燃燒熱的測(cè)定

1、燃燒熱測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)會(huì)用氧彈熱量計(jì)測(cè)定有機(jī)物燃燒熱的方法。2、明確燃燒熱的定義，了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的差別。3、掌握用雷諾曲線法校正所測(cè)溫差的方法。4、掌握壓片技術(shù)，熟悉高壓鋼瓶的使用方法。學(xué)會(huì)用精密電子溫差測(cè)量?jī)x測(cè)定 溫度的改變值。二、基本原理燃燒焓的定義：在指定的溫度和壓力下， lmol 的物質(zhì)完全燃燒生成指定產(chǎn)物的焓變，稱該物質(zhì)在此溫度下的摩爾燃燒焓，記作c H m 。燃燒產(chǎn)物指定該化合物中 C 變?yōu)?C02(g) ，H 變?yōu)?H2O(l)，S變?yōu)?SO2(g)，N 變?yōu)?N2 (g)，Cl 變?yōu)?HCl(aq) ，金屬都成為游離狀態(tài)等。燃燒熱的測(cè)定，除了有其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值外

2、，還可用來求算化合物的生成熱、 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱和鍵能等，具有重要的理論價(jià)值。量熱方法是熱力學(xué)的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)方法。 熱量有 Qp和 Qv之分。用氧彈熱量 計(jì)測(cè)得的是恒容燃燒熱 Qv；從手冊(cè)上查到的燃燒熱數(shù)值都是在 298.15 K，1p 條 件下，即標(biāo)準(zhǔn)摩爾燃燒焓，屬于恒壓燃燒熱 Qp。由熱力學(xué)第一定律可知，在不 做非膨脹功的條件下， Qv U ；Qp H 。若把參加反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成的氣 體都作為理想氣體處理，則它們之間存在以下關(guān)系：Qp Qv nRT( 1)式中， n為反應(yīng)前后生成物和反應(yīng)物中氣體的物質(zhì)的量之差； R 為氣體常 數(shù)；T 為反應(yīng)的熱力學(xué)溫度 (量熱計(jì)的外桶溫度，環(huán)境溫度 )

3、。在本實(shí)驗(yàn)中， 在盛有 2500ml水的容器中放入裝有 W 克樣品和氧氣的密 閉 氧彈，使樣品完全燃 燒，放出的熱量引起體系溫度的上升。根據(jù)能量守恒原理， 用溫度計(jì)測(cè)量溫度的改 變量，由下式求得 Qv。Qv WM C（T終 T 始）2)式中，M 是樣品的摩爾質(zhì)量（g.mol-1）；C 為樣品燃燒放熱給水和儀器每升 高 1 度所需要的 熱量，稱 為水當(dāng)量（J.K-1）。水當(dāng)量的求法是用已知燃 燒熱的物質(zhì) （本實(shí)驗(yàn)用苯甲酸）放在量 熱計(jì)中，測(cè)定和 T 始和 T 終，即可求出水當(dāng)量 C；然 后再用相同的方法對(duì)奈進(jìn)行測(cè)定，測(cè) 定和 T 始和 T 終，代入上式，便可求得其燃 燒熱。三、儀器與試劑 ：氧彈

4、熱量計(jì) 1 套、容量瓶 （1000 mL）1 個(gè)、氧氣鋼瓶 1 個(gè)、氧氣減壓閥 1 個(gè)、 苯甲酸 （分析純 ）、萘（分析純 ） 、臺(tái)稱 1 臺(tái)、電子天平 1 臺(tái)（0.0001g）、壓片機(jī) 1 臺(tái)、 燃燒絲、棉線。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1. 熱量計(jì)的水及儀器當(dāng)量 （即總熱容量 ）的測(cè)定熱量計(jì)的熱容量就是與其量熱體系具有相同熱容量的水的重量 （以克計(jì) ） 。熱 量計(jì)熱容量表數(shù)值上等于量熱體系溫度升高 1所需的熱量。量熱體系指在實(shí) 驗(yàn)過程中發(fā)生的熱效應(yīng)所能分布到的部份，包括量熱容器，氧彈的全部以及攪 拌器，溫度計(jì)的一部分。熱量計(jì)熱容量用已知燃燒熱值的苯甲酸，在氧彈內(nèi)用燃燒的方法測(cè)定。試 樣的測(cè)定應(yīng)與熱容量的

