燃燒熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)四  燃燒熱的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅?、 用氧彈卡計(jì)測(cè)定萘的燃燒熱。2、  了解恒壓燃燒熱與恒容燃燒熱的區(qū)別。3、  了解卡計(jì)中主要部分的作用。掌握卡計(jì)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。4、  學(xué)會(huì)用雷諾圖解法校正溫度變化。二、預(yù)習(xí)要求：1、明確燃燒熱的定義，了解測(cè)定燃燒熱的意義。2、了解氧彈式量熱計(jì)的原理和使用。熟悉溫差測(cè)定儀的使用。3、明確所測(cè)定的溫差為什么要進(jìn)行雷諾圖校正。4、了解氧氣鋼瓶的使用及注意事項(xiàng)。三、實(shí)驗(yàn)原理：    燃燒熱的定義是：一摩爾的物質(zhì)完全燃燒時(shí)所放出的熱

2、量。所謂完全燃燒，即組成反應(yīng)物的各元素,在經(jīng)過燃燒反應(yīng)后，必須呈顯本元素的最高化合價(jià)。如C經(jīng)燃燒反應(yīng)后，變成CO,不能認(rèn)為是完全燃燒。只有在變成CO2時(shí),方可認(rèn)為是完全燃燒。同時(shí)還必須指出，反應(yīng)物和生成物在指定的溫度下都屬于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。如苯甲酸在298.15K時(shí)的燃燒反應(yīng)過程為：                C6H5COOH(固)+ O2(氣)=7CO2(氣)+3H2O(液)由熱力學(xué)第一定律，恒容過程的熱效應(yīng)QV，即DU。恒壓過

3、程的熱效應(yīng)QP，即DH。它們之間的相互關(guān)系如下：                QP=QV+Dn(RT)                            

4、    4(1)或                  DH=DU+Dn(RT)                         &

5、#160;      4(2)其中Dn為反前后氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量之差。R為氣體常數(shù)。T為反應(yīng)的絕對(duì)溫度。    本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定萘完全燃燒時(shí)的恒容燃燒熱，然后再計(jì)算出萘的恒壓燃燒DH。    在計(jì)算萘的恒壓燃燒熱時(shí)，應(yīng)注意其數(shù)值的大小與實(shí)驗(yàn)的溫度有關(guān)，其關(guān)系式為：                

6、60;                                 4(3)式中的DrCP是反應(yīng)前后的恒壓熱容之差,它是溫度的函數(shù)。一般說來，反應(yīng)的熱效應(yīng)隨溫度的變化不是很大，在較小的溫度范圍內(nèi),我們可以認(rèn)為它是一常數(shù)。    

7、;熱是一個(gè)很難測(cè)定的物理量，熱量的傳遞往往表現(xiàn)為溫度的改變。而溫度卻很容易測(cè)量。如果有一種儀器，已知它每升高一度所需的熱量，那么，我們就可在這種儀器中進(jìn)行燃燒反應(yīng)，只要觀察到所升高的溫度就可知燃燒放出的熱量。根據(jù)這一熱量我們便可求出物質(zhì)的燃燒熱。    在實(shí)驗(yàn)中我們所用的恒溫氧彈量熱計(jì)(恒溫氧彈卡計(jì))就是這樣一種儀器。為了測(cè)得恒容燃燒熱，我們將反應(yīng)置于一個(gè)恒容的氧彈中，為了燃燒完全，在氧彈內(nèi)充入20個(gè)左右大氣壓的純氧。這一裝置的構(gòu)造將在下面做詳細(xì)介紹。    為了確定量熱卡計(jì)每升高一度所需要的熱量，也就是量熱計(jì)的熱

8、容，可用通電加熱法或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法。本實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)法來測(cè)量量熱卡計(jì)的熱容即確定儀器的水當(dāng)量。這里所說的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為苯甲酸，其恒容燃燒時(shí)放出的熱量為26460 J·g-1。實(shí)驗(yàn)中將苯甲酸壓片準(zhǔn)確稱量并扣除Cu-Ni合金絲的質(zhì)量后與該數(shù)值的乘積即為所用苯甲酸完全燃燒放出的熱量。Cu-Ni合金絲燃燒時(shí)放出的熱量及實(shí)驗(yàn)所用O2氣中帶有的N2氣燃燒生成氮氧化物溶于水，所放出的熱量的總和一并傳給卡計(jì)使其溫度升高。根據(jù)能量守恒原理，物質(zhì)燃燒放出的熱量全部被氧彈及周圍的介質(zhì)(本實(shí)驗(yàn)為3000毫升水)等所吸收，得到溫度的變化為DT，所以氧彈卡計(jì)的熱容為：    &#

