燃烧热的测定

一、实验目的

? 使用氧弹式量热计测定固体有机物质（萘）的恒容燃烧热，并由此求算其摩尔燃烧热。

? 了解氧弹式量热计的结构及各部分作用，掌握氧弹式量热计的使用方法，熟悉贝克曼温度计的调节和使用方法 ? 掌握恒容燃烧热和恒压燃烧热的差异和相互换算 二、实验原理

摩尔燃烧焓?cHm 恒容燃烧热QV

?rHm = Qp ?rUm = QV

对于单位燃烧反应，气相视为理想气体

?cHm = QV ＋??BRT＝ QV ＋ △n(g)RT

氧弹中

放热(样品、点火丝)＝吸热(水、氧弹、量热计、温度计) 待测物质

QV－摩尔恒容燃烧热 Mx－摩尔质量

?－点火丝热值 bx－所耗点火丝质量 q－助燃棉线热值 cx－所耗棉线质量 K－氧弹量热计常数 ?Tx－体系温度改变值

三、仪器及设备

标准物质：苯甲酸 待测物质：萘

氧弹式量热计

1－恒热夹套 2－氧弹3－量热容器4－绝热垫片5－隔热盖盖板 6－马达7，10－搅拌器8－伯克曼温度计9－读数放大镜11－振动器12－温度计

四、实验步骤

1.量热计常数K的测定

(1) 苯甲酸约1.0g，压片，中部系一已知质量棉线，称取洁净坩埚放置样片前后质量W1和W2

(2)把盛有苯甲酸片的坩埚放于氧弹内的坩埚架上，连接好点火丝和助燃棉线

(3) 盖好氧弹，与减压阀相连，充气到弹内压力为1.2MPa为止

(4)把氧弹放入量热容器中，加入3000ml水

(5) 调节贝克曼温度计，水银球应在氧弹高度约1/2处

(6) 接好电路，计时开关指向“1分”，点火开关到向“振动”，开启电源。约10min后，若温度变化均匀，开始读取温度。读数前5s振动器自动振动，两次振动间隔1min，每次振动结束读数。

(7)在第10min读数后按下“点火”开关，同时将计时开关倒向“半分”，点火指示灯亮。加大点火电流使点火指示灯熄灭，样品燃烧。灯灭时读取温度。

(8)温度变化率降为0.05°C·min-1后，改为1min计时，在记录温度读数至少10min，关闭电源。先取出贝克曼温度计，再取氧弹，旋松放气口排除废气。

(9)称量剩余点火丝质量。清洗氧弹内部及坩埚。

实验步骤

2. 萘的恒容燃烧热的测定

取萘0.6g压片，重复上述步骤进行实验，记录燃烧过程中温度

随时间变化的数据 注意

1. 为避免腐蚀，必须清洗氧弹

2. 点火成败是实验关键。应仔细安装点火丝和坩埚。点火丝不应与弹体内壁接触，坩埚支持架不应与另一电极接触。

3. 每次实验前均应称量坩埚

数据记录和处理

1. 记录室温、大气压、样品质量（W2－W1）和剩余燃烧丝质量

2. 列表记录温度随时间变化数据

3. 画出雷诺图进行温度读数校正，求出在绝热条件下的真实温度改变值?Te和?Tx

4. 计算量热计常数K

5. 计算萘的恒容燃烧热QV

6. 计算萘的摩尔燃烧焓?cHm，并与文献值比较

由图得：苯甲酸 *t=1.7K 萘*t=2.9K，苯甲酸恒容摩尔燃烧热为-3228kj/mol

再由

和K=n1C1+C热量计的

K=18.9KJ/K

?rUm 萘= QV=-10022.4KJ/mol

五、思考题; 1.加入内筒中水的温度为什么要选择比外筒水温低?低多少合适？为什么？

2.在燃烧热测定实验中，哪些是体系?哪些是环境？有无热交换?这些热交换对实验结果有何影响?

3.在燃烧热测定的实验中，哪些因素容易造成实验误差?如何提高实验的准确度? ①检验多功能控制器数显读数是否稳定。熟习压片和氧弹装样操作，量热计安装注意探头不得碰弯，温度与温差的切换功能键钮，报时及灯闪烁提示功能等。

②干燥恒重苯甲酸(0.9~1.2g)和萘(0.6~0.8g)压片，注意紧实度，分析天平称样。③容量瓶量取3000mL水，调节水温低于室温1K。 ④量取两根10厘米点火丝，中段在原珠笔蕊上绕几圈。燃烧丝缚紧使接触电阻尽可能小。氧弹充氧注意小动作缓缓旋开减压阀。 ⑤氧弹内预滴10mL水，促产物凝聚成硝酸。