5、測(cè)定在完全相同的條件下進(jìn)行。當(dāng)操作條件有變化時(shí)， 如更換或修理熱量計(jì)上的另件，更換溫度計(jì)，室溫與上次測(cè)定熱容量時(shí)的室溫 相差超過 5以及熱量計(jì)移到別處等，均應(yīng)重新測(cè)定熱容量。（1）樣品壓片 在臺(tái)秤上粗稱苯甲酸約 0.9 - 1.0 g，用壓片機(jī)壓成片，取約 10cm 長(zhǎng)的燃燒絲和棉線各一根，分別在電子天平上準(zhǔn)確稱重；用棉線把燃燒絲 綁在苯甲酸片上，準(zhǔn)確稱重。（2）氧彈 充氧 將氧彈的彈頭放在彈頭架上，把燃燒絲的兩端分別緊繞在氧 彈頭上的兩根電極上，把彈頭放入彈杯中，擰緊。充氧時(shí)，開始先充約 0.5MPa 氧氣，然后開啟出口，借以趕出氧彈中的空氣。 再充入 1MPa 氧氣，充氣約 2 分鐘。氧彈

6、放入量熱計(jì)中，接好點(diǎn)火線。氧彈不 應(yīng)漏氣，如有漏氣現(xiàn)象，應(yīng)找出原因，子以修理。（3）調(diào)節(jié)水溫 準(zhǔn)備一桶自來水，調(diào)節(jié)水溫約低于外筒水溫 1（也可以不 調(diào)節(jié)水溫直接使用）。用量筒取 2500mL 水注入內(nèi)筒，水面應(yīng)淹到氧彈進(jìn)氣閥螺 帽高度的 23 處，裝好攪拌頭。（4）測(cè) 定水當(dāng)量 將測(cè)溫探頭插入內(nèi)筒，測(cè)溫探頭和攪拌器均不得接觸氧彈 和內(nèi)筒。 整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段：1. 初期：這是試樣燃燒以前的階段。在這一階段觀測(cè)和記錄周圍環(huán)境與量 熱體系在試驗(yàn)開始溫度下的熱交換關(guān)系。 每隔 1min 讀取溫度一次， 這樣連續(xù)讀 取 810 組溫度，直到讀取的溫度與上次相差小于 0.01。2. 燃燒期：燃燒定量的

7、試樣，產(chǎn)生的熱量傳給熱量計(jì)，使熱量計(jì)裝置的各 部分溫度達(dá)到均勻。在初期的最末一次讀取溫度的瞬間，按下點(diǎn)火鍵點(diǎn)火 （按住約 1min 不放 ）， 若溫度迅速上升，則表明樣品已經(jīng)開始燃燒（如果通電后，溫度沒有迅速上升， 表示點(diǎn)火沒有成功，需打開氧彈，檢查原因）燃燒過程中每隔 15s 讀取一次溫 度，直到溫度上升明顯緩慢為止，這個(gè)階段算作燃燒期。3. 末期：這一階段的目的與初期相同，是觀察在試驗(yàn)終了溫度下的熱交換 關(guān)系。在燃燒期讀取最后一次溫度后，每隔 1min 讀取溫度一次，共讀取 810 組溫度作為實(shí)驗(yàn)的未期（ 5） 停止觀測(cè)溫度后，從熱量計(jì)中取出氧彈，用放氣帽緩緩壓下放氣閥， 在 1 分鐘左右

8、放盡氣體，擰開并取下氧彈蓋，量出未燃完的引火線長(zhǎng)度，計(jì)算 其實(shí)際消耗的重量。隨后仔細(xì)檢查氧彈，如彈中有煙黑或未燃盡的試樣微粒， 此試驗(yàn)應(yīng)作廢。如果未發(fā)現(xiàn)這些情況，用蒸餾水洗滌彈內(nèi)各部份，坩堝和進(jìn)氣 閥。（6） 用干布將氧彈內(nèi)外表面和彈蓋拭凈， 最好用熱風(fēng)將彈蓋及另件吹干或風(fēng) 干，備用。2. 試樣燃燒熱的測(cè)定：萘的燃燒熱的測(cè)定稱取 0.5 g萘，用上述同樣的方法進(jìn)行測(cè)定。五、數(shù)據(jù)處理：1. 實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)：苯甲酸反應(yīng) 前期（ 1 次/min ）反應(yīng)中期（ 1次/15s）反應(yīng) 后期（ 1 次/min ）時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度12345678910123456789101112131415123456

