表S1. 首次进行此实验的学生生成和计算的数据。

填充后胶囊质量, g	空胶囊质量, g	质量变化(Δ mass), g	温度变化(ΔT), ${ }^{\circ} \mathrm{C}$	总热量, cal	胶囊热量, cal	样品热量, cal	醇的摩尔数	cal/mol	燃烧焓变(ΔH_comb), kJ/mol
1-丁醇
0.6908	0.1156	0.5752	2.3107	5492.045187	531.8	4960.285187	0.007760	639193.8	-2674.4
0.6747	0.1175	0.5572	2.2442	5333.988752	540.5	4793.488752	0.007517	637654.4	-2667.9
0.6632	0.1166	0.5466	2.1988	5226.082554	536.4	4689.722554	0.007374	635949.0	-2660.8
0.6282	0.1192	0.5090	2.0646	4907.117537	548.3	4358.797537	0.006867	634736.8	-2655.7
0.5571	0.1192	0.4379	1.8159	4316.010237	548.3	3767.690237	0.005908	637742.0	-2668.3
0.5928	0.1195	0.4733	1.5912	3781.945861	549.7	3232.245861	0.006385	506189.0	-2117.9*
0.5489	0.1185	0.4304	1.7806	4232.109603	545.1	3687.009603	0.005807	634960.6	-2656.7
0.5901	0.1185	0.4716	1.9359	4601.224857	545.1	4056.124857	0.006363	637503.1	-2667.3
0.6047	0.1185	0.4862	1.9915	4733.374298	545.1	4188.274298	0.006559	638505.9	-2671.5
0.5616	0.1164	0.4452	1.8235	4334.073830	535.4	3798.633830	0.006006	632436.7	-2646.1
0.6579	0.1175	0.5404	2.1632	5141.468883	540.5	4600.968883	0.007291	631071.8	-2640.4
0.6131	0.1179	0.4952	2.0074	4771.165235	542.3	4228.825235	0.006681	632971.1	-2648.4
班级平均值									-2659.9±11.3
			(参照 -2670.±20. [参考文献 14])
2-丁醇
0.5829	0.1171						0.4658	1.9175	4557.491949
0.6191	0.1155	0.5036	2.0407	4850.312292	531.3	4319.012292	0.006794	635687.3	-2659.7
0.6013	0.1162	0.4851	1.9806	4707.467303	534.5	4172.947303	0.006545	637611.9	-2667.8
0.6057	0.1160	0.4897	1.9913	4732.898940	533.6	4199.298940	0.006607	635611.1	-2659.4
0.7081	0.1168	0.5913	2.3536	5594.009414	537.3	5056.729414	0.007977	633879.4	-2652.2
0.5943	0.1143	0.4800	1.9503	4635.450612	525.8	4109.670612	0.006476	634615.3	-2655.2

0.6453	0.1192	0.5261	2.1079	5010.032479	548.3	4461.712479	0.007098	628605.3	-2630.1
0.6372	0.1204	0.5168	2.1011	4993.870317	553.8	4440.030317	0.006972	636807.6	-2664.4
0.5481	0.1182	0.4299	1.7787	4227.593705	543.7	3683.873705	0.005800	635158.4	-2657.5
0.6028	0.1165	0.4863	1.9588	4655.653314	535.9	4119.753314	0.006561	627930.7	-2627.3
0.6173	0.1176	0.4997	2.0338	4833.912451	541.0	4292.952451	0.006742	636783.1	-2664.3
0.6059	0.1179	0.4880	1.9892	4727.907684	542.3	4185.567684	0.006584	635739.7	-2659.9
班级平均值									-2656.1±14.2 `<br>`(参照 -2660.6 ± 0.9 [四舍五入, 参考文献 14])
环丁醇
0.5839	0.1182	0.4657	1.8289	4346.908488	543.7	3803.188488	0.006459	588859.0	-2463.8
0.6657	0.1192	0.5465	2.1500	5110.095275	548.3	4561.775275	0.007579	601884.9	-2518.3
0.7042	0.1186	0.5856	2.2813	5422.167605	545.6	4876.607605	0.008121	600463.3	-2512.3
0.5188	0.1195	0.3993	1.5372	3653.599282	549.7	3103.899282	0.005538	560503.1	-2345.1*
0.5343	0.1152	0.4191	1.6813	3996.094505	529.9	3466.174505	0.005812	596351.7	-2495.1
0.5934	0.1130	0.4804	1.9017	4519.938690	519.8	4000.138690	0.006662	600401.5	-2512.1
0.5564	0.1197	0.4367	1.7556	4172.689891	550.6	3622.069891	0.006056	598058.1	-2502.3
0.5452	0.1155	0.4297	1.7328	4118.499113	531.3	3587.199113	0.005959	601949.2	-2518.6
班级平均值									-2503.2 `<br>`±19.3

(参照 -2518.2 ± 0.7 [四舍五入, 参考文献 14])

基于班级平均值的燃烧焓变( $\Delta H_{\text {comb }}$ )差异：154.8 kJ 与 286 kJ 的偏差： $\approx 130 \mathrm{~kJ}=$ 环丁醇的环张力能 *结果因属异常值而被剔除。

补充材料：实验讲义

使用丁醇测量环张力：一个物理化学实验

William R. Martin, Ada S. Davidson, David W. Ball*<br> 克利夫兰州立大学化学系，地址：2121 Euclid Avenue, Cleveland OH 44115

