物理化学-物理化学-实验一：燃烧热的测定

实验一 燃烧热的测定
一、实验目的及要求
1．用氧弹量热计测定萘的燃烧热，明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别与相互关系。

2. 了解氧弹量热计的原理、构造及其使用方法，掌握有关热化学实验的一般知识和测量技术。

3. 掌握用雷诺图解法校正温度的改变值。

二、实验原理
燃烧热是指一摩尔物质完全燃烧时的热效应。

所谓“完全燃烧”，是指有机物质中的碳燃烧生成气态二氧化碳、氢燃烧生成液态水等。

例如：萘的完全燃烧方程式为：
C 10H 8(s)+12O 2(g)=10CO 2(g)+4H 2O(1)
燃烧热测定可在恒容或恒压条件下进行。

由热力学第一定律可知：在不做非膨胀功情况下，恒容燃烧热Q v = ΔU , 恒压燃烧热Q p = ΔH 。

在氧弹式量热计中测得燃烧热为Q v , 而一般热化学计算用的值为Q p ， 这两者可通过下式进行换算：
Q p = Q v + ΔnRT (1)
式中Δn 为反应前后生成物和反应物中气体的物质的量的差值；R 为摩尔气体常数；T 为反应温度（K ）。

在盛有定量水的容器中，放入内装有一定量的样品和氧气的密闭氧弹，然后是样品完全燃烧，放出的热量传给水及仪器，引起温度上升。

若已知水量为W 克，水的比热为C , 仪器的水当量W ’(量热计每升高1o C 所需的热量)。

而燃烧前、后的温度为t 0和t n 。

则m 克物质的燃烧热为：
Q ’ = (CW + W ’) (t 0 - t n ) (2)
若水的比热为1 (C = 1), 摩尔质量为M 的物质，其摩尔燃烧热为：
Q = M
m (W + W ’) (t 0 - t n ) (3) 水当量W ’的求法是用已知燃烧热的物质（如本实验用苯甲酸）放在量热计中燃烧，测其始、末温度，按式（3) 求W ’。

一般因每次的水量相同，(W + W ’)可作为一个定值 （W ）
来处理。

故Q = M
m (W ) (t 0 t n ) (4) 在精确的实验中，辐射热及铁丝燃烧所放出的热量及温度计本身的校正都应该考虑。

另外，若供燃烧用的氧气中含有氮气时，则在燃烧过程中，氮气氧化成硝酸而放出热量亦不能略去。

实验过程中，量热系统的温度随时间而变化，因此量热系统和恒温的环境之间不可避免地存在相互热辐射，对量热系统的温度变化值产生影响，这可以用雷诺图解法予以校正，即根据不同时间t 测得量热系统的温度θ的数据，作温度—时间曲线CABD ，如图1（a ）所示，曲线中A 点为开始燃烧时量热系统的温度，B 点为燃烧结束后测得的量热系统最高温度，然后在温度轴上找出对应于夹套水温的点θM ，通过θM 作时间轴的平行线，交CABD 于M 点，通过M 点作时间轴的垂线，再通过A 、B 两点分别作CA 、BD 的切线交垂线于F 、E 两点，则由E 、F 两点所表示的温度之差值，即为燃烧反应前、后经校正的量热系统温度变化值Δθ。

FF ＇表示在量热系统的温度从A 点上升至M 点这段时间Δt 1内，由于环境辐射和搅拌等引进能量而造成量热系统温度的升高，这部分是必须扣除的；而EE ＇表示在量热系统的温度从M 点升至B 点这段时间Δt 2内，由于量热系统辐射热量给环境而造成量热系统温度的降低，这部分是必须加上的。

故用E 、F 两点所表示的温度之差值来表示量热系统的温度变化值Δθ是比较合理的。

图1 温度校正图
（a ）绝热较差 （b ）绝热良好 有时量热计的绝热情况良好，而搅拌器的功率偏大不断引进少许热量，使得燃烧后量
热系统的温度最高点不出现，如图1（b）所示，这种情况下的Δθ仍可按上法进行校正。