（1）实验关键：点火成功、试样完全燃烧是实验成败关键，可以考虑以下几项技术措施：

①试样应进行磨细、烘干、干燥器恒重等前处理，潮湿样品不易燃烧且有误差。

压片紧实度：一般硬到表面有较细密的光洁度，棱角无粗粒，使能燃烧又不至于引起爆炸性燃烧残剩黑糊等状。

②点火丝与电极接触电阻要尽可能小，注意电极松动和铁丝碰杯短路问题。

③充足氧(2MPa)并保证氧弹不漏氧，保证充分燃烧。燃烧不完全，还时常形

成灰白相间如散棉絮状。

④注意点火前才将二电极插上氧弹再按点火钮，否则因仪器未设互锁功能，极易发生（按搅拌钮或置0时）误点火，样品先已燃烧的事故。

(2) 氧弹内预滴几滴水，使氧弹为水汽饱和，燃烧后气态水易凝结为液态水。

试样在氧弹中燃烧产生的压力可达14MPa，长期使用，可能引起弹壁的腐蚀，减少其强度。故氧弹应定期进行20MPa水压检查，每年一次。

氧弹、量热容器、搅拌器等，在使用完毕后，应用干布擦去水迹，保持表面清洁干燥。恒温外套（即外筒）内的水，应采用软水。长期不使用时应将水倒掉。

氧弹以及氧气通过的各个部件，各联接部分不允许有油污，更不允许使用润滑油，在必须润滑时，可用少量的甘油。

5℃。每次测定时室温变化不得大于1℃。因此。室内禁止使用各种热源，如电炉、火炉、暖气等。?(3)仪器应置放在不受阳光直射的单独一间试验室内进行工作。室内温度和湿度应尽可能变化小。最适宜的温度是20

5K。国产型号为半自动HR—15A(B)数显微机型或WHR—15全自动微机型氧弹式热量计。进入了全面启用电脑处理数据的新时代。?4~10?(4) 如用贝克曼温度计，其调节可以归纳为倒立连接、设定温

度、正立震断和校验四步，注意别让水银过多地流向弯曲贮管，导致因水银重而在正立时，玻管扩张处挂不住。也绝不允许放在电炉上烤等骤冷骤热情况出现。在精密的测量中，应进行贝克曼温度计的校正。改进后的本实验普遍采用热敏电阻温度计、铂电阻温度计或者热电堆等，相应配以电桥、指示mV值，实际已转换为温度 (数显温度计) 的仪器，能自动记录温度，精密度可达10

（5）苯甲酸和萘燃烧产物的热容差别因为产物量小而仪器热容的基数相对较大而可以忽略。

（6）量热方法和仪器多种多样，可参阅复旦大学物理化学实验教材。量热法广泛用来测量各种反应热如相变热等。本实验装置除可用作测定各种有机物质、燃料、谷物等固体、液体物质的燃烧热外，还可以研究物质在充入其它气体时反应热效应的变化情况。

第二篇：物化实验——燃烧热的测定

燃烧热的测定

1 引言

1.1实验目的

1．  熟悉弹式量热计的原理、构造及使用方法。

2．  明确恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别及相互关系。

3．  掌握温差测量的实验原理和技术。

4．  学会用雷诺图解法校正温度改变值。

1.2实验原理

在指定温度及一定压力下，1mol物质完全燃烧时的定压反应热，称为该物质在此温度下的摩尔燃烧热，记作△_cH_m。通常，完全燃烧是指C→CO₂（g），H₂→H₂O（l），S→SO₂（g），而N、卤素、银等元素变为游离状态。由于在上述条件下△H＝Q_p，因此△_cH_m也就是该物质燃烧反应的等压热效应Q_p。

在实际测量中，燃烧反应在恒容条件下进行（如在弹式量热计中进行），这样直接测得的是反应的恒容热效应Q_v（即燃烧反应的△_cU_m）。若反应系统中的气体均为理想气体，根据热力学推导，Q_p和Q_v的关系为

                                          （1）

式中：T­­——反应温度，K；

      △n ——反应前后产物与反应物中气体的物质的量之差；

      R——摩尔气体常数。

通过实验测得Q_v值，根据上式就可计算出Q_p，即燃烧热的值。

测量热效应的仪器称作量热计。量热计的种类很多。一般测量燃烧热用弹式量热计。本实验所用量热计和氧弹结构如图2-2-1和图2-2-2所示。实验过程中外水套保持恒温，内水桶与外水套之间以空气隔热。同时，还对内水桶的外表面进行了电抛光。这样，内水桶连同其中的氧弹、测温器件、搅拌器和水便近似构成一个绝热体系。

弹式量热计的基本原理是能量守恒定律。样品完全燃烧所释放的能量使得氧弹本身及周围的介质和量热计有关附件的温度升高。测量介质在燃烧前后的变化值，就可求算该样品的恒容燃烧热。

