实验二燃烧热的测定

实验二燃烧热的测定

一、实验目的和要求 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。

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B中C→CO2(气)，H2→H2O(液)，S→SO2(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 C6H5COOH(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。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。

热量计的安装如图1所示，图2为氧弹的构造图。热量计的安装如图1所示，图2为氧弹的构造图。

图2-1氧弹卡计安装示意图 1氧弹 2内筒 3搅拌器 4绝热胶板 5贝克曼温度计 6温度观测镜 7温度计固定架 8马达 9空气层 10水保温层

图2-2 氧弹构造 1厚壁圆筒 2弹盖 3螺帽 4进气孔 5排气孔 6电极 7燃烧皿 8另一电极 9火焰遮板

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/MQV－L·QL＝(W水C水＋C计)△T (2－3) • 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， • 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。 • 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，氢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。

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。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，氢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。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 氧弹热量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）镍丝

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。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左右的镍丝一根，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。称取1g苯甲酸（切勿超过1.1g），取长度为20cm左右的镍丝一根，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，将样片上的镍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，

(3)燃烧和测量温差

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2500ml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2500ml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

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

的镍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。的镍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-26460J·g -1 引燃镍丝燃烧热为-3243 J·g -1 镍线燃烧热为-16736 J·g -1 水燃烧热为-1 J·g -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QV，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？

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