用氧弹量热计测定钠与水的反应热

第23卷　第1期《新疆师范大学学报》(自然科学版)V ol.23,N o.1 2004年3月Jour nal o f Xinjiang N or mal U niver sity M ar.2004
(N atural Sciences Edition)
用氧弹量热计测定钠与水的反应热¹º
粟　智
(新疆师范大学生命与环境科学学院,乌鲁木齐,830054)
摘　要:利用氧弹燃烧热法测定物质燃烧热原理,对氧弹量热计进行改造,用自编的计算机程序进行数据处理,测定了金属钠与水反应的反应热,实验结果与理论值基本一致,相对误差为4.62%。

关键词:氧弹量热计;钠;水;反应热
中图分类号:　O656 文献标识码:　A 文章编号:　1008-9659-(2004)-01-0018-03
1　实验原理
利用氧弹量热计测定燃烧热是依据以下计算式[1,2]:
m
M
Q v+$W F q
F
+$v N aOH q N aOH=(C H2O W H2O+W′)$T(1)
其中:m是样品的质量,M是样品的摩尔质量,Qv为样品的等容燃烧热(在298.15K时,苯甲酸的等压燃烧热为Qp=-3226.8k J/mol),$W F是燃烧掉的燃烧丝的质量,q
F
=-6.695k J/g(燃烧丝的燃烧热),$V N aOH、
q NaOH分别为氧气中含碳、氮、硫等杂质所产生氧化物(在燃烧前可在氧弹中加1ml水)所消耗的0.1mol・
L-1N aOH的体积与所相当的热效应(每毫升0.1mol・L-1N aOH溶液相当于-0.005983J),C H
2
O为水的比热容,W H
2
O为水的质量,W′为仪器的水当量。

一般因每次水量相等,(C H2O W H2O+W′)可将作为一个定值C来处理[3]。

故
m M Q v +$W F q
F
+$V NaOH q NaOH=C$T(2)
且Q p=Q v+$nRT($n为反应前后中气体的摩尔数之差)(3)
对于钠与水的反应:N a(s)+H2O(l)→N aOH(l)+1
2H2
(g) ($n=0.5)
为了保证样品完全反应,样品钠要切成小薄片,并且样品质量以小于0.5克为宜。

为了防止钠被空气中的氧气氧化,氧弹中需充入高压氮气为保护气,用注射器将水从氧弹的出气孔注入。

2　实验部分
2.1　仪器与试剂:
氧弹热量计(GR-3500,SR-1数显热量计控制器(长沙仪器厂)、万用电表、DF110型电子分析天平、
¹
º[作者简介]粟智(1968-),男,副教授,主要从事物理化学和计算机应用化学的教学与研究。

