燃烧热的测定

燃烧热的测定

预习题：

1. 什么是燃烧热？其终极产物是什么？

2. 实验测仪器常数采用什么样的办法？水当量是什么含义？

3. 氧弹式热量计测燃烧热的简单原理？主要测量误差是什么？如何求Q p ？

4. 为什么说高精度的燃烧热数据较之生成热数据更显得必要？

一、实验目的

1．明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的相互关系。 2. 熟悉氧弹量热计的构造、工作原理及测量方法。 3．学会应用雷诺图解法校正温度改变值。

二、实验原理

燃烧热是指1摩尔物质在等温、等压下与氧气进行完全氧化时的焓变。“完全氧化”的意思是指化合物中的元素生成较稳定的氧化物，如碳被氧化成CO 2(气)，氢被氧化成H 2O(液)等。燃烧焓是热化学中重要的基本数据，因为许多有机化合物的标准摩尔生成焓都可通过盖斯定律由它的标准摩尔燃烧焓及二氧化碳和水的标准摩尔生成焓求得。通过燃烧焓的测定，还可以判断工业用燃料的质量等。

在非体积功为

零的情况下，物质的燃烧焓以物质燃烧时的热效应(燃烧热)来表示：即△C H m =Q P ，m ，因此，测定物质的燃烧焓实际就是测定物质在等温、等压下的燃烧热。

量热法是热力学实验的一个基本方法。测定燃烧热可以在等容条件下，亦可以在等压条件下进行。等压燃烧热（Q P ）与等容燃烧热（Q V ）之间的关系为：

RT V n Q Q g g V p ∑∆∆+=ξ （2-1）

式中∑νg 为气体物质化学计量数的代数和；Δξ为反应进度增量，Q P 或Q V 为反应物质的量为Δξ时的反应热，Δn(g)为该反应前后气体物质的物质的量变化，T 为反应的绝对温度。

测量原理是能量守恒定律，样品完全燃烧放出的能量使量热计本身及周围介质温度升高，测量出介质燃烧前后温度的变化，就可以求算该样品的恒容燃烧热。

其关系如下：

T C Q V V ∆-= （2-2）

式中负号是指系统放出热量，放热时系统内能降低，C V 、T 均为正值。

系统除样品燃烧放出热量引起系统温度升高以外，其他因素：燃烧丝的燃烧，氧弹内N 2和O 2化合并溶于水中形成硝酸等都会引起系统温度变化，因此在计算水当量及发热量时，这些因素必须进行校正，校正值如下：

(1) 燃烧丝的校正：Cu-Ni 合金丝：-3.138J·cm -1 (2) 酸形成的校正：(本实验此因素忽略)

校正后的关系式为：Q V -W-3.138L= -K △T （2-3）

Q V ：样品恒容燃烧热（J·g -1） W ：样品的质量（g ） L ：燃烧丝的长度（cm ） K ：量热计的水当量

量热计的水当量K 一般用纯净苯甲酸的燃烧热来标定，苯甲酸的燃烧热Q V =-26460 J·g -1

为了保证样品燃烧完全，氧弹中必须充足高压氧气。因此要求氧弹密封、耐高压、耐腐蚀。同时，粉末样品必须压成片状，以免冲气时冲散样品使燃烧不完全，而引起实验误差，完全燃烧是实验成功的第一步，第二步还必须使燃烧后放出的的热量不散失，不与周围环境发生热交换，全部传递给量热计本身和其中的盛水，使量热计和水的温度升高，为了减少量热计与环境的热交换，量热计放在一恒温的套壳中，故称环境恒温或外壳恒温量热计。量热计须高度抛光，也是为了减少热辐射，量热计和套壳中间有一层挡屏，以减少空气的对流。虽然如此，热漏还是无法避免，因此燃烧前后温度变化的测量值必须经过雷诺作图法校正。其校正方法如下：

