有机物燃烧焓的测定

有机物燃烧焓的测定之实验报告
老师 鉴定： 实验报告人： 实验 日期：
一、 实验目的
（1） 明确燃烧焓的定义，了解恒压热效应与恒容热效应的差别与关系；
（2） 掌握温差测量的一般知识和技术； （3） 用氧弹式量热计测定有机物的燃烧焓； （4） 理解氧弹式量热计的测量原理。

二、 实验原理
热化学中定义：在指定温度和压力下，1摩尔物质完全燃烧成指定产物的焓变，称为该物质在此温度下的摩尔燃烧焓，记作m c H ∆。

完全燃烧是指C 、H 、S 元素的燃烧产物分别为CO 2（g ），H 2O （l ），SO 2，而N ，Cl 等元素则变为游离状态。

根据热力学的定义，反应的焓变等于恒压过程的热效应，所以，某物质的燃烧焓
m c H ∆也就是该物质燃烧反应的恒压热效应m p Q ,。

在适当的条件下，许多有机物都能迅速而完全地进行氧化反应，这就为准确测定它
们的燃烧焓创造了有利条件。

但是，有机物的燃烧反应都有气体参与，并且反应前后气体的量通常要发生变化，因此，测量过程中不易控制燃烧为恒压过程或等压过程。

在实际测量中，燃烧反应常在恒容条件下进行，如在弹式量热计中进行，这样直接测得的是反应过程的恒容热效应v Q ，即燃烧反应的热力学能变u C ∆。

若将反应系统中的气体物质视为理想气体，根据热力学理论可得m c H ∆和m c U ∆的关系为
m c H ∆=m c U ∆+∆n(g)RT 或RT g n Q Q m v m p )(,,∆+= （1）
式中，T 为反应湿度（K ）；m c H ∆为摩尔燃烧焓（J •mol -1）; m c U ∆为摩尔燃烧热力能变（J •mol -1
）;Δn(g)为燃烧反应前后气体物质的量之差，由反应方程式可求。

通过实验测得m v Q ,（J •mol -1）值，根据式（1）就可计算出m p Q ,（J •mol -1），即燃烧焓的值m c H ∆。

本实验是用氧弹式量热计进行萘的燃烧焓的测定。

其基本原理是能量守恒定律：通过量出已知量的待测物完全燃烧放出的热，可计算出m v Q ,。

而放出的热可使一定量的介质（如水）升高一定湿度，即在燃烧前后产生一定数值的温差，通过实验测出该温差值即可反知待测物燃烧放出的热。

氧弹式量热计结构如图2.1所示，氧弹结构如图2.2所示。

内筒和外筒视为绝热良好，实验中，设质量为a m （g ）的待测物质（恒容燃烧热为m v Q ,）和质量为b m （ g ）的点火丝（恒容燃烧热为q ，单位为J •g -1）在氧弹中燃烧，放出的热可使质量为m w 的
水（比热容为w c ，单位为J •K -1•g -1）及量热器本身（热容为m C ，单位为J •K -1
）的温度T 1升高到T 2，则根据能量守恒定律，放热量和吸热量相等，可得到系统的热平衡关系为：
)()]()[(1212,T T K T T w c C m q M
m Q m w m b a m v -⨯=-⨯∙+-=⨯+⨯
（2）
图2.1 环境恒温式氧弹量热计 图2.2 氧弹结构示意图
式中，M 为该待测物的摩尔质量；通常规定系统放热时Q 取负数，设
)(m w m w c C K ∙+-=，一套仪器，当内筒中的水量一定时，K 值恒定，因此，称K 为
仪器常数（J •K -1），常用已知燃烧热值v Q 的苯甲酸测定。

求出量热体系的常数K 后，再用相同方法对其他物质进行测定，测出温升12T T T -=∆，代入式（2），即可求得待测物的m v Q ,或m c U ∆。

实际上，氧弹式量热计的内筒和外筒间不是严格的绝热系统，再加上传热速度的限制，燃烧后由最高温度需一定的时间，并且有搅拌的存在，系统与环境必然发生热交换，因而从温度计上读得的温差就不是真实的温差。

