实验二燃烧热的测定

实 验 二 燃 烧 热 的 测 定 1、 用 氧 弹 热 量 计 测 定 萘 的 燃 烧 热 。2、 明 确 燃 烧 热 的 定 义 ， 了 解 恒 压 燃 烧 热 与 恒 容 燃 烧 热 的 区 别 。3、 了 解 热 量 计 中 主 要 部 件 的 作 用 ， 掌 握 热 量 计 的 实 验 技 术 。4、 学 会 雷 诺 图 解 法 校 正 温 度 变 化 值 。一 、 实 验 目 的 和 要 求 二 、 实 验 原 理1、 燃 烧 与 量 热 根 据 热 化 学 规 定 ， 1摩 尔 物 质 完 成 氧 化 (燃 烧 )时 的 反 应 热 称 为 燃 烧 热 。 所 谓 完 全 氧化 是 指 化 合 物 元 素 中 CCO2(气 )，H2H2O(液 )， SSO2(气 )， 同 时 还 必 须指 出 反 应 物 和 生 成 物 在 指 定 的 温 度 下 都 属于 标 准 状 态 。 如 苯 甲 酸 在 298.15K时 的 燃烧 反 应 过 程 为C 6H5COOH(固 )+15/2 O2(气 ) 7CO2(气 )+3 H2O(液 ) 量 热 法 是 热 力 学 的 一 个 基 本 实 验 方法 。 在 恒 容 或 恒 压 条 件 下 可 以 分 别 测 得恒 容 燃 烧 热 QV和 恒 压 燃 烧 热 Qp。 由 热 力学 第 一 定 律 可 知 ， 恒 容 过 程 的 热 效 应 QV等 于 体 系 内 能 变 化 U。 恒 压 过 程 的 热 效应 Qp等 于 其 焓 变 H。 它 们 之 间 的 相 互关 系 为 Qp QV+ n(RT) (2 1) H U+ n(RT) (2 2) 其 中 n为 反 应 前 后 反 应 物 和 生 成 物 中 气体 物 质 的 量 之 差 ； R为 气 体 常 数 ； T为 反应 时 的 热 力 学 温 度 。 本 实 验 通 过 测 定 萘 完 全 燃 烧 时 的 恒容 燃 烧 热 ， 然 后 计 算 出 萘 的 恒 压 燃 烧 热 。 热 是 一 个 很 难 测 定 的 物 理 量 ， 热 量的 传 递 往 往 表 现 为 温 度 的 改 变 。 而 温 度却 很 容 易 测 量 。 如 果 有 一 种 仪 器 ， 已 知它 每 升 高 一 度 所 需 的 热 量 ， 那 么 ， 我 们就 可 在 这 种 仪 器 中 进 行 燃 烧 反 应 ， 只 要观 察 到 所 升 高 的 温 度 就 可 知 燃 烧 放 出 的热 量 。 根 据 这 一 热 量 我 们 便 可 求 出 物 质的 燃 烧 热 。 本 实 验 所 用 的 氧 弹 热 量 计 是一 种 环 境 恒 温 式 热 量 计 ， 它 就 是 这 样 的一 种 仪 器 。 热 量 计 如 图 1所 示。 图 2-1氧 弹 卡 计 安 装 示 意 图 图 2为 氧 弹 的 构 造 图图 2-2 氧 弹 构 造 2、 氧 弹 热 量 计 氧 弹 热 量 计 的 基 本 原 理 是 能 量 守 恒 定 律 。样 品 完 全 燃 烧 所 释 放 出 的 能 量 使 得 氧 弹 本身 及 其 周 围 的 介 质 和 热 量 计 有 关 附 件 的 温度 升 高 。 测 量 介 质 在 燃 烧 前 后 温 度 的 变 化值 ， 就 可 求 算 出 该 样 品 的 恒 容 燃 烧 热 。 其关 系 式 如 下 ： W样 /M.QV LQL (W水 C水 C计 ) T (2 3) W水 和 C水 是 以 水 作 为 测 量 介 质 时 水 的 质 量 和 比 热容 ； C计 称 为 热 量 计 的 水 当 量 ， 即 除 水 以 外 ， 热 量计 升 高 1 所 需 的 热 量 ； T为 样 品 燃 烧 前 后 水 温的 变 化 值 。 