9、160;         C卡                      4(4)式中：m為苯甲酸的質(zhì)量(準(zhǔn)確到1´10-5克)       l為燃燒掉的Cu-Ni合金絲的長(zhǎng)度(cm)  &

10、#160;    2.9為每厘米Cu-Ni合金絲燃燒放出的熱量單位（J·cm-1）       V為滴定燃燒后氧彈內(nèi)的洗滌液所用的0.1mol·dm-3的NaOH溶液的體積       5.98為消耗1mL0.1 mol·dm-3的NaOH所相當(dāng)?shù)臒崃?單位為J)。由于此項(xiàng)結(jié)果對(duì)QV的影響甚微，所以常省去不做。確定了儀器(含3000mL水)熱容，我們便可根據(jù)公式4-(4)求出欲測(cè)物質(zhì)的恒

11、容燃燒熱QV，即：        QV(待測(cè))=(C卡DT-2.9l)/m(待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量)×M                       4(5)然后根據(jù)公式4-(1)求得該物質(zhì)的恒壓燃燒熱QP，即DH。四、用雷諾作圖法校正DT：盡管在儀器上進(jìn)行了各種改進(jìn)，但在實(shí)驗(yàn)過程中仍不

12、可避免環(huán)境與體系間的熱量傳遞。這種傳遞使得我們不能準(zhǔn)確地由溫差測(cè)定儀上讀出由于燃燒反應(yīng)所引起的溫升T。而用雷諾作圖法進(jìn)行溫度校正，能較好地解決這一問題。將燃燒前后所觀察到的水溫對(duì)時(shí)間作圖，可聯(lián)成FHIDG折線，如圖4-1和圖4-2所示。圖41中H相當(dāng)于開始燃燒之點(diǎn)。D為觀察到的最高溫度。在溫度為室溫處作平行于時(shí)間軸的JI線。它交折線FHIDG于I點(diǎn)。過I點(diǎn)作垂直于時(shí)間軸的ab線。然后將FH線外延交ab線于A點(diǎn)。將GD線外延,交ab線于C點(diǎn)。則AC兩點(diǎn)間的距離即為DT。圖中AA為開始燃燒到溫度升至室溫這一段時(shí)間Dt1內(nèi)，由環(huán)境輻射進(jìn)來以及攪拌所引進(jìn)的能量而造成量熱計(jì)的溫度升高。它應(yīng)予以扣除之。C

13、C為溫度由室溫升高到最高點(diǎn)D這一段時(shí)間Dt2內(nèi)，量熱計(jì)向環(huán)境輻射而造成本身溫度的降低。它應(yīng)予以補(bǔ)償之。因此AC可較客觀的反應(yīng)出由于燃燒反應(yīng)所引起量熱計(jì)的溫升。在某些情況下，量熱計(jì)的絕熱性能良好，熱漏很小，而攪拌器的功率較大，不斷引進(jìn)能量使得曲線不出現(xiàn)極高溫度點(diǎn)，如圖4-2，校正方法相似。                          

14、          圖4-1  絕熱較差時(shí)的雷諾校正圖            圖4-2  絕熱良好時(shí)的雷諾校正圖    必須注意，應(yīng)用這種作圖法進(jìn)行校正時(shí)，卡計(jì)的溫度與外界環(huán)境的溫度不宜相差太大(最好不超過2-3)，否則會(huì)引入大的誤差。五、儀器與試劑：燃燒熱測(cè)定裝置 生產(chǎn)廠家：南大萬和詳見： 1.B

15、H-I型配置:HR-15B氧彈量熱計(jì)（含氧彈頭）    1套，      DH-I氧彈點(diǎn)火攪拌控制器JDW-3F溫差測(cè)定儀              1臺(tái)，      WYP-S壓片機(jī)WLS立式充氧器各1臺(tái)，       