为此，必须对读得的温差进行校正。

校正的方法有作图法（雷诺法）和公式法（奔特公式）。

三、 仪器和试剂
氧弹式量热计，精密电子温差测量仪，氧气钢瓶，充氧机，压片机，万用电表，台秤，电子天平，容量瓶（1000mL ），苯甲酸（分析纯，mol KJ Q m v ∙-=51.3227,-1
），萘（分
析纯），专用燃烧镍丝（q=-1525J •g -1
）。

四、 实验步骤
1、 仪器常数的测定
1） 准备点火丝：量取长约10cm 的点火丝，在电子天平上准确称量，得b m 值。

在直径
约1mm 的柱状棒上，将其中段绕成螺旋形5～6圈。

2） 压片：用台秤预称取0.9g ～1.1g 的苯甲酸，在压片机上压成圆片。

将压片制成的
样品放在干净的称量纸上，小心除掉有污染和易脱落部分，然后在电子天平上准确
称量，得a m 值。

3）装氧弹：将氧弹盖取下放在专用架上，用滤纸擦净电极及不锈钢坩埚。

先放好坩埚，然后用镊子将样品放在坩埚正中央（样品凹面朝上）。

将准备好的燃烧丝两端固定在电极上，并将螺旋部分紧贴在样品的上表面，然后小心旋紧氧弹盖（注意：点火丝不可与坩埚接触，以防短路）。

为保证点火丝和样品接触良好，也可用已知燃烧热的棉线捆住样品片，将点火丝穿入棉线，即可保证接触良好。

4）充氧气：将氧弹接入充氧机，检查氧气钢瓶上的减压阀，使其处于关闭状态，再打开氧气钢瓶上的总开关。

然后轻轻旋进减压阀螺杆(拧紧即是打开减压阀)，使氧气缓慢进入氧弹内。

待减压阀上的减压表压力指到1.8MPa ～2.0MPa 之间时停止，关闭氧气钢瓶总开关，并拧松压阀螺杆。

5）安装热量计：先放好内筒，调整好搅拌，注意不要让叶轮碰撞内筒壁。

将氧弹放在内筒正中央，接好点火插头，加入3000mL 自来水。

插入精密电子温差测量仪上的测温探头，注意既不要和氧弹接触、内筒壁接触，使导线从盖孔中出来，安装即完毕。

6）数据测量：打开精密电子温差测量仪，打开搅拌，设定温度读数时间间隔为30s 。

待温度基本稳定后将温差测量仪“采零”、“锁定”，开始记录温差数据。

整个数据记录分为以下3个阶段：
（1）初期。

这是样品燃烧以前的阶段。

在这一阶段观测和记录周围环境和量热体系在试验开始温度下的热交换关系。

每隔1分钟读取温度1次，共读取6次。

（2）主期。

从点火开始至传热平衡称为主期。

在读取初期最末1次数值的同时，按一下“点火”按钮即进入主期。

此时每30秒读取温度1次，直到温度不再上升而开始下降的第1次温度为止。

若点火后1min 内看见有明显迅速的上升，说明点火不成功，应停止实验，查找原因后重做。

（3）末期。

若实验中长时间温度上升（或下降）很慢，如温差变化小于0.005℃时，可视为进入末期。

这一阶段的目的与初期相同，是观察在实验后期的热交换关系。

此阶段仍是每30s 读取温度1次，直至温度停止下降为止（约共读取10次）。

停止观察温度后，取出温度传感器和氧弹，用专用工具放尽氧弹中的气体，拧开并取下氧弹盖，氧弹中若有烟黑或未燃尽的试样残余，表明试验失败，其原因通常是氧气不足（如漏气），应重做实验。

