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1、实验二实验二 燃烧热(焓)的测定燃烧热(焓)的测定 一 实验目的实验目的 1. 掌握弹式量热计测定萘的燃烧热; 2. 了解弹式量热计的原理和构造,掌握它的使用方法; 3. 学习用雷诺图解法校正温度改变值。 二 实验原理实验原理 物质的燃烧热是指 1mol物质在恒温下完全燃烧时的热效应。在恒容条件下所测得的燃 烧热称为恒容燃烧热(QV) 。若把参加反应的气体视为理想气体,则恒容燃烧热(QV)与 恒压热效应(QP +=BBVPRTQQ)的关系为: (21) 测量热效应的仪器称为热量计(卡计) 。热量计的种类很多,本实验是使用恒温微机量 热计来测定萘(C10H8)的燃烧热(量热计的使用说明详见本实验
2、的附录) ,所测得的燃烧 热是恒容燃烧热(QV 测量的基本原理是能量守恒定律。 一定量的待测样品在氧弹中完全燃烧, 燃烧时放出的 热量使热量计的温度升高,通过测定燃烧前后此温度的变化值,可以求算该样品的燃烧热 Q) 。 V点火丝点火丝mQTKQmV=。其计算式如下: (22) 式中 m 待测物质的质量(g) ; 点火丝m 点火丝的质量(g) ; VQ 待测物质的燃烧热(Jg-1) ; 点火丝Q 点火丝的燃烧热。本实验使用的是镍铬丝,其点火丝Q 3240 Jg-1T; 样品燃烧前后热量计温度的变化值; K 热量计常数,它是热量计(包括其中的水)升高一度时所吸收的热量。通常用已 知燃烧热的物质标定
3、热量计常数。 一般采用高纯度的苯甲酸作为标准物质, 恒容燃烧热VQ26460 Jg-1当已知热量计常数 K 之后,即可利用上式通过实验测定其它物质的燃烧热。 。 燃烧过程中温度随时间变化的曲线可以在微机中显示出来,如图 2-1 中的曲线 abcd 所 示。其中 ab 段表示实验前期,b 点相当于开始燃烧之点;bc 段相当于反应期;cd 段则为后 期。 由于热量计与周围环境有热量交换,热漏的现象还是无法完全避免的,所以曲线 ab 和 cd 常常发生倾斜, 在量热实验中所测量的温度变化值T实际上是必须经过雷诺作图法加以 校正。 其校正的方法如下:取b点所对应的温度T1,取c点所对应的温度T2,其平
4、均温度(T1 T2T)/2 为T,经过T点作横坐标的平行线TO与曲线abcd相交于O点,然后通过O点作垂线 AB,垂线与ab线和cd线的延长线分别相交于E、F两点,则E、F两点所表示的温差即为所求 的温度变化值。图中EE表示由于环境辐射进来的热量所造成的温度升高,这部分是应当扣除的;而FF表示热量计向环境辐射出热量所造成的温度降低,这部分是应当加入的。 经过上述温度的校正所得的温度差EF表示了由于样品燃烧使热量计温度升高的数值。 如果燃烧前热量计的水温稍低或热量计绝热性能较好, 则反应后期的温度并不降, 在这 种情况下的T仍然按着上述方法进行校正(如图 2-2 所示) 。 图 2-1 绝热较差
5、时温度校正图 图 2-2 绝热较好时温度校正图 三 实验仪器和试剂 恒温式微机热量计 1 台 压片机 1 台 微机 1 台 万用电表 1 个 打印机 1 台 量筒(1000ml)1 个 充氧机 1 台 点火丝(AR) 氧气瓶及减压阀 1 个 苯甲酸(AR) 四 实验步骤 1. (用标准苯甲酸)标定热量计的热量计常数 K (1)截取 810cm 的点火丝,准确称量(精确到 0.0002g) ; (2)准确称量(精确到 0.0002g)已经预先压成片状的干燥的苯甲酸样品(不超过 1g)放入燃烧皿中,然后把燃烧皿放在氧弹金属弯杆的环上,并装好点火丝。点火丝应触及 样品的表面,但切不可触及坩埚。旋紧氧
