1、茶的燃燒熱測定李新樂 PB07206292(高分子科學與工程系中國科學技術大學合肥230026 )摘要：本實驗用氧彈量熱計測定蔡的恒容燃燒熱，并計算蔡的恒壓燃燒熱。并采用“雷諾校正圖”的方法一一在一個非絕熱的測量體系中實現相當于絕熱體系中所完 成的溫度和溫度差的測量效果，測出蔡的恒容燃燒熱。關鍵詞：氧彈式量熱計 苯甲酸蔡燃燒熱雷諾圖The Determination of The Combustion Heat ofNaphthaleneLi Xin Le PB07206292 (Department of Polymer Science and Engineering, University

2、 of Science and Technology of China, Hefei 230026)Abstract : This experiment is to determine the combustion heat of naphthalene at a constant volume (Q v), and then calculate Q p at a constant pressure. " Renault Graphing Method" is used in this experiment to simulate a perfect insulator-s

3、ystem in the actual system.Key words : Oxygen-bomb calorimeter, Naphthalene, Benzoic acid, Combustion heat. Renault Graphing Method序言“摩爾燃燒熱：一摩爾純凈物完全燃燒時所放出的熱量。”組成反應物的各元素經完全燃燒后，呈現本元素白最高價態一一M S、鹵素除外，而且反應物和生成物處于標準態。恒容過程的熱效應 QV =；口恒壓過程的熱效應 QP = H它們的相互關系如下：QP =QV+n（RT） 或 AH = AU+An（RT）其中如為反應前后氣態物質的物質的量之差，

4、R為普適氣體常數，T為環境的絕對溫度。由上式，本實驗先測定秦完全燃燒時的恒容燃燒熱，然后再計算出蔡的恒壓燃燒熱AHIo熱（內能及內能變化）比較難測量，而溫度較易測得，記錄實驗過程中體系溫度的變化，便能 換算出熱量的相對變化值，從而求得物質的燃燒熱一一為了確定量熱計每升高一度所需要的 熱量（也就是熱容），可用通電加熱法或標準物質法，本實驗用苯甲酸標準物質法來測量。為了確定量熱卡計每升高一度所需要的熱量，也就是量熱計的熱容， 可用通電加熱法或標準物質法。本實驗用標準物質法來測量量熱卡計的熱容即確定儀器的水當量。這里所說的標準物質為苯甲酸，其恒容燃燒時放出的熱量為26460 J g-1o實驗中將苯甲

5、酸壓片準確稱量并扣除Cu-Ni合金絲的質量后與該數值的乘積即為所用苯甲酸完全燃燒放出的熱量。 Cu-Ni合金絲燃燒時放出的熱量及實驗所用02氣中帶有的N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使其溫度升高。根據能量守恒原理，物質燃燒放出的熱量全部被氧彈及周圍的介質等所吸收，得到溫度的變化為ATQmQV 2.9l 5.98VC 卡=T:T式中：m為苯甲酸的質量（準確到1父10-5克）l為燃燒掉的Cu-Ni合金絲白長度（cm）1、2.9為每厘米Cu-Ni合金絲燃燒放出白熱量單位（ Jcm ） V為滴定燃燒后氧彈內的洗滌液所用的0.1moldm-3的NaOH5.98為消耗1mL0.1

6、 moldm-3的NaOH所相當的熱量（單位為J）。由于此項結果對 Qv的影響甚微，所以常省去不做。確定了儀器（含3000mL水）熱容，我們便可根據公式求出欲測物質的恒容燃燒熱 Qv,即：Qv（待測）=（C卡加-2.9l）/m（待測物質的質量）乂 M 然后根據公求得該物質的恒壓燃燒熱Qp,即ZH盡管在儀器上進行了各種改進，但在實驗過程中仍不可避免環境與體系間的熱量傳遞。 這種傳遞使得我們不能準確地由溫差測定儀上讀出由于燃燒反應所引起的溫升AT。而用雷諾作圖法進行溫度校正，能較好地解決這一問題。雷諾作圖法將燃燒前后所觀察到的水溫對時間作圖，可聯成FHIDG折線，如圖4-1和圖4-2所示。圖4 1

7、中H相當于開始燃燒之點。 D為觀察到的最高溫度。在溫度為室溫處作平行于時間 軸的JI線。它交折線FHIDG于I點。過I點作垂直于時間軸的 ab線。然后將FH線外延交 ab線于A點。將GD線外延，交ab線于C點。則AC兩點間的距離即為 折。圖中AA '為開 始燃燒到溫度升至室溫這一段時間&1內，由環境輻射進來以及攪拌所引進的能量而造成量熱計的溫度升高。它應予以扣除之。CC'為溫度由室溫升高到最高點D這一段時間At2內，量熱計向環境輻射而造成本身溫度的降低。它應予以補償之。因此AC可較客觀的反應出由于燃燒反應所引起量熱計的溫升。在某些情況下，量熱計的絕熱性能良好，熱漏很小，

