实验二燃烧热的测定

实验二燃烧热的测定
一、实验目的
1．通过萘的燃烧热测定，了解燃烧热实验装置各主要部件的作用，掌握燃烧热的测定技术。

2．了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别及相互关系。

3．学会应用图解法校正温度改变值。

二、基本原理
燃烧热是指1摩尔物质完全燃烧时所放出的热量。

在恒容条件下测得的燃烧热称为恒容燃烧热（Q V），恒容燃烧热等于这个过程的内能变化Δ（U）。

在恒压条件下测得的燃烧热称为恒压燃烧热（Q P）恒压燃烧热等于这个过程的热焓变化（ΔH）若把参加反应的气体和反应生成的气体作为理想气体处理，则有下列关系式：
Q P= Q V+ΔnRT (1)
式中：Δn为产物与反应物中气体物质的量之差；R为气体常数；T为反应的热力学温度。

若测得某物质恒容燃烧热或恒压燃烧热中的任何一个，就可根据式(1)计算另一个数据。

必须指出，化学反应的热效应(包括燃烧热)通常是用恒压热效应（ΔH）来表示的。

测量化学反应热的仪器称为量热计（卡计）。

本实验采用氧弹式量热计测量萘的燃烧热，氧弹卡计的示意图为图2-l。

由于用氧弹卡计测定物质的燃烧热是在恒容条件下进行的，所
图2-1 图2-2
⒈搅拌棒⒉外筒⒊内筒⒋垫脚⒌氧弹
⒍传感器⒎点火按键⒏电源开关⒐搅拌开关⒑点火输出负极
⒒点火输出正极⒓搅拌指示灯⒔电源指示灯⒕点火指示灯
以测得的为恒容燃烧热（Q V ）。

测量的基本原理是将一定量待测物质样品在氧弹中完全燃烧，燃烧时放出的热量使卡计本身及氧弹周围介质（本实验用水）的温度升高。

通过测定燃烧前后卡计包括氧弹周围介质）温度的变化值，就可以求算出该样品的燃烧热。

其关系式如下：
m Q W
Q M T m
V r 点火丝点火丝卡·-∆= （2）
式中：m 为待测物质的质量(g)；M r 为待测物质的相对分子质量。

Q V 为待测物质的摩尔燃烧热；Q 点火丝为点火丝的燃烧热（如果点火丝用镍丝，则Q 点火丝= 3.245kJ ·g -1）；m 点火丝为点火丝的质量；ΔT 为样品燃烧前后量热计温度的变化值；W 卡为量热计（包括量热计中的水）的水当量，它表示量热计（包括介质）每升高一度所需要吸收的热量，量热计的水当量可以通过已知燃烧热的标准物（如苯甲酸，它的恒容燃烧热Q V =26．460kJ ·g -1）来标定。

已知量热计的水当量以后，就可以利用（2）式通过实验测定其他物质的燃烧热。

氧弹是一个特制的不锈钢容器（如图2-2）。

为了保证样品在其中完全燃烧，氧弹中应充以高压氧气或者其他氧化剂），因此，要求氧弹密封、耐高压、抗腐蚀。

测定粉末样品时必须将样品压成片状，以免充气时冲散样品或者在燃烧时飞散开来，造成实验误差。

本实验成功的首要关键是样品必须完全燃烧。

其次，还必须使燃烧后放出的热量尽可能全部传递给量热计本身和其中盛放的水，而几乎不与周围环境发生热交换。

为了做到这一点，量热计在设计制造上采取了几项措施，例如在量热计外面设置一个套壳，此套壳有些是恒温的，有些是绝热的，因此量热计又可分为外壳恒温量热计和绝热量热计两种。

