实验3 燃烧热的测定

燃烧热的测定
【实验目的】
（1）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。

（2）了解氧弹式量热计的原理、构造及使用方法，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。

（3）掌握恒容燃烧热和恒压燃烧热的差异和相互换算，学会用雷诺图解法校正温度改变值。

【实验原理】
燃烧焓的定义：在指定的温度和压力下，一摩尔物质完全燃烧生成指定产物的焓变，称该物质在此温度下的摩尔燃烧焓，记作△c H m 。

本实验是在等容的条件下测定的。

等压热效应与等容热效应关系为：
△c H m =△c U m +△n RT △n 是燃烧反应方程式中气体物质的化学计量数, 产物取正值，反应物取负值。

燃烧热可在恒容或恒压条件下测定，又热力学第一定律可知，在不做非膨胀功时，△c U m =Q v , △c H m =Q p . 在氧弹式量热计中测定的燃烧热是Q v ，则：
p v Q Q nRT =+∆ 在盛有水的容器中放入装有W 克样品和氧气的密闭氧弹，使样品完全燃烧，放出的热量引起体系温度的上升。

根据能量守恒原理，用温度计测量温度的改变量，由下式求得Q v 。

，()v M Q C T T W =-终始 式中，M 是样品的摩尔质量（g.mol-1）；C 为样品燃烧放热始水和仪器每升高1度所需要的热量，称为水当量(J.K-1)。

水当量的求法是用已知燃烧热的物质（本实验用苯甲酸）放在量热计中，测定和T 始和T 终，即可测得萘的燃烧焓。

环境恒温式量热计属于密闭体系，没有物质的交换只有能量的交换，体系为样品等能燃烧的物质，体系燃烧产生的热量通过氧弹传到环境（水和仪器），使温度升高。

做雷诺数校正图求出△T 。

就可求得样品燃烧热。

1） 本实验由苯甲酸数据求出水当量W
Q 总热量 = Q 样品·（m/M ）+Q 燃丝·m 燃丝=W ·ΔT （Q 燃丝=-1400.8 J ·g-1）
2） 将水当量值代入1）就可求出Q 样品，再换算成Qv 。

环境式量热器最外层是储满水的外筒，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-时间曲线进行确定。

【仪器与试剂】
（1）
（2）
（3）
氧弹式量热计1套；氧气钢瓶（带氧气表）；台称1只；电子天平1台（0.0001g）。

苯甲酸(A.R)；萘(A.R)；燃烧丝。

【实验步骤】
1. 水当量的测定
（1）样品压片在电子台秤上粗称0.9～1.0 g苯甲酸，在专用压片机中压成片状（力度适中），然后在电子天平上准确称重（可以分别称量空坩埚和药片放入坩埚之后的质量），置于氧弹中。

（2）氧弹充氧精确称量一根燃烧丝的质量，将氧弹的弹头放在弹头架上，将燃烧丝的两端分别紧绕在氧弹头上的两根电极上，并使燃烧丝与药片上平面相接触（如下图，本实验中不需要用棉线固定），但不能与弹体内壁接触（以免短路），把弹头放入弹杯中，拧紧。

充氧时，注意高压氧气钢瓶的使用方法。

将氧弹置于支架上，开始先充约1 MPa氧气，然后用球针开启出口，赶出氧弹中的空气。

再充入1MPa氧气，充气约1分钟。

如此重复2次，最后充入氧气，将氧弹放入量热计中，接好点火线。

（3）调节水温准备一桶自来水，调节水温约低于外筒水温1℃左右（可在水中加入少量冰块）。

用大天平秤取3000 g已调温的水注入内筒，水面盖过氧弹。

装好搅拌头。

（4）测定水当量盖上桶盖，将温度传感器插入内桶，打开搅拌器，让体系平衡一段时间；打开电脑桌面上的软件，设置采集时间（15 s）和坐标系（横坐标0-30 min，温度范围从（起始温度-0.5 o C）-（起始温度+3 o C））。

按下“点火”开关（果断按下并保持3-5 s后再松开）每隔15秒记录一次。

当温度明显升高时，说明点火成功；待温度升至最高点后，再记录10次，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。