6、弹盖,用万用表检查两电极是否通路,若通路则旋 紧氧弹盖,将氧弹放到充氧器下,对准充气孔,拉下扳手充氧,压力表指示数为 3MPa,5 秒钟后松开扳手,充氧完毕。再用万用表检查两电极是否通路,若通路则进行下一步实验, 否则需要放气检查。 (3)将盛水桶(内筒)从热量计中取出,擦净水。用容量瓶量取 3000ml 蒸馏水, 倒入盛水桶内。将盛水桶放入外筒的绝热支架上,注意放置要稳固。将氧弹放在内筒的固定 坐上,然后接上点火电极插头,盖上筒盖(点火线应压在盖边缘的线槽内) ,将探头(热电 偶)插入内筒插孔。开动搅拌开关。将“基点温度选择”键按在相应的档上(一般使数值 显示在 03.5 范围内) ,显示数
7、值加上基点温度档所指示的数值就是实际温度值。 (4)开启计算机,双击桌面上的 “热量计”文件,再单击“控制台” ,单击“一号 机” ,然后打开打印机电源开关。单击“方式选择”中的“标定” ,再单击“输入” 。单击“输 入重量” ,用键盘输入苯甲酸的质量,然后再输入“苯甲酸热值” 、 “附加热输入”和“修改 基点温度”各项,单击“退出” 。最后,单击“开始”则测量开始。此后温度随时间的变化 曲线自动显示在屏幕上,当曲线画完后,打印机便打印出热量计常数的数值。 (5)当热量计常数 K 测定结束后,停止搅拌。将热电偶从内筒插孔移到外筒插孔, 再打开筒盖,取出氧弹,擦净水,用放气阀放出燃烧废气,旋开氧
8、弹盖,检查样品燃烧的情 况。若氧弹中没有未燃尽的剩余物,表明燃烧完全;反之,实验失败,需要重新实验。 2. 萘的燃烧热的测定 (1)粗称 0.5g 左右的萘,用压片机将其压成片。此后的操作同上述“ (1. 用标准苯甲 酸)标定热量计的热量计常数 K”的(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 。其中在输入各项参数之前需单 击“方式选择”中的“测量” 。而“修改热容量”即输入热量计常数 K 的数值。 (2)记录苯甲酸、萘的质量、燃烧前后点火丝的质量以及热量计常数 K。按(2-2)式 计算萘的燃烧热,并与计算机打印的结果比较。 将萘的燃烧热按(2-1)式换算成等压热效应cHm(kJmol-1)
9、。若将 此 cHm0 mcH近似地看作是(298K) ,计算萘的标准生成热0 mfH(298K) 。已 知 :CO20 mfH(g)(298K)= -393.51 kJmol-1,H20 mfHO(l)(298K)= -285.84 kJmol-1五 注意事项 。 (1)点火丝与电极接线柱的连接要牢固,点火丝的两头切勿与氧弹的内壁接触,点火 丝中间下凹的最低处与样品之间的距离以 1cm 左右为宜。 (2)压片时不要用力过大。因为样品片太硬时不易被引燃,样品片的硬度应以用手稍 用力即可破碎为宜。另外,平时样品应保存于干燥器中,因为受潮样品不易燃烧且使称量有 误。 (3)为确保点火的成功率,也可在
10、样品片上加一条已知燃烧热的棉线,或者考虑使用 两根点火丝。另外,氧弹的充氧量应确保在 3MPa 左右。从安全方面考虑,氧气钢瓶的使用 要在教师的指导下进行。 (4)氧弹充气时,严禁钢瓶、阀门、工具扳手及操作者手上沾有油脂,以防止燃烧和 爆炸。 (1) 开启阀门时,人不要站在钢瓶出气处,头不要在钢瓶头之上,以保人身安全。 (5)开启总阀门前,氧气表调压阀应处于关闭状态,以免突然打开时发生意外。 (6)钢瓶内压力不得低于 10105 此外,为避免人为的因素造成的实验误差,在苯甲酸和萘的两次测定中,容量瓶的取水 量应尽量保持一致。外筒水温应尽量接近室温,燃烧后内筒水温应比外筒水温高出 0.71K 左