本实验采用外壳恒温量热计，另外，量热计壁高度抛光，这是为了减少热辐射。

量热计和套壳间设置一层挡屏，以减少空气的对流。

但是，热量的散失仍然无法完全避免，这可以是由于环境向量热计辐射进热量而使其温度升高，也可以是由于量热计向环境辐射出热量而使量热计的温度降低。

因此燃烧前后温度的变化值不能直接准确测量，而必须经过作图法进行校正，校正的方法如下。

当适量待测物质燃烧后使卡计中的水温升高1.5～2.0度。

将燃烧前后历次观测到的水温记录下来，并作图，联成abed 线（图2-3）。

图中b 点相当于开始燃烧之点，c 点为观测到的最高温度读数点，由于量热计和外界的热量交换，曲线的ab 及cd 常常发生倾斜。

取b 点所对应的温度 T 1，C 点对应的温度 T 2，其平均温度（T 1＋T 2）／2为 T ，经过 T 点作横坐标的平行线TO ，与折线abcd 相交于O 点，然后过O 点作垂直线AB ，此线与ab 线和cd 线的延长线交于E 、F 两点，则E 点和F 点所表示的温度差即为欲求温度的升高值ΔT 。

如图2-3所示，EE ’表示环境辐射进来的热量所造成量热计温度的升高，这部分是必须扣除的；而FF ’表示量热计向环境辐射出热量而造成量热计温度的降低，因此这部分是必须加入的。

经过这样校正后的温度差表示了由于样品燃烧使量热计温度升高的数值。

图2-3 绝热较差时温度校正图图2-4 绝热良好时温度校正图有时量热计的绝热情况良好，热量散失少，而搅拌器的功率又比较大；这样往往不断引进少量热量，使得燃烧后的温度最高点不明显出现，这种情况下ΔT仍然可以按照同法进行校正（图2-4）。

必须注意，应用这种作图法进行校正时量热计的温度和外界环境的温度不宜相差太大（最好不超过2～3℃），否则会引进误差。

当然，在测量燃烧热过程中，对量热计温度测量的准确性直接影响到燃烧热测定的结果，所以本实验采用SWC-ⅡD精密数字温差仪来测量量热计的温度变化值。

SWC-ⅡD精密数字温差仪分辨率高、稳定性好，操作简单、显示清晰、读数准确。

具体操作如下：将传感器插入被测物中（插入深度应大于50mm）接通电源，按下电源开关，此时显示得显示仪表初始状态（实时温度），在适当温度时按“采零”按钮，选择基温，使温差显示为“0.00”。

选择好基温后按“锁定”键，锁定基温为零点。

开始测定被测物与基温的温差，按“▲”和反“▲”调节蜂鸣时间。

仪器蜂鸣时按“测量/保持”键，保持蜂鸣时的温度数值，读数记录后再按“测量/保持”键恢复测量。

三、仪器和试剂
燃烧热实验装置1套；压片机1台；SWC-ⅡD精密数字温差仪1台；
容量瓶（1000 m L）l只；万用电表1只（公用）氧气钢瓶及减压阀1只（公用）萘（AR）；苯甲酸（AR）；点火丝。

四、操作步骤
1．量热计的水当量（W水）测定
（1）样品压片：压片前，先检查压片用钢模，如发现钢模有铁锈、油污和尘土等，必须擦净后，才能进行压片。

用台称称取约0.6g 苯甲酸，将钢模底板装进模子中，从上面倒入已称好的苯甲酸样品，徐徐旋紧压片机的螺杆，直到将样品压成片状为止(不能压太紧，太紧点火后不能充分燃烧.）。

抽去模底的托板，再继续向下压，使模底和样品一起脱落。

将此样品表面的碎屑除去，在分析天平上的准确称量后即可供燃烧热测定用。

（2）装置氧弹：用分析天平准确称量一段点火丝（约15cm ）的质量，拧开，将氧弹内壁擦干净，特别是电极下端的不锈钢接线柱更应擦干净挂上放入压好的片状试样金属小杯。