16、0;                 2.BH-IIS型配置：HR-15B氧彈量熱計(jì)（含氧彈頭）    1套BH-IIS型燃燒熱數(shù)據(jù)采集接口裝置（配南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所專用軟件）WYP-S壓片機(jī)WLS立式充氧器各1臺(tái)3.BH-IIIS型配置：BH-IIIS一體化機(jī)內(nèi)含點(diǎn)火攪拌裝置，計(jì)時(shí)，氧彈熱量計(jì) （配南京大學(xué)應(yīng)用物理研究所專用軟件）WYP-S壓片機(jī)WLS立式充氧器各1臺(tái)，調(diào)

17、壓變壓器          2個(gè)撥動(dòng)開關(guān)                1只，               氧氣鋼瓶(需大于80Kg壓力)    &#

18、160;                                     氧氣減壓器           

19、60;  1個(gè)，               萬用表              1個(gè)充氧導(dǎo)管                1個(gè)，

20、               Cu-Ni合金絲         若干扳手                    1把，   

21、60;           容量瓶(1000mL  1只，2000mL  1只)、苯甲酸(分析純)                             &#

22、160; 萘(分析純)六、實(shí)驗(yàn)步驟：    1、儀器介紹：    圖4-3是實(shí)驗(yàn)室所用的HR-15B氧彈量熱計(jì)的整體裝配圖，圖4-4是用來測(cè)量恒容燃燒的氧彈結(jié)構(gòu)圖。圖4-5是實(shí)驗(yàn)充氧的示意圖，下面分別作以介紹。                圖4-3  氧彈卡計(jì)安裝示意圖     

23、0;                                  圖4-4  氧彈的構(gòu)造    圖4-3中，內(nèi)筒C以內(nèi)的部分為儀器的主體，即為本實(shí)驗(yàn)研究的體系，體系C與外界以空氣層B絕熱，下方有絕緣的墊片

24、4架起，上方有絕熱膠板5敷蓋。為了減少對(duì)流和蒸發(fā)，減少熱輻射及控制環(huán)境溫度恒定，體系外圍包有溫度與體系相近的水套A。為了使體系溫度很快達(dá)到均勻，還裝有攪拌器2，由馬達(dá)6帶動(dòng)。為了準(zhǔn)確測(cè)量溫度的變化，我們由精密的JDW-3F溫差測(cè)定儀來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中把溫差測(cè)定儀的熱敏探頭插入研究體系內(nèi)，便可直接準(zhǔn)確讀出反應(yīng)過程中每一時(shí)刻體系溫度的相對(duì)值。樣品燃燒的點(diǎn)火由一撥動(dòng)開關(guān)接入一可調(diào)變壓器來實(shí)現(xiàn)，設(shè)定電壓在24V進(jìn)行點(diǎn)火燃燒。    圖4-4是氧彈的構(gòu)造。氧彈是用不銹鋼制成的，主要部分有厚壁圓筒1、彈蓋2和螺帽3緊密相連；在彈蓋2上裝有用來充入氧氣的進(jìn)氣孔4、排氣孔5

25、和電極6，電極直通彈體內(nèi)部，同時(shí)做為燃燒皿7的支架；為了將火焰反射向下而使彈體溫度均勻，在另一電極8(同時(shí)也是進(jìn)氣管)的上方還有火焰遮板9。    2、量熱計(jì)水當(dāng)量的測(cè)定(求C卡)    (1) 樣品壓片：壓片前先檢查壓片用鋼模是否干凈，否則應(yīng)進(jìn)行清洗并使其干燥，用臺(tái)秤稱0.8g苯甲酸，并用直尺準(zhǔn)確量取長(zhǎng)度為20cm左右的細(xì)Cu-Ni合金絲一根，準(zhǔn)確稱量并把其雙折后在中間位置打環(huán)，置于壓片機(jī)的底板壓模上，裝入壓片機(jī)內(nèi)，倒入預(yù)先粗稱的苯甲酸樣品，使樣品粉末將合金絲環(huán)浸埋，用壓片機(jī)螺桿徐徐旋緊，稍用力使樣品壓

