I f t h e q u a n t i t y o f h e a t r e l e a s e d b y a sa m p le o f b e n z o i c a c i d , q , p r o d u c e s a n e t t e m p e r a t u r e r i s e , A T , t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e c a l o r i m e t e r s y s t e m , C , i s d e f i n e d a s
C h o o s i n g t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e c a l o r i m e t e r t o b e t h a t o f t h e s y s te m a f t e r c o m b u s t i o n , t h e t e m p e r a t u r e a s s i g n e d t o t h e r e a c t i o n i s t h e t e m p e r a t u r e p r i o r t o i g n i t i o n , ( f i g u r e 1 )* B e s i d e s t h e h e a t fr o m t h e b e n z o i c a c i d , t h e r e a r e a l s o c o n t r i b u t i o n s fr o m t h e i g n i t i o n e n e r g y , qj_, a n d t h e e n e r g y f ro m t h e f o r m a t i o n o f n i t r i c a c i d d u e t o t h e p r e s e n c e o f s m a l l a m o u n ts o f n i t r o g e n i n t h e bomb, % . T h e r e f o r e t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e s y s te m a f t e r c o m b u s ti o n i s
Cf » 1 * <a * % [31J
T
E o w e v e r t o d e f i n e a s y s t e m w h i c h i s i n v a r i a n t fro m c a l i b r a t i o n t o c a l i b r a t i o n , i t i s n e c e s s a r y t o e x c l u d e t h e e n e r g y e q u i v a l e n t o f t h e p r o d u c t s . T h e r e f o r e
3
y n i v y3
diAi3
iI—
o>
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4>
E
•H k o
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OS 0 1 "8 O
X>
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e r 3 o o •p
2
S.C
E o
(D S f k <D m B a
w here i s c a l c u l a t e d fro m t h e h e a t c a p a c i t i e s o f t h e c r u c i b l e , o x y g e n , c a r b o n d i o x i d e , a n d w a t e r i n t h e bomb a t t h e e n d o f t h e c o m b u s t i o n w i t h b e n z o i c a c i d . A l s o i n c l u d e d s h o u l d b e t h e s p e c i f i c h e a t s a n d d i f f e r e n c e s i n m ass o f a n y o t h e r m a t e r i a l s p r e s e n t i n d i f f e r e n t a m o u n ts i n t h e s t a n d a r d c a l o r i m e t e r s y s te m a n d t h e s y s te m a s a c t u a l l y u s e d .
e ) E v a l u a t i o n o f t h e C o r r e c t e d T e m p e r a t u r e R i s e
W ith an i s o t h e r m a l bomb c a l o r i m e t e r , t h e c a l c u l a t i o n o f t h e c o r r e c t e d t e m p e r a t u r e r i s e i n v o l v e s two c o r r e c t i o n s ; one i s f o r t h e h e a t g e n e r a t e d f ro m t h e s t i r r i n g o f t h e c a l o r i m e t r i c f l u i d ; t h e o t h e r i s f o r t h e h e a t e x c h a n g e d b e tw e e n t h e c a l o r i m e t r i c f l u i d a n d t h e c o n s t a n t t e m p e r a t u r e j a c k e t . '.Che s t & r r i n g e f f e c t i s c o n s i d e r e d c o n s t a n t , w h i l e h e a t e x c h a n g e w i t h t h e j a c k e t i s t a k e n a s p r o p o r t i o n a l t o t h e te m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e tw e e n t h e j a c k e t and t h e c a l o r i m e t e r f l u i d . I n a n a c t u a l c o m b u s t i o n , t h e s e two e f f e c t s a n d t h e h e a t f r o m t h e r e a c t i o n p r o d u c e a t i m e - t e m p e r a t u r e c u r v e a s
iBhown i n f i g u r e 1 .
The p o r t i o n s o f t h e c u r v e a b , b e , e h r e p r e s e n t t h e t i m e - t e m p e r a t u r e r e l a t i o n s i n t h e i n i t i a l , m a in , a n d f i n a l p e r i o d s r e s p e c t i v e l y o f t h e e x p e r i m e n t . The m ain p e r i o d i s t h e
s e c t i o n o f t h e c u r v e w h e re t h e t e m p e r a t u r e i n c r e a s e i s due l a r g e l y t o t h e e n e r g y o f t h e c o m b u s t i o n ; t h e i n i t i a l and f i n a l p e r i o d s c o r r e s p o n d t o p e r i o d s w h e re t h e t e m p e r a t u r e r i s e i s due t o t h e s t i r r i n g a n d e x c h a n g e e f f e c t s o n l y . The t e m p e r a t u r e , T j , i s t h e j a c k e t t e m p e r a t u r e a n d T o o i s t h e
t e m p e r a t u r e w o u ld r e a c h i n i n f i n i t e t im e i f T j a n d t h e r a t e o f s t i r r i n g r e m a i n e d c o n s t a n t .
The l e n g t h o f t h e i n i t i a l a n d f i n a l p e r i o d s i s u s u a l l y 10 t o 20 m i n u t e s . I n a r o t a t i n g bomb c a l o r i m e t e r t h e f i n a l p e r i o d may be a b o u t i^-O m i n u t e s (1 5 ) i n o r d e r t o g e t a l l t h e p r o d u c t s o f c o m b u s t i o n d i s s o l v e d . The l e n g t h o f t h e m ain p e r i o d d e p e n d s on t h e l a g o f t h e bomb i . e . t h e t im e i t t a k e s f o r t h e g e n e r a t e d h e a t t o m a n i f e s t i t s e l f i n t h e fo rm o f a m e a s u r e d t e m p e r a t u r e r i s e . F o r a c o m b u s t i o n e x p e r i m e n t , t h e m ain p e r i o d s h o u l d b e a t l e a s t t e n t i m e s t h e tim e r e q u i r e d f o r t h e t e m p e r a t u r e r i s e t o a t t a i n t w o - t h i r d s o f i t s f i n a l v a l u e ( l i | . ) . A l s o t h e t e m p e r a t u r e r i s e i n t h e m ain p e r i o d
s h o u l d b e r e a d a t i n t e r v a l s o f n o t more t h a n l5 s e c o n d s i f a n a c c u r a c y o f 0 .0 1 # i n t h e c o r r e c t e d t e m p e r a t u r e r i s e i s die s i r e d . ( I I4. ) .
The t o t a l r a t e o f t e m p e r a t u r e r i s e d u e t o t h e s t i r r i n g a n d e x c h a n g e a f f e c t s (II).) i s
^ = u + g ( T j - T ) [3 3]
w h e re u a n d g a r e c o n s t a n t . S i n c e ^ "^/d t= 0 when T==Too , t h e r e f o r e
T j = Too - u / g [3 1^ S u b s t i t u t i n g i n e q u a t i o n [33]
dT = g(Too - T ) . [3 5] d t