式 中 ， W样 和 M分 别 为 样 品 的 质 量 和 摩 尔 质 量 ； QV为 样 品 的 恒 容 燃 烧 热 ； L和 QL是 引 燃 用 镍 丝 的 长度 和 单 位 长 度 燃 烧 热 。 为 了 保 证 样 品 完 全 燃 烧 ， 氧 弹 中 须 充 以 高 压 氧 气 ，因 此 氧 弹 应 有 很 好 的 密 封 性 能 ， 耐 高 压 且 耐 腐 蚀 ，氧 弹 放 在 一 个 与 室 温 一 致 的 恒 温 套 壳 中 。 盛 水 桶与 套 壳 之 间 有 一 个 高 抛 光 的 档 板 ， 以 减 少 热 辐 射和 空 气 的 对 流 。 3、 雷 诺 温 度 校 正 图 实 际 上 ， 在 实 验 过 程 中 环 境 与 体 系 间的 热 量 传 递 无 法 完 全 避 免 ， 它 对 温 差 测量 值 的 影 响 可 用 雷 诺 温 度 校 正 图 校 正 ，能 较 好 地 解 决 这 一 问 题 。 具 体 方 法 为 ：称 取 适 量 待 测 物 质 ， 估 计 其 燃 烧 后 可 使水 温 上 升 1.5 2.0 。 预 先 调 节 水 温 低 于室 温 1 左 右 。 按 操 作 步 骤 进 行 测 定 ， 将燃 烧 前 后 观 察 所 得 一 系 列 水 温 和 时 间 关系 作 图 ， 得 一 曲 线 如 图 3 所 示 。 图 2-3 绝 热 较 差 时 的 雷 诺 校 正 图 图 2-4 绝 热 良 好 时 的 雷 诺 校 正 图 图 中 H点 相 当 开 始 燃 烧 之 点 ， 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 于 曲 线 I， 过 I点 做 垂 直 于时 间 轴 的 ab线 ， 然 后 将 FN线 外 延 交 ab线 于A点 ， 将 GD线 外 延 ， 交 ab线 于 C点 ， 则 AC两 点 间 的 距 离 即 为 T。 图 中 AA 为 开 始 燃烧 到 温 度 升 到 室 温 这 一 段 时 间 t1内 ， 由 环境 辐 射 及 搅 拌 引 进 的 能 量 而 造 成 的 热 量 计的 温 度 升 高 ， 故 应 予 以 扣 除 。 CC 为 温 度由 室 温 升 高 到 最 高 点 D这 一 段 时 间 t2内 ，热 量 计 向 环 境 辐 射 而 造 成 本 身 温 度 的 降 低 ，计 算 时 必 须 考 虑 在 内 。 故 可 认 为 AC两 点 的 差 值 较 客 观 地 反 应 了 样 品燃 烧 引 起 的 升 温 数 值 。 在 某 些 情 况 下 ， 热量 计 的 绝 热 性 能 良 好 ， 热 漏 很 小 ， 而 搅 拌器 的 功 率 较 大 ， 不 断 引 进 能 量 使 得 曲 线 不出 现 极 高 温 度 点 ， 如 图 4所 示 ， 其 校 正 方 法相 似 。 三 、 仪 器 与 试 剂氧 弹 量 热 计 秒 表氧 气 钢 瓶 台 秤氧 气 减 压 阀 贝 克 曼 温 度 计压 片 机 温 度 计 (50 )扳 手万 用 表 烧 杯 (1000ml)苯 甲 酸 (分 析 纯 ) 萘 (分 析 纯 )点 火 丝 1、 仪 器 介 绍 图 1是 实 验 室 所 用 的 氧 弹 热 量 计 的 整 体 装配 图 ， 图 2是 用 来 测 量 恒 容 燃 烧 的 氧 弹 结构 图 。 下 面 分 别 介 绍 。 图 1中 ， 内 筒 C以 内 的 部 分 为 仪 器 的 主 体 ，即 为 本 实 验 研 究 的 体 系 ， 体 系 C与 外 界 以空 气 层 B绝 热 ， 下 方 有 绝 缘 的 垫 片 4架 起 ，上 方 有 绝 热 胶 板 5敷 盖 。 为 了 减 少 对 流 和蒸 发 ， 减 少 热 辐 射 及 控 制 环 境 温 度 恒 定 ，体 系 外 围 包 有 温 度 与 体 系 相 近 的 水 夹 套 A。