26、牢(注意用力均勻適中，壓力太大易使合金絲壓斷，壓力太小樣品疏松，不易燃燒完全)，抽去模底的托板后，繼續(xù)向下壓，用干凈濾紙接住樣品，彈去周圍的粉末，將樣品置于稱量瓶中，在分析天平上用減量法準(zhǔn)確稱量后供燃燒使用。(2)裝置氧彈：擰開氧彈蓋，將氧彈內(nèi)壁擦干凈，特別是電極下端的不銹鋼接線柱更應(yīng)擦干凈。在氧彈中加1毫升蒸餾水。將樣品片上的合金絲小心地綁牢于氧彈中兩根電極8與10上(見圖4-4氧彈剖面圖)。旋緊氧彈蓋，用萬用電表檢查兩電極是否通路。若通路，則旋緊出氣口5后即可充氧氣。按圖4-5所示，連接氧氣鋼瓶和氧氣表，并       

27、 圖4-5  氧彈充氣示意圖將氧氣表頭的導(dǎo)管與氧彈的進(jìn)氣管接通，此時(shí)減壓閥門2應(yīng)逆時(shí)針旋松(即關(guān)緊)，打開氧氣鋼瓶上端氧氣出口閥門1（總閥）觀察表一的指示是否符合要求（至少在4MPa），然后緩緩旋緊減壓閥門2(即漸漸打開)，使表2指針指在表壓2MPa，氧氣充入氧彈中。1-2min后旋松(即關(guān)閉)減壓閥門2，關(guān)閉閥門1，再松開導(dǎo)氣管，氧彈已充入約2MPa的氧氣，可供燃燒之用。但是閥門2至閥門1之間尚有余氣，因此要旋緊減壓閥門2以放掉余氣，再旋松閥門2，使鋼瓶和氧氣表頭復(fù)原。(氧氣減壓器的使用見附錄,必須認(rèn)真學(xué)習(xí))    3、燃燒和測(cè)量溫

28、差：按圖將氧彈卡計(jì)及內(nèi)筒，攪拌器裝配好。(1)用1/10的水銀溫度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量量熱計(jì)恒溫水套A（外套）的實(shí)際溫度。(2)打開溫差測(cè)定儀，讓其預(yù)熱，并將測(cè)溫探頭插入外套測(cè)溫口中。(3)在水盆中放入自來水（約4000mL），用1/10的水銀溫度計(jì)測(cè)量水盆里的自來水溫度，用加冰或加熱水的方法調(diào)節(jié)水溫低于外套溫度1.52.0。(4)把充好氧氣的氧彈放入已事先擦洗干凈的內(nèi)筒C中。用容量瓶準(zhǔn)確量取3000ml已調(diào)好溫度的水，置于內(nèi)筒C中。(5)檢查點(diǎn)火開關(guān)是否置于“關(guān)”的位置，插上點(diǎn)火電極，蓋上絕熱膠木板。(6)開啟攪拌馬達(dá)，調(diào)節(jié)溫差測(cè)定儀設(shè)定旋鈕，使溫差測(cè)定儀上指示為1.000，此時(shí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度為外套溫

29、度。(7)迅速把測(cè)溫探頭置于內(nèi)筒C上端的測(cè)溫口中，觀察溫差測(cè)定儀的讀數(shù)，一般應(yīng)在之間（太低或太高都要重新調(diào)節(jié)水溫，以保證外套水溫在燃燒升溫曲線的中間位置）。報(bào)時(shí)器每半分鐘響一次，響時(shí)即記錄溫差測(cè)定儀上溫度的讀數(shù)，至少讀5-10min。(8)插好點(diǎn)火電源，將點(diǎn)火開關(guān)置于“開”的位置并立即撥回“關(guān)”的位置。在幾十秒內(nèi)溫差測(cè)定儀的讀數(shù)驟然升高，繼續(xù)讀取讀數(shù)，直至讀數(shù)平穩(wěn)（約25個(gè)數(shù)，每半分鐘一次。如果在1-2分鐘內(nèi)，溫差測(cè)定儀的讀數(shù)沒有太大的變化，表示樣品沒有燃燒，這時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查，請(qǐng)教老師后再進(jìn)行處理）。停止記錄，拔掉點(diǎn)火電源。取出氧彈，打開放氣閥，排出廢氣，旋開氧彈蓋，觀察燃燒是否完全，如有黑色殘

