實驗一　燃燒熱的測定

一、目的要求

1.掌握氧彈式量熱計的原理、構造及使用方法。

2.了解計算機氧彈式量熱計系統對燃燒熱測定的應用。

二、實驗原理

燃燒熱是指1mol物質等溫、等壓下完全燃燒時的焓變，是熱化學中重要的基本數據。本實驗采用的氧彈式量熱計是一種恒溫夾套式量熱計，在熱化學、生物化學以及工業部門中用得很多。它測定的是恒容燃燒熱。

對于有固定化學組成的純化學試劑：①固體樣品，如萘、硫；②液體樣品如乙醇、環己烷，可以準確寫出它們的化學反應方程式，通過下列關系式求出常用的恒壓燃燒熱，最終得到它們的反應焓變。

　　 （1-1） 　　

對于化學組成不固定的物質，其化學組分相同，但化學組成不一樣，例如甘蔗由于壓榨的工藝不同，雖然都是甘蔗渣，但它們的含水量、糖分等可能不同；有的化學組成也不同，例如不同號的柴油，由于提煉分餾時的溫度不同，不但它們的化學成分不同，化學組成也不同，對這類物質只能測定恒容燃燒熱，并且只能在具體的物質間進行比較，反過來研究工藝等類的問題，這類燃燒熱的結果，在實踐中經常用到，也是一種研究工作的方法之一。

測量燃燒熱的原理是能量守恒定律，一定量待測物質在氧彈中完全燃燒，放出的熱量使量熱計本身及氧彈周圍介質（本實驗用水）溫度升高，測量介質燃燒前后溫度的變化值ΔT，就可以算出樣品的恒容燃燒熱QV，m。

　　 （1-2） 　　

式中　m——樣品的質量，g；

M——待測物質的摩爾質量；

QV，m——待測物質的恒容摩爾燃燒熱，J/mol；

V——測定時倒入內桶中水的體積，mL；

ρ——水的密度，g/mL；

C水——水的比熱容，J/（g·℃）；

l——點火鐵絲實際消耗長度（其燃燒值為2.9J/cm）；

C卡——量熱計的熱容，表示量熱計本身溫度每升高1℃所需吸收的熱量，可用已知燃燒熱的標準物質來標定。

如苯甲酸，它的恒容摩爾燃燒熱QV，m=-26460j/g。

本實驗的關鍵首先是樣品必須完全燃燒，所以氧彈中需充高壓氧氣。其次必須使燃燒盡可能在接近絕熱的條件下進行。但是系統與周圍環境發生熱交換仍無法完全避免，因此燃燒前后溫度的變化值不能直接測量準確，必須經過雷諾作圖法校正，方法如下。

稱適量待測物質，使燃燒后量熱計的水溫升高1.5～2.0℃，預先調節水溫低于環境約1.0℃。將燃燒前后歷次觀察的水溫對時間作圖，連成FHDG線，如圖1-1所示。圖中H點相當于開始燃燒的點，D點為觀察到的最高的溫度讀數點，J為外套溫度讀數點，經過J點作平行線JI交折線于I點，過I點作垂直線，與FH線和DG線的延長線交于A、C兩點，則A點與C點所表示的溫差即為所求溫度的升高值。圖中AA'表示由于環境輻射和攪拌引進的熱量而造成量熱計溫度的升高，必須扣除，CC'表示由于量熱計向環境輻射出熱量而造成量熱計溫度的降低，因此需添加上。經過這樣校正后，A、C兩點的溫差較客觀地表示了由于樣品燃燒使量熱計溫度升高的數值。有時量熱計的絕熱情況良好，熱漏小，而攪拌器功率較大，往往不斷引進少量熱量，使燃燒后的最高點不出現（圖1-2），這種情況下仍然可以按照同法校正。