为 了 使 体 系 温 度 很 快 达 到 均 匀 ， 还 装 有搅 拌 器 2， 由 马 达 6带 动 。 图 2是 氧 弹 的 构 造 。 氧 弹 是 用 不 锈 钢 制 成 的 ，主 要 部 分 有 厚 壁 圆 筒 1、 弹 盖 2和 螺 帽 3紧密 相 连 ； 在 弹 盖 上 装 有 用 来 充 入 氧 气 的进 气 孔 4、 排 气 孔 5和 电 极 6， 电 极 直 通 弹体 内 部 ， 同 时 作 为 燃 烧 皿 7的 支 架 ； 为 了将 火 焰 反 射 向 下 而 使 弹 体 温 度 均 匀 ， 在另 一 电 极 8（ 同 时 也 是 进 气 管 ） 的 上 方 还有 火 焰 遮 板 9。2、 热 量 计 水 当 量 的 测 定 （ 求 C计 ）(1)样 品 制 作先 将 压 片 用 钢 模 清 洗 并 使 其 干 燥 ， 用 台 秤 称 取 1g苯 甲 酸 （ 切 勿 超 过 1.1g） ， 取 长度 为 20cm左 右 的 点 火 丝 一 根 ， 准 确 称 量并 把 其 双 折 后 在 中 间 位 置 打 环 ， 置 于 压片 机 的 底 板 压 模 上 ， 装 入 压 片 机 内 ， 倒入 预 先 粗 称 的 苯 甲 酸 样 品 ， 使 样 品 粉 末将 镍 丝 环 浸 埋 ， 用 压 片 机 螺 杆 徐 徐 旋 紧 ，稍 用 力 使 样 品 压 牢 ， 用 力 要 适 中 压 力 不能 太 大 ， 太 大 易 使 镍 丝 压 断 ， 样 片 压 得太 松 ， 样 品 容 易 脱 落 ， 抽 去 模 底 的 托 扳手 ， 继 续 向 下 压 ， 用 干 净 的 纸 接 住 样 品 ，弹 去 周 围 的 粉 末 ， 将 样 品 在 分 析 天 平 上准 确 称 量 后 供 燃 烧 使 用 。 (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 接 线 柱 更 应 擦 干 净 。放 上 金 属 小 皿 ， 将 样 片 上 的 点 火 丝 小 心地 绑 牢 于 氧 弹 中 两 根 电 极 8与 10上 （ 见 图2氧 弹 剖 面 衅 ） 。 旋 紧 氧 弹 盖 ， 用 万 用 表检 查 两 电 极 是 否 通 路 。 旋 紧 出 气 口 5后 即可 充 氧 气 。 卸 下 进 气 管 口 的 螺 栓 ， 按 图 5将 氧 气 表 头 的 导 管 与 氧 弹 的 进 气 管 接 通 ，此 时 减 压 阀 门 2应 逆 时 针 旋 松 （ 即 关 紧 ） ，打 开 氧 气 钢 瓶 上 端 氧 气 出 口 阀 门 1（ 总阀 ） ， 然 后 缓 缓 放 紧 减 压 阀 门 2（ 即 渐 渐打 开 ） ， 使 表 2指 针 指 在 表 2MPa， 按 图 1将 热 量 计 内 筒 及 搅 拌 器 装 配 好 。 用 量杯 量 取 已 被 调 节 到 低 于 室 温 1 的 自 来 水3000ml于 内 筒 C中 ， 把 充 好 氧 放 入 内 筒 C，再 次 用 万 用 表 检 查 两 电 极 是 否 通 路 ， 把氧 弹 两 电 极 用 导 线 与 点 火 控 制 器 连 接 ，安 装 上 贝 克 曼 温 度 计 ， 盖 上 盖 子 检 查“ 点 火 ” 开 关 是 否 置 于 “ 关 ” 的 位 置 ，然 后 接 通 电 源 ， 开 动 搅 拌 马 达 ， 待 温 度稳 定 上 升 后 ， 每 隔 1min读 取 一 次 温 度（ 准 确 读 至 0.002 ） 。 10 15min后 ， 按 下 控 制 器 上 点 火 电 键 通 电 点 火 。 若 控 制 器上 点 火 指 标 灯 亮 后 即 熄 灭 ， 且 温 度 迅 速 上升 ， 表 示 氧 弹 内 样 品 已 燃 烧 ； （ 此 时 立 即将 点 火 电 源 拨 回 “ 关 ” 的 位 置 ） 。 