三、仪器与药品
GR3500氧弹量热计1套；氧气钢瓶（附氧气表）；数字式精密温差测量仪1台；压片机2台；万用电表1只；电吹风1个；小镊子1把；容量瓶1个。

苯甲酸（标准量热物质）；萘（A.R.）。

四、实验步骤
1．将量热计及其全部附件加以整理并洗净。

2. 苯甲酸的压片，装置氧弹
氧弹详细构造如图2所示。

旋下弹帽，置于弹头座（见图3）上，取出燃烧皿9，用蒸馏水洗净，吹干并准确称重至0.1mg，仍置于弹帽的燃烧皿支架6上。

从压片机（图4）上取下压模，用蒸馏水洗净、吹干。

图2 氧弹图3弹头座1—电极；2—充气阀门；3—充气管（兼作电极）；
4—放气阀门；5—燃烧挡板；6—燃烧皿支架；
7—弹体；8—弹帽；9—燃烧皿
用台天平称取约0.8g（不超过1g）已干燥的苯甲酸，倒入压模中（压模下有一垫块），将压模置于压片机上，向下转动旋柄，徐徐加压试样使其成为片状（注意：压力必须适中。

若压片太紧，不易燃烧；压片太松，又易炸裂残失，使燃烧不能完全，此步骤为本实验成功的关
键之一），然后向上转动旋柄，抽出模底托板及压模下的垫块，在压模下置一张洁净的纸片，再向下转动旋柄，将压片从压模中压出，除去压片表面碎屑，将其放入燃烧皿中，再次准确称重至0.1mg。

图4 压片机
1—压模；2—旋柄；3—模底托板
将燃烧皿置于支架上。

截取一段长约20 cm的镍丝，把镍丝中间绕成小圈状（4-5圈），并将镍丝两头分别紧绕在电极1、3的下端，小圈与压片表面紧密接触（注意：电极3、镍丝都不能和燃烧皿相碰）。

最后将弹帽放在弹体7上，旋紧弹帽8，用万用电表检查两电极是否通路，若通路则可充氧气。

3．充氧气
旋紧氧弹放气阀门4，用紫铜管将氧弹充气阀门2与氧气减压器出口接通；先旋松（逆时针旋转）减压器手柄，再松开（逆时针旋转）钢瓶的总阀门，此时总压表指针示值即为氧气钢瓶中氧气的压力，本实验要求钢瓶中氧气压力大于10 MPa。

缓缓旋紧减压器（顺时针旋转），使氧气徐徐进入氧弹内，此时，分压表指针示值即为充入氧弹内氧气的压力值。

开始充少量氧气（0.5 Mpa左右），然后旋紧（顺时针旋转）钢瓶的总阀门，再松开氧弹放气阀门，借以赶出弹中空气，如此重复一次，以保证驱进弹中空气。

最后充氧至1.5 -2 MPa。

旋紧钢瓶总阀门，3-5min后，由分压表指针是否下降来检查氧弹是否漏气。

若指针未下降，则表明氧弹不漏气，即可旋松减压器手柄，将紫铜管与氧弹充气阀门联结的一端拆下。

由于总阀门与减压器之间尚有余气，因此要再次旋紧减压器手柄，放掉余气，然后再旋松减压
器手柄，使钢瓶与减压器手柄恢复原状。

充好氧气后，再用万用表检查两电极是否通路，若通路，则将氧弹放入量热计的内桶。

整个氧弹式量热计的结构，参见图5。

图5 氧弹式量热计
1—水夹套；2—盛水桶；3—搅拌器；4—搅拌马达；
5—绝热支柱；6—氧弹；7—贝克曼温度计；8—温度计；
9—电极；10—盖子；11—放大镜；12—电振动装置。