充氣示意如圖1-3所示。氧彈式量熱計如圖1-4所示。氧彈的構造如圖1-5所示。

三、儀器和試劑

氧彈式量熱計1臺；精密溫度溫差儀1臺；壓片機1臺；鐵絲；充氧器1臺；苯甲酸（A.R.）；萘（A.R.）。

四、實驗步驟

1.準備氧彈

把氧彈的彈頭放在彈頭架上，然后將一段約10cm長的鐵絲兩端固定在彈頭中兩根電極上，注意鐵絲不能與坩堝壁相碰。用移液管取1mL乙醇放入坩堝中，保證鐵絲能與乙醇接觸。把彈頭放入氧彈套筒內，擰緊彈蓋。將氧彈置于充氧器底座上，使其進氣口對準充氧器的出氣口，按下充氧器手柄。打開氧氣瓶閥門，順時針旋（即打開）減壓閥，使表壓達10kgf/cm2以上，充氧120s后逆時針旋（即關閉）減壓閥，拉起充氧器手柄，然后將氧彈放入量熱計內桶中，注意不要與攪拌器相碰。

2.準備內桶水溫

打開精密溫度溫差儀電源，將傳感器插入外桶中，讀取外桶水溫值。接著將傳感器插入含自來水3500mL的塑料大量杯中，用冰塊降溫，令其低于外桶水溫0.5～1.0℃（最佳0.8℃）。用容量瓶準確取3000mL已調節好的自來水注入內桶。將氧彈放入內桶，水淹沒氧彈。將電極插頭插在氧彈兩電極上，蓋上量熱計蓋子，將傳感器插入內桶水中，打開量熱計電源，開啟攪拌開關，進行攪拌。

3.采零鎖定

待水溫基本穩定后，將溫差儀“采零”并“鎖定”，此時內桶作為溫度的零點，然后將傳感器放入外桶中，當溫差數據基本穩定后，讀取溫差值，即為外桶水溫值t（℃）（雖然是溫差值，但內桶為溫度零點，故亦稱外桶溫度），再將傳感器插入內桶水中。

注意：此后溫度都指溫差儀上溫差的數值。

4.記錄數據

①當傳感器自外桶放入內桶后，待溫度儀上顯示溫差部分的數值不再往下降，而是開始往上升時，記錄該溫差值。之后每隔30s采集一次溫差數據，持續5min。

②按“點火”按鈕（在①完成之前不可觸動點火按鈕），可多次重按。若點火成功，可觀察到溫差很快上升。

③按了點火按鈕后，每隔15s采集一次溫差數據，再持續采集數據20min，然后停止記錄數據。

5.停止實驗

關閉量熱計電源，將傳感器放入外桶，取出氧彈，用放氣閥放出氧彈內的余氣，旋開氧彈蓋查看。倒掉內桶中的水并擦干待下次用。

實驗中需要測量量熱計的水當量，即（VρC水+C卡），可以用已知恒容燃燒熱的苯甲酸為樣品，按上述實驗步驟進行測量。苯甲酸等固體樣品，用臺秤稱約1.0g，在壓片機中壓成片狀（不能壓太緊），將此樣品在電子天平上準確稱量。將樣品置于坩堝中鐵絲上，保證兩者接觸。把彈頭放入氧彈套筒內，擰緊彈蓋。重復實驗步驟1～4，在獲取了ΔT后，可以通過式（1-2）計算（VρC水+C卡）。

五、數據記錄與處理

1.記錄數據。外桶水溫：____℃。

2.按圖1-1的方式作溫度-時間圖，并計算出溫差值ΔT。

3.根據式（1-2）計算樣品的恒容摩爾燃燒熱QV，m。

4.根據式（1-1）計算樣品的恒壓摩爾燃燒熱Qp，m，并與文獻值比較。

六、思考題

1.內桶中加入的水，為什么要準確量取其體積？

2.用氧彈量熱計測量燃燒熱的裝置中哪些是系統，哪些是環境？系統和環境之間通過哪些可能的途徑進行熱交換？

3.為什么溫度讀數是讀取溫差值，而不是直接讀取測量溫度？

七、學生設計實驗參考

1.不同產地煤燃燒值的比較分析。

2.不同號的燃油燃燒值的分析比較。

3.不同含水量的乳化柴油燃燒值的比較。

4.可任意自選其他系統進行測量和研究。