燃烧热的测定

燃烧热的测定

实验目的

1、掌握用氧弹热量计测量燃烧热的原理及使用方法

2、掌握温差测量的实验原理和技术

3、掌握用雷诺图解法进行温度校正的方法

实验原理

本实验采用环境恒温式氧弹热量计测量固体物质的燃烧热，热量计的结构及氧弹构造见实验教材第165页。

氧弹热量计测量燃烧热的原理是能量守恒定律：待测样品在充满高压氧气（约

1.2Mpa ）的氧弹内完全燃烧，将释放的热量全部传给氧弹及其周围的介质（水）和其它附件（包括测温元件、搅拌器和内水桶等），通过测量介质的温度变化（本实验采用铂电阻温度计测量），求得待测样品的燃烧热，计算公式如下： (1)

式中，w 样品和M 样品分别是被测样品的质量（g ）和摩尔质量（g mol -1）；Q v,m 为被测样品的恒容摩尔燃烧热，J mol -1； q 1点火丝（铜丝）的燃烧热, J g -1；x 为烧掉的点火丝的质量，g ；q 2为氧弹内的N 2生成硝酸时放出的热量，J ；K 为仪器常数, J mV -1；∆V 为记录仪上输出的不平衡电势信号，mV 。

仪器常数K 一般用已知燃烧热的标准物质苯甲酸来标定。

实验要求掌握的知识点

（1）恒压燃烧热（Q p ）与恒容燃烧热（Q v ）

1mol 物质在恒温、恒容或恒温、恒压下完全燃烧时所释放的热量称为该物质的恒容摩尔燃烧热（Q v,m ）或恒压摩尔燃烧热（Q p,m ）。完全燃烧是指 C →CO 2(g)，H →H 2O(g)，S →SO 2(g)，N →N 2(g)、Cl →HCl(aq)等。若将参与反应的所有气体看作是理想气体，则Q v,m 和Q p,m 之间有如下关系式：

∑+=B B m v m p RT g Q Q )(,,ν

(2) 式中，νB (g)为参加燃烧反应气体组分的化学计量系数（反应物为负，产物为正）；

R 为摩尔气体常数；T 为反应的热力学温度。

V K q x q Q M w m v ∆=++21，样品样品

用氧弹热量计测得的燃烧热为恒容摩尔燃烧热，然后由（2）式计算得到恒压摩尔燃烧热。

（2）雷诺图解法

用氧弹热量计测量物质的燃烧热，关键在于测准温度变化值。虽然氧弹热量计设计时，已采取措施尽量减少系统与环境之间的热损失，使系统近似看成是一个绝热系统，但实际上热量计与周围环境的热交换无法完全避免，对温差测量值有影响，一般需按雷诺（Renolds）图解法进行温度校正。具体方法为：称取适量待测样品，估计其燃烧后可使水温上升1.5-2.0o C。预先调节水温低于室温1.0o C 左右。按操作步骤进行测定，将燃烧前后观察所得的一系列水温和时间关系作图，

得一曲线如图所示。图中H点意味着燃烧开

始，热传入介质；D点为观察到的最高温度

值；从相当于室温的J点作水平线交曲线于

I，过I点作垂线ab，再将FH线和GD线延

长并交ab线于A、C两点，AC间的温差即

为经过校正的∆T。图中AA’为开始燃烧到

温度上升至室温这一段时间∆t1内，由环境辐

射和搅拌引起的能量所造成的升温，故应予

扣除。CC’为水温升高到最高点D这一段时图1 雷诺温度校正示意图

间∆t2内，热量计向环境的热漏造成的温度降低，计算时必须考虑在内。

若热量计的绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器功率较大，不断引进的能量使得曲线不出现最高温度点，此时也可采用上述方法进行温度校正。

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、燃烧第二个样品时，内筒水需调节水温。

3、称量。苯甲酸：0.8-0.9 g；萘：0.5-0.6 g；蔗糖：1.3-1.4 g （为什么？）

4、样品压片时，不宜太紧。样品压得太紧，点火困难且不易燃烧完全。

5、万用表测量两电极间的电阻时，一般要求电阻值不大于20欧姆。

实验数据和结果

室温：18.2 o C ，大气压：101.45 kPa

表1 实验结果

样品

样品质量/g 铜丝质量/g 剩余铜丝质量/g 烧掉铜丝质量/g 电势信号/mV 苯甲酸

0.8382 0.0428 0.0105 0.0323 1.541 萘 0.5267 0.0365 0.0060 0.0305 1.496

（1）仪器常数K 的计算

(1)

其中，苯甲酸Q v,m =-3226.9 J mol -1；铜丝（点火丝）燃烧热q 1=-2510 J g -1；q 2忽略不计。将表1内的有关数据代入（1）式，得

K=-1445 J mV -1

（2）萘恒容燃烧热Q v 的计算

将表1中的有关数据和K 值代入（1）式，得

Q v （萘）=-5233.0 kJ mol -1

（3）萘恒压燃烧热Q p 的计算

∑+=B B m v m p RT g Q Q )(,,ν

(2) 已知，)()()()(222810l O H g CO g O s H C +=+

所以，∑-=B

B g 2)(ν

则Q p,m （萘）=-5237.8 kJ mol -1

结果分析与讨论

表2为文献[1]提供的苯甲酸与萘的燃烧热数据。

表2 苯甲酸和萘的恒压燃烧热数据[1]

恒压燃烧热

KJ mol -1 J g -1 测定条件 苯甲酸

-3226.9 -26410 p θ，20o C 萘 -5153.8 -40205 p θ，25o C V K q x q Q M w m v ∆=++21，样品样品

由文献值计算得到萘的恒压燃烧热测量偏差：

测量偏差=（5237.8-5153.8）/5153.8 100%=1.6%

由此可见，实验测量值比文献值大，即实验所测得的释放的热量比文献报道要大，说明漏热对测量结果影响不大，主要测量误差可能包括以下三个方面：（1）没有考虑空气中N2生成硝酸时所放出的热量，第二次实验（萘燃烧热的测量）时所释放的热量可能比第一次实验（苯甲酸燃烧热的测量）多；

（2）搅拌所引起的热效应。搅拌会使系统温度升高，在两次实验中搅拌所产生的热量可能不一样，第二次产生的热量可能更多；

（3）两次实验所使用的水量不一样。第二次实验所用的水量可能比第一次少，导致仪器常数变大，从而使测量值偏大。

思考题及参考答案

1、燃烧热测定中什么是系统？什么是环境？

所谓系统，是指研究对象。在本实验中，系统包括氧弹、内水桶、介质水、测温元件、搅拌器等，可近似看成是一个绝热系统。

所谓环境，是指除系统之外且与系统有联系的那一部分物质与空间。在本实验中，环境主要指内水桶以外且与系统有联系的那一部分物质和空间，包括恒温水夹套、外水桶盖子上方的空气等。

2、实验中引起系统和环境热交换的因素有哪些？如何避免热损失？

系统与环境之间进行热交换的途径包括传导、对流和辐射。

内水桶底部与外水桶不是直接接触，而是用传热性差的材料制成的垫子隔开，减少传导引起的热损失；氧弹完全浸没在介质水中，使燃烧释放的热量全部传给周围的介质；外水桶上部用盖子盖住，减少空气对流；盖子朝下的一面抛光，减少热辐射。

3、应如何正确使用氧气钢瓶？

一般高压气体钢瓶使用注意事项：

（1）高压气体钢瓶放置场所要求通风良好，温度不超过35o C；