9、78910反應(yīng)前期（ 1 次/min ）反應(yīng)中期（ 1 次/15s）反應(yīng)后期（ 1 次/min ）時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度時(shí)間溫度12345678910567891011121314155678910原始數(shù)據(jù) 記錄：1) 燃燒絲重g； 棉線重g；苯甲酸 樣品重g；剩余燃 燒絲重g；水溫。2) 燃燒絲 重g； 棉線重g；萘樣品重g；剩余燃 燒絲重g；水溫2. 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別求出苯甲酸、 萘燃燒前后的 t始和 t 終。 T 苯甲酸 T 萘用雷諾法校正溫差具體方法為：將燃燒前后觀察所得的一系列水溫和時(shí)間關(guān)系作圖，得一曲線，如圖 1所示。圖1雷諾法校正溫差在圖 1(a)中，H點(diǎn)意味著燃燒開始，熱傳入介

10、質(zhì)； D點(diǎn)為觀察到的最高溫度值；從 相當(dāng)于室溫的 J點(diǎn)作水平線交曲線于 I，過I點(diǎn)作垂線 ab，再將FH線和 GD線延長(zhǎng)并 分別交 ab線于A 、C兩點(diǎn)，其間的溫度差值即為經(jīng)過校正的 T。圖1(a)中AA為 開始燃燒到溫度上升至室溫這一段時(shí)間 t1內(nèi)，由環(huán)境輻射和攪拌引進(jìn)的能量所 造成的升溫，故應(yīng)予扣除。 CC為由室溫升到最高點(diǎn) D這一段時(shí)間 t2內(nèi)，熱量 計(jì)向環(huán)境的熱漏造成的溫度降低，計(jì)算時(shí)必須考慮在內(nèi)。故可認(rèn)為 A 、C兩點(diǎn)的 差值較客觀地表示了樣品燃燒引起的升溫?cái)?shù)值。在某些情況下，熱量計(jì)的絕熱性能良好，熱漏很小，而攪拌器功率較大，不 斷引進(jìn)的能量使得曲線不出現(xiàn)極高溫度點(diǎn)，如圖 1(b)所

11、示。校正方法相似。作苯甲酸和萘燃燒的雷諾溫度校正后， 由 T 計(jì)算體系的熱容量和萘的恒容 燃燒熱 QV，并計(jì)算其恒壓燃燒熱 QP；再用公式法計(jì)算體系的熱容量和萘的恒容 燃燒熱 QV，并計(jì)算其恒壓燃燒熱 QP。并分別比較測(cè)定結(jié)果的相對(duì)百分誤差。六、注意事項(xiàng)：1.試樣在氧彈中燃燒產(chǎn)生的壓力可達(dá) 14 MPa。因此在使用后應(yīng)將氧彈內(nèi)部擦干 凈，以免引起彈壁腐蝕，減小其強(qiáng)度。2. 氧彈、量熱容器、攪拌器在使用完畢后，應(yīng)用干布擦去水跡，保持表面清潔、 干燥。3. 內(nèi)筒中加 2500mL水后若有氣泡逸出， 說明氧彈漏氣， 設(shè)法排除。4. 攪拌 時(shí)不得有摩擦聲。5. 測(cè)定樣品萘?xí)r ，內(nèi)筒水要更 換且需 調(diào)溫

12、。6. 氧氣遇油脂會(huì)爆炸。 因此氧氣減壓器、 氧彈以及氧氣通過的各個(gè)部件， 各連接 部分不允許有油污， 更不允許使用潤(rùn)滑油。 如發(fā)現(xiàn)油垢， 應(yīng)用乙醚或其他有機(jī)溶 劑清洗干凈。7. 坩堝在每次使用后，必須清洗和除去碳化物，并用紗布清除粘著的污點(diǎn)。七、思考題：1. 攪拌太慢或太快有何影響？2. 實(shí)驗(yàn)中那些因素容易造成 誤差？最大 誤差是哪種？提高本 實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度 應(yīng)該 從哪方面考 慮？3. 說明恒容 熱和恒壓熱的關(guān)系SHR-15A 燃 燒 熱 實(shí) 驗(yàn) 儀 操 作 規(guī) 程一、簡(jiǎn)介SHR-15A燃燒熱實(shí)驗(yàn)儀是本廠采納用戶意見，從滿足師生做燃燒熱試驗(yàn)方便，采集數(shù)據(jù)快捷、準(zhǔn)確的角度出發(fā)，以此開發(fā)的新型儀器