小心地将点火丝二端分别在电极的固定下端。

将点火丝弯成如图2-5形状，中部贴紧片状试
样，利用其弹力压紧片状试
样。

旋紧氧弹盖，用万用电表
检查两电极是否通路。

若通
路，在弹杯中注入10ml 水，
旋紧氧弹盖后就可以充氧气。

按图6接氧气钢瓶、氧气表和
充气机打开氧气钢瓶上端氧
气出口阀，此时表1所指示压力即为氧气瓶中的氧气压力。

然后旋紧减压阀（即打开减压阀出口），使表2上的压力读数约为2.0MPa 。

把氧弹至于充气机下，氧弹进出气口对准充气机出气口，按下充气机手柄，先充入少量氧气（约0.5MPa ）, 然后开启氧弹进出气口，借以赶出弹中空气，再充入约2MPa 的氧气。

（3）燃烧和测量温度：将充好氧气的氧弹再用万用电表检查两电极间是否通路，若通路则可将最热计外简内注满水，缓慢搅动。

打开精密温度温差仪的电源并将其传感器插入外筒水中测其温度。

再用筒取适量自来水，测其温度，如温度偏高或相等则加冰调节水温使其低于外筒水温1℃左右。

将氧弹放入量热计的内筒（见图2-l ）。

用容量瓶准确取自来水3000mL ，倒入内筒内。

水面最好盖过氧弹。

如氧弹有气泡逸出，说明氧弹漏气，寻找原因并排除。

将电极插头插在氧弹两电极上，电极线嵌入桶盖的槽中，盖上盖子。

（注意：搅拌器不要与弹头相碰。

）将两电极插入点火控制箱。

同时将传感器插入内筒水中。

打开SHR —15氧弹式量热计的电源，开启搅拌开关，进行搅拌。

水温基本稳定后，将温差仪“采零”并“锁定”。

设置蜂呜30秒一次，然后将传感器取出放入外筒水中，记录其温差值，再将传感器插入内筒水中。

每隔半分钟读水温一次（精确至±0.002 ℃），直至连续20次水温有规
图2-6
律微小变化。

按下“点火”按钮，“点火灯”熄灭。

杯内样品一经燃烧，水温很快上升，点火成功。

每30秒记录一次，当温度升至每分钟上升小于0.002℃，连续读20个点，实验结束。

注意：水温没有上升，说明点火失败，应关闭电源，取出氧弹，放出氧气，仔细检查加热丝及连接线，找出原因并排除。

实验停止后，关闭电源，将传感器放入外筒。

取出氧弹，放出氧弹内的余气。

旋下氧弹盖，检查样品燃烧情况。

样品没完全燃烧，实验失败，须重做：反之，说明实验成功。

取出燃烧后剩下的点火丝称重，自点火丝质量中减去。

2．萘的燃烧热测定称取0.5g左右萘，按上述法进行压片、燃烧等实验操作。

实验完毕后，洗净氧弹，倒出卡计盛水桶中的自来水，并擦干待下次实验用。

五、数据记录和处理
1．按作图法求出苯甲酸燃烧引起量热计温度的变化值。

计算量热计的水当量（W卡）值。

2．按作图法求出萘燃烧引起的量热计温度变化值。

并计算萘的恒容燃烧热（Q V）值。

3．根据（1）式，由萘的恒容燃烧热（Q V）计算萘的恒压燃烧热（Q P）值。

4．由物理化学数据手册查出萘的恒压燃烧热（Q P），计算本次实验的误差。

六、实验注意事项
1、待测样品需干燥，受潮样品不易燃烧且称量有误。

2、注意压片的紧实程度，太紧不易燃烧，太松容易裂碎。

3、加热丝应紧贴样品，点火后样品才能充分燃烧。

4、点火后，温度急速上升，说明点火成功。

若温度不变或有微小变化，说明点火没有成功或样品没充分燃烧。

应检查原因并排除。

5、精密温度温差仪“采零”或正式测量后必须“锁定”。

七、思考讨论题
1．说明恒容热效应（Q V）和恒压热效应（Q P）的差别和相互关系。

2．简述装置氧弹和拆开氧弹的操作过程。

3．为什么实验测量得到的温度差值要经过作图法校正？
4．使用氧气钢瓶和减压阀时有哪些注意事项？。