[收稿日期]2003.9.2
数量温度计(精确到0.001℃)、氧气钢瓶、氮气钢瓶、容量瓶(1L )、普通水银温度计、压片机、注射器(5ml )。

苯甲酸(A .R ;上海黄渡化工厂)、钠(A ,R ;北京五七六零一部队化工厂),引燃专用铁丝。

2.2　实验步骤
2.2.1　测定热量计的水当量
(1)样品制作　取用无水氯化钙干燥两天后的苯甲酸,用台秤称取大约1克(切勿超过1.1克),在压片机上压成圆片。

将样品在干净的玻璃板上轻击2、3次,再用DF 110型电子分析天平精确称量。

(2)装样并充氧气　拧开氧弹盖,将氧弹内壁擦干净,特别是电极下端的不锈钢丝更应擦干净。

搁上金属小器皿,小心将样品放置在小器皿中部。

剪取15cm 长的引燃铁丝,在直径约3mm 的玻璃棒上,将其中段绕成螺旋型5-6圈。

将螺旋部分紧贴在样品的表面。

将铁丝的两端固定在电极上。

用万用电表检查两电极间的电阻值,一般应不大于208。

旋紧氧弹盖,卸下进气管口的螺栓,换接上导气管的接头。

导气管的另一端与氧气钢瓶上的减压阀连接。

打开钢瓶阀门,使氧弹中充入2Mp a 的氧气。

旋下导气管,关闭氧气管阀门,放掉氧气表中的余气。

将氧弹的进气螺栓旋上,再次用万用电表检查两电极间的电阻。

如阻值过大或电极与弹壁短路,则应放出氧气,开盖检查。

(3)测量　用容量瓶准确量取已被调节到低于室温1℃的自来水3kg 于盛水桶内。

将氧弹放入水桶中央,装好搅拌马达,把氧弹两电极用导线和数显热量计控制器连接,盖好盖子。

开动马达,待温度稳定上升后,每隔1min 读取一次温度。

10min 后,按下点火键通电打火。

若变压器上指示灯亮后即熄灭,且温度迅速升高,表示氧弹内样品已燃烧;若灯亮后不熄,表示铁丝没有烧断,应立即加大电流引发燃烧;若指示灯根本不亮或者加大电流也不熄灭,而且温度也不见迅速上升,则需打开氧弹检查原因。

自按下电键后,读数改为每隔30s 一次,直到两次读数的差值小于0.005℃,读数间隔恢复为1min 一次,继续15min 之后停止实验。

取出氧弹,打开出气口放出余气。

旋开氧弹盖,检查样品燃烧是否完全。

氧弹中应没有明显的燃烧痕迹,若发现黑色残渣,则应重做实验。

测量燃烧后剩下铁丝的长度以算铁丝实际燃烧的长度。

最后擦干氧弹和保温桶。

用同样的方法测3个。

(4)数据处理　将测得的数据输入到自编的氧弹法测定热效应专用计算机处理程序中,用雷诺曲线校正原理进行数据处理,得到样品反应前后水温的变化值$T o 将$T 代入到公式(2)中求出C ,并计算出平均值,数据处理结果见表1。

表1　苯甲酸的燃烧热测定结果(298.15K ,98.94kP a )
样号苯甲酸的质量
(g )燃烧丝的失重的质量
(g )消耗N aOH 的体积
(mL )水温的变化值$T (℃)参量C (kJ /K )1# 1.03640.00250.50 1.845-14.84782# 1.09080.00240.45 1.904-14.49083#
0.9851
0.0023
0.40
1.795
-14.5054
2.2.2　钠与水反应热的测定:
(1)样品制作　首先用DF 110型电子分析天平称出盛有煤油的称量瓶的质量,然后将钠从煤油中取出,用滤纸吸去表面的煤油后,用刀子将钠切成小薄片,快速放到盛有煤油的称量瓶中。

(2)称量　用DF 110型电子分析天平称出钠的质量。

(3)装置改装　拧开氧弹盖,把氧弹的出气孔的螺栓取掉,并用合适的橡皮塞塞紧气孔,将盛有5ml 水的注射器的长针头通过橡皮塞插入氧弹中。

为了防止水被注入到氧弹的金属小皿内,将金属小皿取掉,放入到盛水桶中,这样既保证了钠与水能够充分反应,又保证了环境没有发生变化。

(4)装样并充氮气　向氧弹中充入氮气。

将钠从称量瓶中取出,用滤纸快速吸去表面的煤油,放入到氧弹中,待氧弹中的氮气已满后停止通入氮气,拧上氧弹盖。

(5)装装置　用容量瓶准确量取已调好温度的自来水3kg 于盛水桶内,将氧弹放入水桶中央,装好搅拌马达,盖好盖子。

(6)测量　开动马达,待温度稳定上升后,每隔1min 读取一次数据。

10min 后,将注射器中的水注入到
・
19・第1期粟　智 用氧弹量热计测定钠与水的反应热
氧弹中,读数改为30s一次,直到两次读数的差值小于0.005℃,读数间隔恢复为1min一次,继续15min之后停止实验。

取出氧弹,打开出气口放出余气。

旋开氧弹盖,检查样品是否完全反应。

若发现有没反应完的钠,则应重做实验。

最后擦干氧弹和盛水桶。

(7)数据处理　将数据输入到自编的计算机处理程序中,将样品反应前后水温的变化值$T代入到(4)式中计算出反应热$H。

m
($H-$nRT)=C$T(4)
M
用同样的方法测5个,并计算出平均值。

表2列出了5个平行样品的测试结果,从表中可以看出实验结果是令人满意的。

表2　钠与水反应的反应热测定结果(298.15k,98.94k Pa)
样品号钠的质量(g)水温的变化值$T(℃)反应热$H(kJ/mol)
1#0.46280.197-141.8444
2#0.25200.114-150.8231
3#0.22940.101-145.4102
4#0.14220.065-152.4102
5#0.23420.102-145.1572
平均值-147.3980
S D 4.28%
RS D 2.90%
参考值-140.8890[4]
相对误差 4.62%
3　结果讨论
(1)由于钠是很活泼的金属,在测量过程中易与空气中的氧气反应,称量时可放入煤油中采取差量法进行称量。