            （2）

式中：m——为待测物的质量，kg ；

     ——为待测物的摩尔质量，kg·mol^-1 ；

          ——仪器常数，kJ·℃^－1 ；

     ——样品燃烧前后量热计温度的变化值；

，——分别为棉线和点火丝的恒容燃烧热（－16736和－3243kJ·kg）

，——分别为棉线和点火丝的质量，kg；

先燃烧已知燃烧热的物质（如苯甲酸），标定仪器常数K，再燃烧未知物质，便可由上式计算出未知物的恒容摩尔燃烧热，再根据（1）式计算出摩尔燃烧热。

2  实验操作

2.1实验用品

弹式量热计1套；2000ml容量瓶1个；1000ml容量瓶1个；水盆1个（容量大于3000ml）；秒表；压片机、镍丝、棉线、万用表、分析天平、剪刀、氧气瓶及减压阀公用。

萘（AR）；苯甲酸（AR）；

2.2实验步骤

1．仪器常数的测定

①样品准备

取8cm镍丝和10cm棉线各一根,分别在分析天平上准确称量。

在台秤上称量0.8g左右的苯甲酸，在压片机上压成片状，取出药片并轻轻去掉粘附在药片上的粉末，用称好的棉线捆绑在药片上，固定好。将镍丝穿入棉线，在分析天平上准确称量。

将苯甲酸片上的镍丝固定在氧弹的两根电极上，如图2-2-3，用万用表检查是否通路。确认通路后旋紧弹盖，通入1.0MPa氧气，然后将氧弹放入内水桶，接上点火电极。

②仪器准备

打开量热计电源，开动搅拌，将温度传感器置于外水套中，观察温度显示。待温度稳定后，记下温度。

用水盆接取自来水（大于3000ml），将温度传感器放入水盆中，不断搅动，通过加入凉水或热水调节水温，使温度低于外水套0.7℃左右。准确量取3000ml，倒入内桶。

③燃烧测量

盖上桶盖，将温度传感器插入内桶，开动搅拌。待温度稳定后，开动秒表，记录体系温度随时间的变化情况。开始阶段（打开秒表到点火），相当于图2-2-4中的AB部分，每分钟读取温度一次；6～8分钟后，按下点火开关，半分钟内温度应迅速上升（若温度不能短时间内迅速升高，应停止实验，检查氧弹和仪器找出原因后再继续实验），进入反应阶段，相当于图2-2-4中的BC部分。此阶段每15秒读取温度一次，直到温度上升速度明显减慢，进入末期，相当于图2-2-4中的CD部分，再改为每分钟记录温度一次。8～10分钟后，取出温度传感器，放入外水套中，读出外套水温，即图2-2-4中E点。

切断电源，取出氧弹，放出氧弹中的气体。打开氧弹，检查样品是否完全燃烧。若燃烧完全，将剩余镍丝取下称重（注意：称量剩余镍丝时，应去除镍丝顶端熔融的小球）。

当氧弹打开后，如发现氧弹中有较多的黑色物质，则此次实验燃烧不完全，应重新测量。燃烧不完全最主要的愿因就是氧气的量不足（氧弹漏气、充氧不足、操作失误未能冲入氧气等），此外样品量过大，药片松散部分脱落也可造成燃烧不完全。

将内桶的水倒入水盆用于下次的测量，将氧弹洗净擦干。

2．未知物测量

取0.6g左右的萘，同上述操作方法。

3.     结果与讨论

3.1原始实验数据

（1）室温 T=22.5^oC

          气压P=101.0 kpa

（2）原始数据记录

         苯甲酸测量

         m_棉线=0.0029g  m_镍丝=0.0305g  m_压片=0.8489g  m_{镍丝（余）}=0.0232g  T_（外）=22.665 ^oC  T_（内初）=21.736 ^oC

         萘的测量

         m_棉线=0.0037g  m_镍丝=0.0256g  m_压片=0.6366g  m_{镍丝（余）}=0.0231g  T_（外）=22.290 ^oC  T_（内初）=21.362 ^oC

3.2计算的数据和结果

（1）数据整理

表格 1 实验结果数据图

（2）计算及结果

i.              公式计算

1)       计算仪器常数 K

            （2）

式中：m——为待测物的质量，kg ；

     ——为待测物的摩尔质量，kg·mol^-1 ；

          ——仪器常数，kJ·℃^－1 ；

     ——样品燃烧前后量热计温度的变化值；

，——分别为棉线和点火丝的恒容燃烧热（－16736和－3243kJ·kg^-1）

，——分别为棉线和点火丝的质量，kg；

根苯甲酸的实验结果，计算仪器的K值 ，从文献上查得苯甲酸的燃烧热为-26498J/g。

    当温度变化不大时，可以认为热敏电阻阻值变化与温度的变化成正比，于是电桥的不平衡电势U与阻值变化成正比，即：

由于U与记录仪的记录曲线峰高成正比 ，故：

    式中为常数，设，故计算公式可以化为：

即：

= —179.009J/K

2)  计算萘的燃烧热

由公式可得，萘的恒容燃烧热：

　　　