4．调节水温
将温差测量仪探头放入水夹套中，调节数字显示在“2”左右。

取3000 mL以上自来水，将温差测量仪探头放入水中，调节水温，使其低于水夹套中水温1 K 左右。

用容量瓶取3000 mL 已调温的水注入盛水桶中，水面盖过氧弹（两电极应保持干燥）。

如有气泡逸出，说明氧弹漏气，寻找原因，排除。

装好搅拌头（搅拌时不可有金属摩擦声），把电极插头插紧在两电极上，盖上盖子，将温差测量仪探头插入盛水桶中（拔出探头之前，记下水夹套水温读数；探头不可碰到氧弹）。

5．点火
检查控制箱的开关，注意“振动、点火”开关应拨在振动档。

旋转“点火电源”旋钮到
最小。

打开总电源开关，打开搅拌开关，待马达运转2-3 min 后，每隔0.5 min 读取水温一次（精确至 0.002 o C），直至连续五次水温有规律微小变化。

把“振动、点火”开关由振动档拨至点火档，旋转“点火电源”旋钮，逐步加大电流，当数字显示开始明显升温时，表示样品已燃烧。

把“振动、点火”开关拨至“振动”，把“点火”电源旋钮旋至最小。

氧弹内样品一经燃烧，水温很快上升，每0.5 min 记录温度一次，当温度升至最高点后，再记录10 次，停止实验。

实验停止后，取出温差测量仪探头放入水夹套中；取出氧弹，打开氧弹出气口，放出余气；最后旋下氧弹盖，检查样品燃烧结果。

若氧弹中没有什么燃烧残渣，表示燃烧完全，若留有许多黑色残渣，表示燃烧不完全，实验失败。

用水冲洗氧弹及燃烧皿，倒去盛水桶中的水，把物件用纱布一一擦干，待用。

6．测定萘的燃烧热
称取0.5 g左右（不超过0.6 g）已干燥的萘，代替苯甲酸，同步骤1-5，测定萘的燃烧热。

五、注意事项
1．待测样品需干燥，受潮样品不易燃烧且容易造成称量误差。

2．样品能否为通电镍丝“点火”成功，是本实验的关键之一，因此实验时应按要求操作，要保证镍丝的螺旋部分与样品片接触。

3．保证样品完全燃烧，是保证实验有较高准确度的关键。

为此，将试样压成片状后，要除去表面粉末状物质后再称量，充入氧气并保持适当压力。

4．按要求操作、观察、记录和绘图校正温度是很重要的，是影响实验数据准确度的另一重要原因。

六、数据记录与处理
1．列表记录数据
室温/℃大气压力/MPa
m(苯甲酸+燃烧皿) m(萘+燃烧皿)
m( 燃烧皿) m(燃烧皿)
m( 苯甲酸) m (萘)
夹套水温夹套水温
盛水桶水温盛水桶水温
2．用图解法分别求得苯甲酸和萘燃烧前后量热系统的温度改变值Δθ。

3．由（4）式计算出W的值。

4．计算萘在恒容下完全燃烧的Q v和萘的燃烧热Q p，并与文献值比较。

七、思考和讨论
1．在本实验中，哪些是系统？哪些是环境？系统和环境间有无热交换？这些热交换对实验结果有何影响？如何校正？
2．使用氧气钢瓶和氧气减压器时要注意哪些事项？
3．加入盛水桶内的水温为什么要选择比水夹套水温低? 低多少为合适？为什么？
4．点火后温度不迅速上升，原因可能为：
（1）电极可能与氧弹壁短路，点火时变压器发嗡嗡声，导线发热。

（2）点火丝与电极接触不好，松动或断开。

（3）氧气不足，不能充分燃烧。

（4）在实验点火前，因操作失误已将镍丝烧掉。

5．由于使用的氧气中常含有杂质N2，在燃烧过程中，会生成一些硝酸和其它氮的氧化物。

当它们生成和溶入水中时会使体系温度变化而引起误差。

校正如下：实验后打开氧弹，用少量蒸馏水分三次洗涤氧弹内壁，收集洗涤液在锥形瓶中，煮沸片刻以0.1mol·dm-3NaOH 溶液滴定，1dm3的0.1mol·dm-3NaOH滴定液相当于放热6J。

6．在较精密实验中，镍丝燃烧所引进热量亦应扣除。

方法如下：可将燃烧丝在实验前称重，燃烧后小心取下，用稀盐酸浸洗，再用水洗净、吹干后称重，求出燃烧过程中失重的量（燃烧丝的热值为6695 J/g）。