钠在氧弹反应前要用氮气作保护气,以防止钠的氧化。

同时要保证氧弹内的内壁是干燥的,以保证测量结果的准确性。

(2)由于测定系统并非完全绝热,导致误差的主要原因有:¹苯甲酸干燥的不够完全,造成所求的C偏大。

º环境温度变化较大,使的所求的$T较大。

»钠被氧化很难避免,被氧化的钠造成了结果偏大。

(3)在精确测量中,除考虑燃烧丝的燃烧热以外,还需考虑和氧气中含氮杂质的氧化所产生的热效应。

(4)实验中的$T计算通常的方法是采用雷诺校正法作温度时间曲线图,确定实验中的$T,这种数据处理方法烦琐、费时,且误差较大。

文献[5]报道了利用Basic语言,编写了燃烧热的测定数据处理程序,将实验数据分成3组,采用分段线性回归求出3组数据的直线方程。

而实际上样品在氧弹中燃烧后测定体系温度的变化不是简单的直线关系,再加上该程序缺乏通用性和使用上的烦琐,故不常采用。

本文用目前比较流行的可视化编程语言Matlab编程,利用数据自拟合模型进行数据拟合,可迅速、准确计算出能在氧弹中进行反应的反应热并绘制和显示雷诺校正曲线[6]。

参考文献:
[1]　蔡显鄂,项一非,刘衍光修订.物理化学实验[M].北京:高等教育出版社,1993:43.
[2]　J.M怀特著,钱三鸿等译.物理化学实验[M].北京:人民教育出版社,1982:44.
[3]　孙尔康,徐维清,邱金恒编.物理化学实验[M].南京:南京大学出版社,2002:27.
[4]　傅献彩,沈文霞,姚天扬编.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2001:474.
[5]　王作新,赵传铰,阎泽群等编著.微机在物理化学中的应用——BA S IC语言程序集[M].北京:科学出版社,1988:15.
[6]　粟智.氧弹法测定及其应热的数据处理系统[J].化学通报,2003,66(4):w o29.(下转第24页)
2.4　结论
该水包油型清蜡除垢剂具有清蜡和除垢双重作用,不仅清蜡、除垢速度快,还有分散钙垢,降低原油粘度及缓蚀效果好等优点。

简化了生产工艺,使该产品有较好的应用前景。

参考文献:
[1]　窦照英编著.实用化学清洗技术(第二版)[M].化学工业出版社,2001.1.
[2]　严瑞煊主编.水处理应用手册[M].化学工业出版社,2000.5.
[3]　王春.消除蜡剂的研制[J].精细化工.1997.2.
[4]　王敏,赵静,张廷山等.原油降凝剂及其在国产原油中的应用[J].现代化工,2001.11.
[5]　徐功娣.新型原油流动性改进剂的合成研究[J].现代化工,2001.2.
Develepment of Paraffin and Water Stain Removal Agent
KE Ziqin
(S chool of L if e and Env ironment science,X inj iang N ormal University,830054)
Abstract:So me pr oducts for paraffin r em oval have been pr epared in the r esearch,which have some charactristics of parafffin and w ater-stain rem oval and prevention at the same tim e.T he v elo city of par affin remving is about4.8mg/ml・min,w hile that of cheaning w ater-stain is17.6mg/ml・min。

Key words:Paraffin r em oved agent;w ater-stain remo val ag ent;o il-in-w ater em ulsino n
(上接第20页)
Determination of the Reaction Heat for
Natrium and H2O in Oxygen Bomb
SU Zhi
(S chool of L if e and Env ironment S cience,X inj iang N ormal University,Urumqi,830054)
Abstract:Based on the theo ry of the reactio n heat in ox yg en bom b,the paper introduces the determi-nate method of the reaction heat of2Na(s)+2H2O(1)=2NaOH(aq.)+H2(g)+$H by r ev ised designing the o xy gen bo mb and using the self-desig n co mputer progr am,the results is satisfied and the relatively er-ror is4.62%
Key words:Oxy gen bomb;Natrium;H2O;Reaction heat。