燃烧焓的测定

一、实验目的

（1）了解氧弹式量热计的原理、构造和使用方法。

（2）测定萘的摩尔燃烧焓，掌握雷诺图解法校正温度的方法。

二、实验原理

在一定温度和压力下，1mol物质完全燃烧时的反应焓称为该物质的摩尔燃烧焓。

氧弹式量热计测定的是物质燃烧反应的恒容摩尔燃烧热 （即ΔcUm），其与摩尔燃烧焓（ΔcHm）的关系为：

式中，v B（g）为燃烧反应方程式中气体物质的化学计量系数；T为反应温度。

若点火丝燃烧掉的长度为Δl，燃烧样品的质量为m，样品的摩尔质量为M，燃烧前后系统的温度变化为ΔT，则样品燃烧反应的ΔcUm应满足如下关系：

式中，q为单位长度点火丝燃烧放出的热（－2．9J／cm）；C为系统（氧弹、水和量热计）的热容。热容C可用已知ΔcUm的标准物质（一般用苯甲酸，ΔcUm＝－3224．3k J／mol）进行标定。

三、实验步骤

1．准备实验仪器

熟悉仪器装置 （图3－1），整理并擦拭干净氧弹、量热计及附件。

2．标定热容C

（1）用台秤称取约0．65g苯甲酸，在压片机上成型。压片机如图3－2所示，把压片机的垫筒放置在可调底座上，装上模子，将称好的苯甲酸粉末样品倒入模子里，将压棒放入模子，压下手柄至适当位置即可松开；取出模子和垫筒，把垫筒倒置在底座上，再放上模子，放入压棒，压下手柄至样品掉出，将样片在电子分析天平上准确称至0．0001g，得苯甲酸的质量m。

图3－1 氧弹式量热计装置图

1．外筒搅拌杆；2．电极；3．内桶；4．氧弹体；T．测温探头；S．电动搅拌装置；U．隔热垫

图3－2 样品安放示意图

1．手柄；2．压棒；3．模子；4．垫筒；5．可调底座

（2）将氧弹盖置于弹头架上。用直尺量取并记录点火丝的长度 （约15cm），将其缠于氧弹盖的两电极上并以线卡卡住，两电极间点火丝长度不短于8cm，并且呈 “U”形。

（3）将装有苯甲酸的小坩埚置于坩埚架上，“U”形点火丝的下端接触样品凹面 （点火丝切勿接触坩埚），如图3－3所示。

图3－3 样品安放示意图

1．坩埚；2．样品；3．坩埚支架；4．线卡；5、6．电极；7．点火丝

（4）旋紧氧弹盖，持稳氧弹，对准充氧装置的充氧口，下压其手柄至压力表指示为1．5～2．0MPa，待压力不再上升，即可松开手柄，充氧完成。

（5）用容量瓶量取3000cm3水装入量热计的内桶中，并将已充氧的氧弹置于内桶的氧弹座上。如有气泡逸出，表明氧弹漏气，需检查氧弹。

（6）按下燃烧热控制器的 “电源”键，将一根电极旋在氧弹电极上，另一根电极插入电极孔 （见图3－1），此时点火指示灯亮。盖上量热计盖，将测温探头插入内桶。手动稍加搅拌量热计外筒的水。

（7）开启燃烧热控制器的 “搅拌”开关，待水温基本稳定后，记录温度读数 （即反应温度T）。按下温差 “采零”键，数据显示0．000，即刻按下 “锁定”键。按 “▲”键设置时间间隔为30s，即每30s记录一个温差数据，约记录10～20个数据 （此为测量前期）；按下“点火”键，继续读数，直至两次读数差值小于0．005℃ （此为测量主期）；再继续记录10～20个数据 （此为测量后期）。

（8）关闭 “搅拌”和 “电源”开关。将测温探头插入外筒，取出氧弹，用泄压阀顶住氧弹充气孔，泄压后旋下氧弹盖，测量并记录燃烧后剩余点火丝长度。倒掉内桶的水，将内桶、氧弹、坩埚擦净，备下一实验使用。

3．测定萘的恒容摩尔燃烧热

用台秤称取约0．45g萘，按照步骤2重复实验。

四、数据处理

1．校正温度通常采用雷诺图法

式 （3－9）、式 （3－10）中的ΔT是系统 （吸热介质）与外界完全无热交换下的温度变化，但实际上用的量热计在量热过程中系统与外界存在热交换，另外还有搅拌器不断工作，使得温度计的燃烧前后的温差并不与ΔT完全相等，而是有些偏差，因此在用式 （3－1）、式 （3－2）进行计算时需对所记录的温度变化加以校正。

校正温度通常采用雷诺图法，如图3－4所示。以时间为横坐标、温度为纵坐标作图，得温度变化曲线abcd。b是开始燃烧时刻的温度，c是样品燃烧完毕时的温度。曲线ab常发生倾斜，这表明整个过程均存在热交换。其交换的热量可通过校正记录的温度来消除，方法是在曲线bc上取点O，O点对应的温度为T0＝ （T1＋T2）／2，T1、T2分别为点b、c对应的温度。过O点作纵坐标的平行线AB，作线ab、cd的延长线分别与直线AB交于点E和F。E、F两点所对应的温度之差即为所求的校正的ΔT。

图3－4 雷诺校正图

在图3－4中，E′E和F′F对应的温差分别反映外界辐射热给系统和系统辐射热给外界引起的系统温度变化，前者是应扣除的，后者是应补偿的。经过这样校正的温差才接近完全没有热交换条件下的温差。更严格地处理可参阅有关量热学专著。

2．计算热容C，萘的ΔcUm和ΔcHm

校正燃烧苯甲酸所记录的温度变化，把得到的ΔT同其他数据一起代入式 （3－10）确定出C（一般C应取多次测量的平均值，这里只作一次测量）。

校正萘燃烧时所记录的温度变化，所得的ΔT同其他有关数据代入式 （3－10）求出萘的ΔcUm，然后进一步通过式 （3－9）求出萘的ΔcUm。

苯甲酸和萘的燃烧反应方程式如下：

五、注意事项

（1）注意压片的紧实程度，太紧不易燃烧，太松容易破碎。

（2）点火丝应接触样品，氧弹的两个电极不可短路。

（3）燃烧热控制器 “采零”后必须 “锁定”。

（4）当9．5℃＜水温＜10．5℃时，应手持测温探头，待温度高于10．5℃后，才能按 “采零”并 “锁定”。

（5）点火后，若温度不变或变化微小，表明样品没有点燃，应停机检查，重新实验。

六、思考题

（1）在本实验中哪些是系统？哪些是环境？系统和环境通过哪些途径进行热交换？这些热交换对结果影响怎样？如何进行校正？

（2）你所测定的燃烧焓 ［变］是否就是ΔcUm？

（3）搅拌太快或太慢有何影响？

（4）本实验应采用哪些绝热措施？

（5）本实验为什么对燃烧样品的质量有一定范围要求？

（6）使用氧气要注意哪些问题？