13、。SHR-15A燃燒熱實(shí)驗(yàn)儀集數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)火控制、攪拌控制于一體，外觀新穎，是院校師生做此類實(shí)驗(yàn)的理想儀器。、面板示意圖一）前面板示意圖圖一 面板示意圖1、電源開關(guān)。2、鎖定鍵鎖定選擇的基溫，按下此鍵，基溫自動(dòng)鎖定，此時(shí)“采零”鍵不起作用， 直至重新開機(jī)。3、測(cè)量 / 保持鍵測(cè)量與保持功能之間的轉(zhuǎn)換。4、采零鍵用于消除儀表當(dāng)時(shí)的溫差值。5、增時(shí)健按下此鍵，延長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間。6、減時(shí)健按下此鍵，縮短定時(shí)時(shí)間。7、攪拌開關(guān)。8、點(diǎn)火按鍵按下此鍵，點(diǎn)火輸出線輸出036V 交流電壓。9、指示燈燈亮，表明儀表處于相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。10、定時(shí)顯示窗口顯示設(shè)定的間隔時(shí)間。11、溫度顯示窗口顯示所測(cè)物的溫度值。12、

14、溫差顯示窗口顯示溫差值。（二）后面板示意圖：圖二 后面板示意圖1、傳感器插座將傳感器插頭插入此插座。2、控制輸出攪拌電機(jī)、點(diǎn)火輸出連接處。3、RS232C串行口計(jì)算機(jī)接口。 （可選配）4、熔絲盒保險(xiǎn)絲 2A。5、電源線插座接 220V 電源。三、使用方法1、將傳感器接入后面板傳感器座，用專用連接線一端接入后面板“控制輸出”座。另一端 接熱量計(jì)的輸入 （連接攪拌電機(jī)， 氧彈），如需與電腦連接 , 用串行口線與 RS232C串行口 連接即可。最后將電源線一端與儀器連接 ,另一端與 220V 的電源連接。2、打開電源開關(guān)，前面板顯示如圖三，測(cè)量指示燈亮：8.672 28.67 00溫差顯示 （ ）

15、溫度顯示 （） 定時(shí)顯示 （ 秒）圖三3、將傳感器放入被測(cè)介質(zhì)中， 待溫度、溫差相對(duì)穩(wěn)定后按 “采零”鍵，溫差即顯示為 “0.000 ”， 此后溫差窗口顯示即為介質(zhì)溫度“變化量” 。4、按下“鎖定”鍵， “鎖定”指示燈亮，儀器自動(dòng)鎖定所需基溫，如在26.77 時(shí) ,儀器自動(dòng)鎖定 20為基溫 ,26.77 20=6.772 。溫差顯示為 6.772 。注意： 按下“鎖定”鍵后， “采零”鍵不起作用，直至重新開機(jī)。5、打開攪拌開關(guān)，攪拌指示燈亮 , 儀器輸出 110V的攪拌電機(jī)工作電壓。6、按下“點(diǎn)火”按鍵， “點(diǎn)火”指示燈亮，儀器輸出036V 點(diǎn)火電壓，延續(xù)數(shù)秒后，點(diǎn)火指示燈滅，表明點(diǎn)火成功。7

16、、數(shù)據(jù)采集過程如需手工記錄數(shù)據(jù)或觀測(cè)數(shù)據(jù)，按一下“保持”鍵，蜂鳴器響，溫度、溫 差不變化，方便記錄，再按一下“測(cè)量 / 保持”鍵，儀器自動(dòng)跟蹤測(cè)量，如需定時(shí)記錄， 按“定時(shí)”鍵可在 0 99S 之間設(shè)定記錄時(shí)間的間隔。8、實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源開關(guān)，拔下電源線。燃燒熱實(shí)驗(yàn)量熱計(jì)操作規(guī)程簡(jiǎn)介燃燒焓是指 1 摩爾物質(zhì)在等溫、 等壓下與氧進(jìn)行完全氧化反應(yīng)時(shí)的焓變， 是熱化學(xué)中的 重要數(shù)據(jù)。一般化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，往往因?yàn)榉磻?yīng)太慢或反應(yīng)不完全，不是不能直接測(cè)定， 就是測(cè)不準(zhǔn)。 但是， 通過蓋斯定律可用燃燒熱數(shù)據(jù)間接求算。 因此燃燒熱廣泛地用于各種熱 化學(xué)測(cè)量。 測(cè)量燃燒熱原理是能量守恒定律， 樣品完全燃燒放

