《物理化学实验》讲义 - 图文(5)

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实验五 燃烧热的测定 5.1 实验目的 1．通过测定萘的燃烧热明确燃烧热的定义，了解定压燃烧热与定容燃烧 热的差别，掌握有关热化学实验的一般知识和技术。 2．掌握氧弹式量热计的原理、构造及其使用方法。 3．了解高压钢瓶的有关知识并能正确使用。 5.2 实验原理 燃烧热是指1mol物质完全燃烧时的热效应，是热化学中重要的基本 数据。一般化学反应的热效应，往往因为反应太慢或反应不完全，因而 难以直接测定。但是，通过盖斯定律可用燃烧热数据间接求算。因此燃 烧热广泛地用在各种热化学计算中。许多物质的燃烧热和反应热已经精 确测定。测定燃烧热的氧弹式量热计是重要的热化学仪器，在热化学、 生物化学以及某些工业部门中广泛应用。 燃烧热可在恒容或恒压情况下测定。由热力学第一定律可知：在不 做非膨胀功情况下，恒容反应热QV＝ΔU，恒压反应热Qp＝ΔH。在氧弹 式量热计中所测燃烧热为QV，而一般热化学计算用的值为Qp，这两者可 通过下式进行换算： Qp＝QV ＋ ΔnRT （1） 式中：Δn为反应前后生成物与反应物中气体的摩尔数之差；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，放入内装有一定量样品和氧气的密闭氧弹， 然后使样品完全燃烧，放出的热量通过氧弹传给水及仪器，引起温度升 高。氧弹量热计的基本原理是能量守恒定律，测量介质在燃烧前后温度 的变化值，则恒容燃烧热为： QV＝MW(t终－t始) （2） m式中：W为样品等物质燃烧放热使水及仪器每升高1℃所需的热量， 称为水当量。 第 19 页

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水当量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，测定其始、终态温度，一般来说，对不同样品，只要每次的 水量相同，水当量就是定值。 热化学实验常用的量热计有环境恒温式量热计和绝热式量热计两 种。环境恒温式量热计的构造如图3-1所示。 由图可知，环境恒温式量热计的最外层是储满水的外筒(图中5)，当 氧弹中的样品开始燃烧时，内筒与外筒之间有少许热交换，因此不能直 接测出初温和最高温度，需要由温度—时间曲线(即雷诺曲线)进行确定, 详细步骤如下： 将样品燃烧前后历次观察的水温对时间作图，联成FHIDG折线，如 图3-2所示。图中H相当于开始燃烧之点，D为观察到的最高温度读数 点，作相当于环境温度之平行线JI交折线于I过I点作ab垂线，然后将 FH线和GD线外延交ab线A、C两点，A点与C点所表示的温度差即为 欲求温度的升高ΔT。图中AA′为开始燃烧到温度上升至环境温度这段 图3-1 恒温式氧弹量热计 1-氧弹；2-温度传感器；3-内筒；4-空气隔层；5-外筒；6-搅拌 时间Δt1内，由环境辐射进来和搅拌引进的能量而造成体系温度的升 高必须扣除，CC′为温度由环境温度升高到最高点D这一段时间Δt2内， 体系向环境辐射出能量而造成体系温度的降低，因此需要添加上。由此 可见AC两点的温差是较客观地表示了由于样品燃烧致使量热计温度升 第 20 页

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高的数值。 有时量热计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微 引进能量使得燃烧后的最高点不出现，如图3-2与3-3所示。这种情况下 ΔT仍然可以按照同样方法校正。 5.3 实验仪器与用品 图3-2 绝热较差时的雷诺校正图 图3-3 绝热良好时的雷诺校正图 氧弹式量热计1套，BS-IIS型测定数据采集接口装置，压片机，氧 气钢瓶（带氧气表），电子天平1台（0.0001g），燃烧丝。苯甲酸（A.R）， 萘（A.R）。 5.4 实验步骤 1．水当量的测定： （1）仪器预热 将量热计及其全部附件清理干净，将有关仪器通电预热。 （2）样品压片 取约10cm长的燃烧丝一根，分别在电子天平上准确称重；在电子台 秤上粗称0.7～0.8g苯甲酸，在压片机中压成片状。 （3）氧弹充氧 将氧弹的弹头放在弹头架上，把燃烧丝的两端分别紧绕在氧弹头上 的两根电极上；把弹头放入弹杯中，拧紧，用万用表检查两极是否导通， 若导通，则充氧，开始先充约0.5MPa氧气，然后开启出口，借以赶出氧 弹中的空气。再充入1.5MPa氧气。氧弹放入量热计中，接好点火线。 第 21 页

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（4）调节水温 调节水温约低于外筒水温1℃。用容量瓶量取3000mL（视内筒容积 而定）已调温的水注入内筒，水面盖过氧弹，装好搅拌头。 （5）测定水当量 打开搅拌器，接通温差测量仪，拨在温度挡上，待温度稳定后开始 记录温度，每隔30s记录一次，直到连续几min水温有规律微小变化，开 启“点火”按钮，当温度明显升高时，说明点火成功，继续每30s记录一 次；到温度升至最高点后，再记录几min，停止实验。 停止搅拌，取出氧弹，放出余气，打开氧弹盖，若氧弹中无灰烬， 表示燃烧完全，将剩余燃烧丝称重，待处理数据时用。 2．测量萘的燃烧热 称取0.6～0.7g萘，重复上述步骤测定之。 5.5 实验注意事项 1． 内筒中加3000mL水后若有气泡逸出，说明氧弹漏气，设法排除。 2．搅拌时不得有摩擦声。 3．燃烧样品萘时，内筒水要更换且需重新调温。 4．氧气瓶在开总阀前要检查减压阀是否关好；实验结束后要关上钢 瓶总阀，注意排净余气，使指针回零。 5.6 数据记录与处理 1．将实验条件和原始数据列表记录。 2．由实验数据分别求出苯甲酸、萘燃烧前后的t始和t终。 3．由苯甲酸数据求出水当量W。 Qv（苯甲酸）＝MW(t终－t始) m式中：Qv（苯甲酸）=-3230.6kJ·mol1。 4．求出萘的燃烧热QV，换算成Qp。 5．将所测萘的燃烧热值与文献值比较，求出误差，分析误差产生的 原因。 第 22 页

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5.7 思考题 1．在使用氧气钢瓶及氧气减压阀时，应注意哪些基本要求？ 2. 本实验中，那些为体系？那些为环境？实验过程中有无热损耗， 如何降低热损耗？ 3. 在环境恒温式量热计中，为什么内筒水温要比外筒水温低？低多 少合适？ 第 23 页