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. 测量萘的燃烧热称取0.8g～0.9g萘，重复上述步骤测定之。

【注意事项】
（1）充氧时注意氧气钢瓶和减压阀的正确使用顺序，注意开关的方向和压力；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。

（2）压片机要专用，不要搞混，以免污染。

（3）内筒中加3000mL水后若有气泡逸出，说明氧弹漏气，应设法排除。

（4）搅拌时不得有摩擦声，因为摩擦会产生热效应，干扰测量结果。

（5）拔电极时注意不要拔线。

（6）第二次实验注意擦内筒；测定样品萘时，内筒水要更换且需调温。

【数据处理】
（1）原始数据记录：
1）苯甲酸样品重g；燃烧丝重g；剩余燃烧丝重g；水温℃，水的质量g。

2）萘样品重g；燃烧丝重g；剩余燃烧丝重g；水温℃，水的质量g。

另记录实验软件数据窗中的实验数据（可以先手机拍照记录），再根据公式计算出奈的燃烧热。

2. 由实验数据分别求出苯甲酸、萘燃烧前后的t 始和t 终。

ΔT 苯甲酸＝ ΔT 萘＝
3．由苯甲酸数据求出水当量C 。

Q 镍铬丝=－1400.8J ·g -1；Q 棉线=－17479J ·g -1。

()Q w Q w M C m w U ∆=∆苯甲酸丝丝线线－－T
（本实验中未用棉线） 查表知：25℃时苯甲酸Q p ＝-3228.0 kJ/mol
根据基尔霍夫定律：
C pH2O （l ）＝75.295 J.mol -1.K -1 C p 苯甲酸＝145.2 J.mol -1.K -1
C p O2＝J.mol -1.K -1 C p CO2＝J.mol -1.K -1 C p 萘＝165.3J.mol -1.K -1
对于苯甲酸△C p ＝7×37.129＋3×75.295-145.2-15/2×29.359＝120.3955 J.mol -1.K -1 对于萘 △C p ＝10×37.129＋4×75.295-165.3-12×29.359＝154.9 J.mol -1.K -1
苯甲酸： T
T 298.15p 298C dT ∆H ∆H ∆⎰＝＋ Q v ＝ Q p -ΔnR T ＝
C ()
Q w Q w M m w U ∆=∆苯甲酸丝丝线线T －－
C= J/℃ 4．求出萘的燃烧热Q V ，换算成Q p 。

对于萘Q V ＝
Q p ＝Q V ＋-ΔnR T
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。

萘的文献值：
T
T T p 298C dT ∆H ∆H ∆⎰＝＋ 相对误差＝
【实验讨论】
（1）环境恒温式量热计由雷诺曲线求得ΔT的方法如下图所示。

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，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，作相当于相当于室温（或HD的1/2）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室温这一段时间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′为温度由室温升高到最高点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。

这种情况下ΔT仍然可以按照同样方法校正。

（2）实验中，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。

干燥恒重苯甲酸(0.9~1.2g)和萘(0.6~0.8g)压片，注意紧实度：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。

压得太紧，点火后难以燃烧；太松，容易脱落。

（3）氧弹要保证充氧完全，否则会影响样品完全燃烧。

坩埚和氧弹每次使用后应洗净擦干。

【思考题】
（1）本实验中，那些为体系？那些为环境？
答：氧弹、内筒、水为体系；夹套及其中的水为环境。

（2）水桶中的水温为什么要选择比外筒水温低？低多少合适？为什么？
答：为了减少热损耗，因反应后体系放热会使内筒的温度升高，使体系与环境的温度差保持较小程度，体系的热损耗也就最少。

低1度左右合适，因这个质量的样品燃烧后，体系放热会使内筒的温度升高大概2度左右，这样反应前体系比环境低1度，反应后体系比环境高1度，使其温差最小，热损耗最小。

（3）搅拌太慢或太快对实验结果有何影响？
.答：搅太慢，会使体系的温度不均匀，体系测出的温度不准；搅太快，会使体系与环境的热交换增多，也使实验结果不准。

数据处理示例：。