17、出的能量使量熱計(jì)本身及其周 圍介質(zhì) （本實(shí)驗(yàn)用水）溫度升高，測(cè)量了介質(zhì)燃燒前后溫度的變化，就可計(jì)算該樣品的恒容 燃燒熱。許多物質(zhì)的燃燒熱和反應(yīng)熱已經(jīng)測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)燃燒熱是在恒容情況下測(cè)定的。系統(tǒng)除樣品燃燒放出熱量引起系統(tǒng)溫度升高以外還有其他因素，這些因素都須進(jìn)行校 正。其中系統(tǒng)熱漏必須經(jīng)過雷諾作圖法校正。校正方法如下：稱適量待測(cè)物質(zhì)， 估計(jì)其燃燒后可使水溫升高 1.5 2.0 度，預(yù)先調(diào)節(jié)水溫使其低于環(huán)境 1.0 度左右。按操作步驟進(jìn)行測(cè)定 , 將燃燒前后觀察所得的一系列水溫和時(shí)間關(guān)系作圖，可得圖 b（1）的圖形，圖中 H 點(diǎn)意味著開始燃燒，熱傳入介質(zhì)； D 點(diǎn)為觀察到的最高溫度值；從相 當(dāng)于室

18、溫的 J點(diǎn)作水平線交曲線與 I，過I 點(diǎn)作垂線 ab,再將 FH線和 GD線延長(zhǎng)并交 ab線于 A、C兩點(diǎn)。 A點(diǎn)與 C點(diǎn)所表示的溫度差即為欲求溫度的升高T。圖中 AA'為開始燃燒到溫度上升至室溫這一段時(shí)間 t 1 內(nèi)，由環(huán)境輻射和攪拌引進(jìn)的能量而造成量熱計(jì)溫度的升高， 必須扣除之。 CC'為室溫升高到最高點(diǎn) D這一段時(shí)間 t 2內(nèi)，量熱計(jì)向環(huán)境的熱漏造成溫度 的降低，計(jì)算時(shí)必須考慮在內(nèi)。由此可見， AC 兩點(diǎn)的差值較客觀地表示了由于樣品燃燒促 使溫度升高的數(shù)值。有時(shí)量熱計(jì)的絕熱情況良好， 熱漏小， 而攪拌器功率大， 不斷稍微引進(jìn)能量使得燃燒后的最高點(diǎn)不出現(xiàn)，如圖 b（ 2）所

19、示。其校正方法同前述。二、使用方法1、仔細(xì)閱讀 SHR-15A 燃燒熱實(shí)驗(yàn)儀說明書 。2、將熱量計(jì)及全部附件加以整理并洗凈。3、測(cè)量水當(dāng)量 K（1）壓片先用天平粗稱 1.0g 左右的苯甲酸， 在壓片機(jī)中壓成片狀。 （不能壓太緊， 太緊點(diǎn)火后不 能充分燃燒。 ）壓成片狀后 , 再在天平上準(zhǔn)確稱重。（2）裝樣旋開氧彈， 把氧彈的彈頭放在彈頭架上， 將樣品苯甲酸放入坩堝內(nèi)， 把坩堝放在燃燒架 上。取一根燃燒絲并測(cè)量其長(zhǎng)度， 然后將燃燒絲兩端分別固定在彈頭中的兩根電極上， 中部 貼緊樣品苯甲酸。 （燃燒絲與坩堝壁不能相碰）在彈杯中注入 10ml 水，把彈頭放入彈杯中， 用手?jǐn)Q緊。（3）充氧使用高壓鋼瓶

20、必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)則。開始先充入少量氧氣（約0.5MPa），然后將氧彈中的氧氣放掉，借以趕出彈中空氣。再向氧彈中充入約2Mpa的氧氣。（4）調(diào)節(jié)水溫將量熱計(jì)外筒內(nèi)注滿水， 用手動(dòng)攪拌器稍加攪動(dòng)。 按使用說明書將熱量計(jì)與燃燒熱實(shí)驗(yàn) 儀連接起來，打開 SHR-15A 燃燒熱實(shí)驗(yàn)儀的電源（不要開啟攪拌開關(guān)） ，將傳感器插入加水 口測(cè)其溫度，待溫度穩(wěn)定后，記錄其溫度值。再用筒取適量自來水，測(cè)其溫度，如溫度偏高或相平則加冰調(diào)節(jié)水溫使其低于外筒水溫1 度左右。用容量瓶精取 3000ml 已調(diào)好的自來水 注入內(nèi)筒，再將氧彈放入 , 水面剛好蓋過氧彈。如氧彈有氣泡逸出，說明氧彈漏氣，尋找原 因并排除。將電極插頭插在氧彈兩電極上， 此時(shí)點(diǎn)火指示燈亮 , 蓋上蓋子。（注意： 攪拌器不 要與彈頭相