若 灯 亮后 不 熄 灭 ， 表 示 点 火 丝 没 有 烧 断 ， 应 立 即加 大 电 流 引 发 燃 烧 ； 若 指 标 灯 根 本 不 亮 ，而 且 温 度 不 见 迅 速 上 升 ， 则 表 示 样 品 没 有燃 烧 ， 须 打 开 气 弹 检 查 原 因 。 自 按 下 电 源 后 ， 每 隔 30S读 一 次 温 度 ， 直 至两 次 读 数 差 值 小 于 0.005 ， 读 数 间 隔 恢复 为 1min一 次 ， 继 续 15min后 方 可 停 止 实验 。 小 心 取 下 贝 克 曼 温 度 计 ， 再 取 出 氧 弹 ，打 开 排 气 阀 ， 排 出 废 气 ， 旋 开 氧 弹 盖 ， 观察 样 品 燃 烧 是 否 完 全 ， 如 有 黑 色 残 渣 ， 则证 明 燃 烧 不 完 全 ， 实 验 需 重 新 进 行 。 如 燃烧 完 全 ， 取 下 剩 余 的 点 火 丝 并 用 分 析 天平 准 确 衡 量 质 量 。 样 品 点 燃 及 燃 烧 完 全 与否 ， 是 本 实 验 最 重 要 一 步 。 3、 萘 的 燃 烧 热 测 量 用 台 秤 称 取 0.6g左 右 的 萘 ， 按 上 述 操作 步 骤 进 行 测 定 。 实 验 结 束 后 将 氧 弹 及 盛 水 筒 洗 净 擦 干 。 五 、 数 据 处 理 1、 苯 甲 酸 燃 烧 热 为 -26460Jg -1 引 燃 镍 丝 燃 烧 热 为 -3243 Jg -1 镍 线 燃 烧 热 为 -16736 Jg -1 水 燃 烧 热 为 -1 Jg -1 2、 数 据 记 录 室 温 实 验 温 度 苯 甲 酸 质 量 g 萘 质 量 g 镍 丝 质 量 g 剩 余 镍 丝 质 量 g 将 实 验 测 得 的 苯 甲 酸 及 萘 的 时 间 和 温 度数 据 列 表 。 3、 数 据 处 理 作 苯 甲 酸 和 萘 的 雷 诺 温 度 校 正 图 ， 准 确 求 出 二 者 的 T。 由 此 计 算 水 当 量 C计 和 萘 的 恒 容 燃 烧 热 Q V， 并 计 算 其 恒 压 燃 烧热 QP。 4、 结 果 讨 论 根 据 所 用 仪 器 的 精 度 ， 正 确 表 示 测 量 结果 ， 并 指 出 最 大 测 量 误 差 所 在 。 计 算 出绝 对 误 差 。 六 、 实 验 注 意 事 项 本 实 验 所 用 仪 器 比 较 复 杂 和 精 密 ，操 作 技 术 要 求 较 高 ， 所 有 操 作 环 节 中 ，稍 有 疏 忽 易 引 入 误 差 ， 甚 至 导 致 失 败 。实 验 前 必 须 了 解 它 的 性 能 及 使 用 方 法 ，严 格 遵 守 操 作 规 程 。 1、 压 片 时 燃 烧 丝 必 须 压 入 片 内 ， 并 注 意压 片 的 紧 实 度 。 2、 氧 弹 充 完 氧 气 后 一 定 要 检 查 是 否 漏气 ， 并 用 万 用 表 检 查 是 否 通 路 。 3、 氧 弹 放 入 热 量 仪 之 前 ， 一 定 要 先 检 查点 火 键 是 否 位 于 “ 关 ” 的 位 置 。 点 火 结束 后 ， 应 立 即 将 其 置 于 关 的 位 置 。 而 且“ 点 火 ” 要 迅 速 果 断 ， 按 点 火 电 键 的 时间 不 得 超 过 2S， 长 时 间 通 电 点 火 会 引 入热 量 。 4、 测 量 水 当 量 和 测 量 萘 的 燃 烧 热 时 ， 一切 实 验 条 件 必 须 完 全 一 样 。 七 、 思 考 题1、 固 体 样 品 为 什 么 要 压 成 片 状 ?2、 在 燃 烧 热 测 定 实 验 中 ， 哪 些 因 素 容 易 造成 实 验 误 差 ？