2、 萘的燃烧焓的测定
（1） 倒出内筒中的水。

（2） 称取0.8～1g 萘，用与“仪器常数的测定”相同的方法进行测定。

（3） 实验结束，用干布将氧弹内外表面和弹盖擦净，最好用热风将弹盖及零件吹干或风干。

五、 数据处理（用公式法校正温差）
（1） 仪器常数由苯甲酸实验数据按下式计算：
])/[(][12,t T T m q M
m
Q K b a m v ∆+-⨯+⨯=
式中，M 为苯甲酸的摩尔质量；1T 为主期的第一个温度（即点火温度）；2T 为主期的最后
一个温度；t ∆为量热计热交换校正值；其余参数与式（1）中的相同。

（2） 量热计热交换校正值t ∆用奔特公式计算：
r v v v m t 112/)(++=∆
式中，v 为初期温度变化率；1v 为末期温度变化率；m 为在主期中每0.5min 温度上升不小于0.3℃的间隔数，第一间隔不管温度升高多少度都计入m 中，r 为在主期每0.5min 温度上升小于0.3℃的间隔数。

（3） 记录（表2.1）及计算：
表2.1苯甲酸燃烧实验数据
室温：22.30℃ 外筒温度：22.50℃
苯甲酸热值：mol KJ Q m v ⋅-=51.3227,-1
0014.010/)006.0020.0(=-=v
0034.010/)756.1722.1(1-=-=v
0438.0120034.02/3)0034.00014.0(-=⨯-⨯-=∆t ℃
g m a 9964.0=
J m q b 47.160108.01525-=⨯-=⨯
⋅-=---⨯-=J K 839.17080)0438.0250.0838.1/()47.16122/9964.03227510(℃-1
（4） 萘的恒容燃烧热由实验结果按下式计算(表2.2)： 表2.2萘燃烧实验数据
室温：22.30℃ 外筒温度：20.30℃
0015.010/)010.0025.0(=-=v
0021.010/)487.2466.2(1-=-=v
0219.0100021.02/3)0021.00015.0(-=⨯-⨯-=∆t ℃
燃烧反应方程式为：
()()()()l O H g CO
g O s H 22
281041012C +→+
()[]{}a
m M b m v m q t T T K Q ⨯
⨯-∆+-⨯=12,
m o l
KJ /158.37349182.0128}0097.01525]0219.0)898.0489.2[(839.17080{-=⨯⨯+--⨯-=
RT Q nRT U Q H m v m c m p m c 2,,-=∆+∆==∆
475.293314.823734158⨯⨯--=
m o l KJ ⋅-=038.3739
T(K)为反应温度，可在按下点火按钮时记下精密电子温差测量仪显示的温度读数，等于20.325℃。

六、 注意事项
（1） 样品压片要压紧。

（2） 氧弹充气时要注意安全，注意操作时，人应站在侧面，手上不可附有油腻物。

（3） 每次使用钢瓶时，应在老师指导下进行。

（4） 试样燃烧焓的测定和仪器常数的测定，应尽可能在相同条件下进行。

（5） 未取出温度传感器时，不得打开量热计的盖子。

七、 思考题
（1） 本实验中如何考虑系统与环境？
答：氧弹内部空间为体系，氧弹以外为环境。

（2） 固体样品为什么要压成片状？如何测定液体样品的燃烧热？
答：压成片状是为了方便称量和安装试验装置，避免在称量和装药品时有损失，影响实验数据的准确性，而且在点火时受热就比较均衡。

在测定液体样品时，将液体样品装入坩埚中，将点火丝固定在电极上，有螺旋的部位浸入样品内，并注意点火丝不与坩埚接触。

（3） 如何用萘的燃烧焓数据来计算萘的标准生成焓？
答：由反应8102410H C H C →+，知生成焓就是反应焓，反应焓等于：10⨯（C 的燃烧焓）+4⨯（2H 的燃烧焓）-（810H C 的燃烧焓）。