        = - 5211.306KJ/mol

3)       故根据燃烧方程式：

                  

萘的燃烧焓：

  

ii.              计算机计算的值为：5126.8932kJ/mol

计算结果与计算机拟合结果相对误差

3.3.讨论分析

实验结果讨论分析

（1）       实验误差计算

查表得，_Qp(萘，25℃ )=-5153.8 kJ/mol

相对误差=|Q_p测量-Q_p理论/ Q_p理论|×100%=0.522%

（2）       实验误差来源分析

i.           药片质量：压片后称重总质量，通过简单计算得到药片质量。在固定药片至电极的过程中以及转移的过程中，可能有药片粉末的脱落。此外，考虑到实验中是徒手操作，手上的油脂等杂物可能粘附在药片上，导致实际燃烧的物质并不是理论质量的物质，使得测量结果不准确。因此，要药片要压实，且最好戴着手套操作。

ii.         系统绝热效果：系统并不是理想的绝对绝热，可能引入误差。

iii.        搅拌器功率较大,搅拌器不断引进的能量引入误差。

iv.        内水桶的水量：由于没有进行精确的称量，内水桶两次测量的用水量可能有差异。

实验过程等讨论

（1）       注意事项

i.           把苯甲酸在压片机上压成圆片时，压得太紧,点火时不易全部燃烧；压得太松,样品容易脱落；要压得恰到好处。样品的质量过大或者过小也会造成误差。

ii.         将压片制成的样品放在干净的滤纸上,小心除掉有污染和易脱落部分,然后在分析天平上精确称量。

iii.        安装热量计时，插入精密电子温差测量仪上的测温探头,注意既不要和氧弹接触,又不要和内筒壁接触,使导线从盖孔中出来，接触了对测温造成误差。防止电极短路，保证电流通过点火线。

iv.        氧弹充气不离人，一只手始终抓住充气阀，以免意外情况下弹盖或阀门向外冲出。

v.         热量计的绝热性能应该良好,但如果存在有热漏,漏入的热量造成误差；搅拌器功率较大,搅拌器不断引进的能量形成误差。

vi.       用水碰调节水温后，应迅速转入内水桶，时间不宜过长，以免水温发生变化。

（2）       实验心得

         充分体会到计算机程序的强大，数据的原始记录和进一步的处理，若有人工完成，一方面计算繁琐，另一方面误差较大。而计算机程序则迅速精确的实现数据的处理，无论对于实验者还是实验质量的提高都相当有益。

4.     结论

Δ_rH_m萘-5126.8932kJ/mol

5.     思考题

（1）          本实验中如何考虑系统和环境？系统和环境通过哪些途径进行热交换？这些热交换对结果的影响如何？如何校正？

         由于内水桶与外水桶之间以空气进行隔热，内水桶连同其中的氧弹、测温器件、搅拌器和水构成绝热体系。其他为环境。

         若内水桶不是完全绝热，体系和环境之间的热交换途径有：传导、对流、辐射、蒸发和机械搅拌。

         为了校正这部分损失，用雷诺图解法进行校正。

（2）          使用氧气应注意哪些问题？

         氧弹充气时，人员应站在侧面，一只手始终抓住充气阀，以免意外情况下弹盖或阀门向上冲出，发生危险。

（3）          搅拌过快或过慢有何影响？

         搅拌过快搅拌器会引入少量的热量，影响体系的绝热；搅拌过慢使体系内部热量分布不均，不能很好的保证内部的恒温与充分的热交换。

（4）          氧弹中含有氮气，燃烧后生成HNO₃，对结果有何影响？如何校正？

         氧气充足的情况下，萘或苯甲酸仍能充分燃烧，但由于氮气的燃烧也会放热，从而导致总体的燃烧热量偏大。若按照原公式计算，则算得的燃烧热偏大。

         校正时，应考虑氮气的量，在总体的放热量中减去氮气燃烧的放热。

（5）          如果反应完后，剩余镍丝丢失，可不可以忽略，为什么？

不能忽略。

因为能量守恒的公式运算中，镍丝的燃烧放热需要准确测定，若忽略丢失的镍丝，则可能导致计算得到的燃烧热偏大。

6.     参考文献

[1].《基础物理化学实验》，贺德华、麻英、张连庆，高等教育出版社，2008

[2]. http://202.117.107.241/shifanzhongxin/news_view.asp?newsid=210