称适量待测物质，使燃烧后水温升高1.5-2.0℃，预先调节水温低于环境温度0.5-1.0℃，然后将燃烧前后历次观察的水温对时间作图，连成FHID 折线，见图10-3，

J

温度

J 温度

时间

图10-3 图10-4

图中H 相当于开始燃烧之点，D 为观察到的最高温度读数点，作一平行线JI 交折线于I ，过I 点作垂线ab ，然后将FH 线和GD 线外延交ab 于A 、C 两点。A 点与C 点所表示的温度差即为欲求温度的升高△T 。图中AA′为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间△t 1内，由环境辐射和搅拌引进的能量而造成量热计温度的升高，必须扣除。CC′为温度由室温升高到最高点D 这一段时间△t 2内量热计向环境辐射出能量而造成量热计温度的降低，因此需要添加上。由此可见，AC 两点的温度差较客观地表示了由于样品燃烧促使温度计升高的数值，有时量热计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进能量使的燃烧后的最高点不出现，这种情况下△T 仍然可以按照同法校正，见图10-4。

三、仪器和药品

仪器：SHR-15恒温式量热计（含氧弹） SWC-ⅡD 型精密数字温度温差计 YCY-4充氧器 压片机 氧气钢瓶（带减压阀） 托盘天平 电子天平 称量纸 1/10精密温度计（0-50 C ） 容量瓶（2L 、1L ） 研钵（两个） 药匙（两个 ） 电吹风 剪刀 钢尺

药品： 萘 苯甲酸 铜镍合金丝（精确燃烧值-3.138J·cm -1）

四、实验步骤

1．测定萘的燃烧焓

（1）样品压片及燃烧丝的准备

用台秤称取0.6克左右萘，将压片机的垫筒放置在可调底座上，装上模子，并从上面倒入已称好的萘样品，旋转手柄至合适位置压紧样品，旋转手柄松开压棒，取出模子，再旋转压棒至药品从垫筒下掉出。将样品在分析天品上准确称重，置于燃烧坩埚中待用。

（2）充氧气

将燃烧丝的两端绑牢于氧弹中的两根电极上，并使其中间部分与样品接触，燃烧丝不能与坩埚壁相碰，旋紧氧弹盖(如图10-5)。充氧器导管和阀门2的出气管相连，先打开阀门1(逆时针旋开)，再渐渐打开阀门2(顺时针旋紧)，将氧弹放在充氧器上，弹头与充氧口相对，压下充氧器手柄，待充氧器上表压指示稳定后松开，充气完毕。

（3）燃烧和测量温度

将充好氧气的氧弹用万用电表检查是否通路，若通路则将氧弹放入盛水桶中。用容量瓶准确量取已被调节到低于外筒温度0.5-1.0℃的水3000mL ，倒入盛水桶内，并接上控制器上的点火电极，盖上盖子，将温度温差仪的探头插入内桶水中，将温度温差档打向温差，将控制器上各线路接好(如图10-6)，开动搅拌马达，待温度稳定，每隔1分钟读取温度一次，读10个点，按下点火开关，如果指示灯亮后熄灭，温度迅速上升，则表示氧弹内样品已燃烧，自按下点火开关后，每隔15秒读一次温度，待温度每分钟上升小于0.002℃，每隔一分钟读一次温度，再读10个点。

关掉控制开关，取出测温探头，打开外筒盖，取出氧弹，用泄气阀放掉氧弹内气体，旋开氧弹头，检查若氧弹坩埚内有黑色残渣或未燃尽的样品颗粒，说明燃烧不完全，此实验作废，若未发现这些情况，取下未燃烧完的燃烧丝测其长度，计算实际燃烧丝的长度，将筒内水倒掉，即测了一个样品。

探头

图10-5充氧示意图 图10-6 量热计安装

2．测定量热计水当量K

称取1g 左右的苯甲酸，同法进行上述实验操作一次。

五、数据记录与处理

1. 列表记录实验数据

表1

表2 阀门1

弹头

氧弹

电

极极导管 充氧口

导管

氧压表