11、右。以便使燃烧终点时内筒水温出现明显的下降。 Pa,否则不能使用。 六 数据记录与处理 1. 数据记录 样品的质量 点燃丝的质量 剩余点燃丝的 质量 已燃烧的点燃 丝的质量 热量计常数 K 的测定 萘的燃烧热测 定 2. 数据处理 热量计常数 K 值: 萘的燃烧热QV kJmol 七 思考题 -1 1. 将实验测定的萘的燃烧热与手册上数据对比,计算实验误差,并予以讨论。 2. 在给氧弹充氧气时,应注意哪些规则? 3. 写出萘燃烧过程的反应方程式。如何根据实验测得的QV求出QP? 附录 HWR-15B 恒温式微机热量计恒温式微机热量计 HWR-15B 恒温式微 机热量计属于氧弹式热量 计,只是在
12、测量部分采用 了单片机自动控制,可以 实现自动点火、计算和打 印被测物质的热值。 一、结构和原理 恒温式微机热量计的结构 如图 2-3 所示。整个仪器 是由量热主体部分和测量 部分所组成。量热主体部 分由外筒、内筒、搅拌器、 氧弹、热电偶等组成;而 其测量部分包括显示器、 键盘和点火等(如图 2-4 所示) 。 图 2-3 HWR-15B 恒温式微机热量计 1-外壳;2-内筒;3-外筒;4-热电偶;5-绝热支架; 6-氧弹;7-测量部分;8-搅拌器;9-电极;10-盖子 图 2-4 HWR-15B 恒温式微机热量计测量部分的操作面板 燃烧反应在氧弹中进行,氧弹是一个特制的耐高压不锈钢容器(如图
13、 2-5 所示) ,内壁 采用高抛光,以减少热辐射。实验过程外筒中 装满水并保持恒温,内筒中装入 3000ml 蒸馏 水,外筒和内筒之间以空气隔热。这样,内筒 连同其中的氧弹、热电偶、控制器和水便近似 构成了一个绝热体系。 恒温式热量计采用相对测量方法, 即先用 标准物质(常用苯甲酸)标定热量计常数,然 后再测定待测物质的燃烧热。 首先称取一定质量的苯甲酸, 置于氧弹中 的燃烧皿坩埚内,充入足够量的氧气。将氧弹 放入内筒中,以电控部分控制搅拌和燃烧点 火,用热电偶作测温元件,自动记录内筒中水 的温度变化。 由于在整个实验过程中体系与环 境的热交换难以完全避免,所以用雷诺 (Reynolds)作
14、图法来校正内筒中水的温差T,计算出热量计常数 TQmQKV +=(2-3) 式中 K 热量计常数(JK-1m 苯甲酸的质量(g) ; ) ; QV 苯甲酸的等容燃烧热(Jg-1Q 点火丝等其它附加热总和。 ) ; 待测物质的等容燃烧热则为: mQTKQV=(2-4) 式中mQV、分别为待测物质的燃烧热 (Jg-1二 使用方法 ) 和 质 量 (g) , 其它符号的含义与式 (2-4)相同。 1. 取一片苯甲酸,准确称量后放入氧弹的坩埚内。再取一根点火丝,将其两端分别接 在氧弹内的两个电极柱上,注意与样品保持近似接触,不要使点火丝接触到坩埚上,以免形 成短路而导致点火失败。旋紧氧弹盖,用万用表检
15、查两电极是否通路。 2. 将氧弹放到充氧器下,对准充气口,拉下扳手充氧,充氧时间不得少于 5 秒钟,直 到氧弹内的压力达到 2.53MPa,充氧后不应漏气。用万用表检查两电极是否通路。若通路 则进行下一步实验,否则需要放气检查。 3. 将内筒从热量计中取出,用容量瓶量取 3000ml 蒸馏水,倒入内筒中,将内筒放在外 筒的绝热支架上,注意平稳且每次位置要一致。将氧弹放在内筒中的固定座上,且每次位置 要相同。如果氧弹盖四周无气泡漏出,则表明气密性良好;如果有气泡产生则表明漏气,应 该找出漏气的原因, 加以纠正。 接上点火电极, 操作面板上点火指示灯应该微亮 (在此之前, 打开电源开关) ,说明电极接通;如果点火指示灯不亮,说明点火线未接通,应该查明原因, 加以排除。盖上筒盖,点火线应该压在盖边缘的线槽内。插入测温热电偶,注意要对准槽口图 2-5 量热氧弹 1-提手;2-充气口;3-紧固螺母; 4-弹盖;5-聚四氟乙烯垫; 6-橡胶密封圈;7-电极;8-弹环; 9-接线柱;10-坩埚 位置。开动搅拌开关,面板搅拌指示灯应亮。 4 将“基点温度选择键”按在相应的档上,一般使数值显示在