附录

支持信息

使用弹式量热法测量环张力

引言

拜耳的环张力理论是环状化合物有机化学的基础。在本实验中，你将使用弹式量热法计算环丁烷结构的环张力。

不同化合物燃烧时会放出不同量的能量。放出能量大小的最大影响因素是原始化合物的化学式。例如，甲烷的燃烧焓为

$\mathrm{CH}_{4}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) \quad \Delta_{\text {comb }} H=-890.3 \mathrm{~kJ}$

而乙烷的燃烧焓为

$\mathrm{C}_{2} \mathrm{H}_{6}(\mathrm{~g})+7 / 2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 2 \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) \quad \Delta_{\text {comb }} H=-1560.4 \mathrm{~kJ}$

其差异显而易见，是因为甲烷和乙烷有不同的分子式，导致生成产物的摩尔数不同。

然而，对于同分异构体之间，燃烧焓的差异要小得多。例如，对于丁烷和异丁烷，其燃烧反应为

$\begin{array}{ll} \text{丁烷} +13 / 2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) & \Delta_{\text {comb }} H=-2877.5 \pm 0.63 \mathrm{~kJ} \\ \text{异丁烷} +13 / 2 \mathrm{O}_{2}(\mathrm{~g}) \rightarrow 4 \mathrm{CO}_{2}(\mathrm{~g})+5 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}(\ell) & \Delta_{\text {comb }} H=-2869.0 \pm 0.69 \mathrm{~kJ} \end{array}$

(来源: NIST Chemistry WebBook。) 诚然，这个差异不大，但它们终究是不同的。然而，在大多数实际应用中，除非需要高精度（或者需要解释为什么这两个数值不同），它们被认为是基本相同的。

在考虑具有环状“同分异构体”的化合物时，还有其他因素需要考虑。首先也是最重要的一点是，环状化合物和它们的直链亲缘物并不具有相同的化学式，因此只是在骨架上是“同分异构体”。例如，环丁烷 ( $c-\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{8}$ ) 比其直链“表亲”（两者的化学式均为 $\mathrm{C}_{4} \mathrm{H}_{10}$ ）少两个氢原子。因此，在燃烧过程中，会少生成一分子水，这应该导致丁烷和环丁烷的燃烧能相差约 286 kJ。然而，丁烷的燃烧焓为每摩尔 -2720 kJ，其差异仅为约 150 kJ，而不是 286 kJ。这是为什么呢？

答案是张力能。环丁烷有一个环状的碳骨架，其碳键被迫形成略小于正常四面体角 $109.45^{\circ}$ 的键角。这使得环丁烷分子的能量比预期的要高一些，因此其燃烧能比预期的更放热。这个约 135 kJ 的差异，被称为环丁烷的张力能。

根据不同来源，张力能被定义为每个亚甲基( $\mathrm{CH}_{2}$ )的燃烧能与环己烷（被定义为零张力能）或长链烃（也可被定义为零张力能）相比的偏差量。张力能的精确值取决于其定义方式，但其基本概念仍然有效。张力能对于小环体系最为重要，即那些环中含有三、四或五个原子的体系。饱和的六元环几乎具有理想的四面体键角（因此被用作张力能的基准），而更大的分子可以采取多种分子构象来最小化其张力。因此，小环化合物是探究张力能的最佳对象。

最小的环状烃——环丙烷，是这三者中张力能最高的，但在商业上不易获得。此外，丙烷和环丙烷是气体，进行量热测量需要特殊的处理设备。环丁烷也有类似的限制。有一些可用的实验使用环丙烷的固体衍生物，但都需要现场合成。

然而，不仅有一种醇衍生物在商业上可以获得，而且醇类还有一个额外的优点，即它们是液体，因此更容易处理。在本实验中，你将使用弹式量热法来测定1-丁醇、2-丁醇和环丁醇的燃烧焓，并利用你实验测得的丁醇焓值来估算丁烷骨架的环张力。

实验步骤

以下步骤假定学生知道如何使用氧弹式量热仪。如果不知道，请查阅手册和/或咨询你的指导老师。

因为样品是液体，你将需要使用明胶胶囊来装载样品。关于明胶胶囊的正确使用方法，请咨询你的指导老师。在校准弹式量热仪后，测定几粒空胶囊的质量，然后测量其燃烧焓（可选步骤）。接着，对每种样品至少进行三次试验，并精确测量质量，测定约 0.5 克 1-丁醇和2-丁醇的燃烧焓。记录你的数据。最后，根据环丁醇的可用量，使用约 0.5 克的环丁醇进行 1 - 3 次试验。

数据处理

首先，为每种丁醇同分异构体写出配平的燃烧反应方程式。

利用你的数据，计算每种同分异构体的摩尔燃烧能，并对你的结果取平均值。

记住，要从每次燃烧的总能量中减去来自明胶胶囊的燃烧能。因为弹式量热仪是恒容系统，其能量等于 $\Delta U$ ，即内能的变化，而不是 $\Delta H$ ，即焓变。在将能量转换为摩尔量（使用丁醇的摩尔数）之后，使用以下方程将这个 $\Delta U$ 值转换为 $\Delta H$ 值：

$\Delta H=\Delta U+(\Delta n) R T$

注意，1-丁醇和2-丁醇的 $\Delta n$ 值与环丁醇不同。最后，比较燃烧焓，并确定与 286 kJ（环丁醇少生成一摩尔 $\mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$ 所预期的差异）的偏差。任何绝对偏差（即，不需要正负号）都代表环丁醇的张力能。将该偏差作为你的最终值报告。

问题

为什么预期1-丁醇和2-丁醇的燃烧焓会有所不同？你能否合理解释为什么其中一个的值略低？
你预期环丁醇的张力能会比环丁烷的更高还是更低？为什么？
对于1-己醇和环己醇之间的燃烧焓，预期的偏差会是多少？你是如何知道的？