30、渣，則證明燃燒不完全,實(shí)驗(yàn)需重新進(jìn)行。如燃燒完全，量取剩余的鐵絲長(zhǎng)度，根據(jù)公式4-(4)計(jì)算C卡的值。如需精確測(cè)量，還需在裝置氧彈時(shí)加1mL蒸餾水于氧彈內(nèi)，燃燒后將彈體用蒸餾水清洗，用0.1 mol·dm-3NaOH滴定之。4、萘恒容燃燒熱的測(cè)定：稱取0.6克的萘，按上述操作步驟，壓片、稱重、燃燒等實(shí)驗(yàn)操作重復(fù)一次。測(cè)量萘的恒容燃燒熱QV，并根據(jù)公式4-(1)計(jì)算QP，即為DH，并與手冊(cè)作比較,計(jì)算實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、  壓片時(shí)應(yīng)將Cu-Ni合金絲壓入片內(nèi)。2、  氧彈充完氧后一定要檢查確信其不漏氣，并用萬用表檢查兩極間是否通

31、路。3、  將氧彈放入量熱儀前，一定要先檢查點(diǎn)火控制鍵是否位于“關(guān)”的位置。點(diǎn)火結(jié)束后，應(yīng)立即將其關(guān)上。4、  氧彈充氧的操作過程中，人應(yīng)站在側(cè)面，以免意外情況下彈蓋或閥門向上沖出，發(fā)生危險(xiǎn)。八、數(shù)據(jù)記錄及處理：    1、記錄下列數(shù)據(jù)：室溫：                       

32、     實(shí)驗(yàn)溫度：                         苯甲酸重：                  &#

33、160;g；    Cu-Ni合金絲密度：             g·cm-1Cu-Ni合金絲長(zhǎng)（或質(zhì)量）：    cm；   剩余Cu-Ni合金絲長(zhǎng)（或質(zhì)量）：     cm萘的質(zhì)量：         &#

34、160;         g    2、處理：由實(shí)驗(yàn)記錄的時(shí)間和相應(yīng)的溫度讀數(shù)作苯甲酸和萘的雷諾溫度校正圖，準(zhǔn)確求出二者的DT，由此計(jì)算CP和萘的燃燒熱QV，并計(jì)算恒壓燃燒熱QP。    3、根據(jù)所用的儀器的精度，正確表示測(cè)量結(jié)果，計(jì)算絕對(duì)誤差，并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。九、思考討論題：1、         在本實(shí)驗(yàn)的裝置中哪部分是燃燒反應(yīng)

35、體系？燃燒反應(yīng)體系的溫度和溫度變化能否被測(cè)定？為什么？答：在本實(shí)驗(yàn)裝置中，氧彈的內(nèi)部是被測(cè)物質(zhì)的燃燒空間，也就是燃燒反應(yīng)體系。由于做燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)要在氧彈中充入高壓的氧氣，燃燒瞬間將產(chǎn)生高溫，這樣就無法將溫度計(jì)（或溫差計(jì)）直接插入到高壓氧彈中或者因?yàn)闇囟扔?jì)無法承受高壓或高溫，另外溫度計(jì)是玻璃或金屬外殼，在氧彈外面也無法與氧彈緊密接觸，或者有的溫度計(jì)（如熱電偶）達(dá)不到測(cè)量精度，所以很難對(duì)燃燒反應(yīng)體系進(jìn)行溫度或溫度差的測(cè)量。2、       在本實(shí)驗(yàn)的裝置中哪部分是測(cè)量體系？測(cè)量體系的溫度和溫度變化能否被測(cè)定？為什么？答：   由于不能直接對(duì)燃燒反應(yīng)體系進(jìn)行溫度或溫度差測(cè)量，因此就需要將燃燒反應(yīng)體系（氧彈）放入到一種可以進(jìn)行溫度或溫度差測(cè)量的介質(zhì)中去，構(gòu)成比燃燒反應(yīng)體系大的測(cè)量體系。在本實(shí)驗(yàn)的裝置中，盛水桶、3000ml水（剛好可以淹沒氧彈）和氧彈三部分組成了測(cè)量體系，溫度計(jì)可以插入到水中并與水緊密接觸，不需要承受高壓和高溫，這樣可以根據(jù)測(cè)量體系的溫度變化去推斷燃燒反應(yīng)進(jìn)行所放出的熱量。 3、