8、而攪 拌器的功率較大，不斷引進能量使得曲線不出現極高溫度點，如圖 4-2,校正方法相似。圖4-1絕熱較差時的雷諾校正圖圖4-2絕熱良好時的雷諾校正圖必須注意，應用這種作圖法進行校正時, 好不超過2-3 C）,否則會引入大的誤差。行計的溫度與外界環境的溫度不宜相差太大（最實驗部分1.1 儀器與試劑GR 3500型氧彈式熱量計JDW-3F精密電子溫差測量儀MF 30型 萬用表BP310P型電子天平壓片機；氧氣鋼瓶，氧彈，容量瓶，移液管，盛水桶，萬用表 試齊I：苯甲酸（分析純），蔡（分析純），Cu-Ni合金絲， 冰水1.2 實驗步驟和注意事項樣品壓片：取Cu-Ni合金絲一根，對折后在中間位置打環，準

9、確稱量。將其置于壓 片機的模具上并裝上底板，把稱量好的0.8克左右苯甲酸倒入模具內，將鐵絲環浸 埋，裝上頂桿。下壓壓片機螺桿，稍用力使樣品壓牢；翻轉底板后再次下壓以取出 樣品，彈去周圍粉末，準確稱質量。裝置氧彈：擰開氧彈蓋，將樣品上的鐵絲小心的綁在氧彈中的兩根電極上，旋緊氧彈蓋，用萬用表檢查兩電極是否通路，若通路則旋緊出氣口。 連接氧彈和氧氣鋼瓶，打開閥門在充氣40秒，再用萬用表核驗兩電極通路情況。（氧彈充氧操作中，人應站在氧氣減壓表的側面，以免意外。）燃燒和測量溫差：將氧彈卡計，內筒，攪拌器裝配好，用容量瓶準確量取3000mL水置于內筒中。打開溫差測定儀，將測溫探頭插入外套測溫口中，待讀數穩

10、定后置0.000 ;開動攪拌馬達，將溫差儀插入內筒中，此時讀數低于-1.000 ,用電吹風加熱內桶中的水，在溫差儀t實數為約-0.850時停止加熱。待溫差儀讀數為-0.800時， 開啟計算機計數同時準備好點火開關，待溫差儀讀數約為-0.750時點火。點火后繼續計數20分鐘。完畢后先放氣，再旋開氧彈蓋觀察燃燒是否完全，若燃燒完全 則稱量Cu-Ni合金絲剩余的質量。測定秦的燃燒熱：稱取約 0.6克秦，將上述步驟重復一次，測秦的恒容燃燒熱Qv.實驗注意事項： 壓片時應將Cu-Ni合金絲壓入片內。 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路。 將氧彈放入量熱儀前，一定要先檢查點火

11、控制鍵是否位于“關”的位置。點火結 束后，應立即將其關上。二結果與討論：2.1 實驗結果蔡的 恒容摩爾燃燒熱-ACUon= 5.14X106 J/mol ;泰的 恒壓摩爾燃燒熱-ACHom= 5.13X106 J/mol。分析：與理論上的值 9603 cal/g比較得：絕對誤差 -0.11 kJ/g相對誤差-0.27% ,可見結果較為可靠。2.2 實驗誤差的討論 儀器誤差中精密電子溫差測量儀測溫的不穩定值0.001 C,由于采樣數高達近萬個，該項誤差可忽略。而電子天平測質量的不確定度0.001g ,這是本次試驗 隨機誤差的主要來源 。 實驗結果偏小的原因探析：苯甲酸質量偏小，因此升溫不夠高，這

12、樣升溫后的散熱量不足以抵消升溫前的吸 熱量一一體系有凈的吸熱。結果導致苯甲酸燃燒后的體系溫度比理想絕熱條件下 的溫度高，即苯甲酸的 AT偏高，由Ck(mRQv + 3136.2 mCu-Ni )/ AT因此計算出的體系總熱容Ck偏小；又Qv(CkAT- 3136.2 mCu-Ni )/ mR ,若Ck偏小則最終秦的 Qv顯然偏小。上述情況可從附件中的兩幅“雷諾校正圖”中看出，其總效果是使Qv偏小，因此帶來了 - 0.27%的相對誤差。 這是系統誤差的主要來源 。計算氧彈卡計熱容 Ck的儀器傳遞誤差 ACk：C卡mQv：m：（ ：T）3136.2m'. ：m'：（. ：T）3F-

13、m T AT-m7. T. ：（. ：T）：mQV 3136.2. ：m'J x -+=36.08（J/K）計算秦的恒容摩爾燃燒熱-ACUom的儀器傳遞誤差 AQ:；Q,mC 卡 ATM 0c 卡十+Am ：3136.2m'M mM +理mIC卡ATm , m I m' m J2.3小結和思考A.在計算機自動采集的溫差值數據序列中，每組數據均出現了數次錯誤的壞值，在雷諾圖中有顯示，我認為這是溫差測量儀的問題，畢竟電子儀器對外界環境的快速變化不可能完全一致，會出現一些“滯后”一一表現為無法及時獲取正確的采樣值！因此在處理數據時這些“壞值”合理排除了。B.由所得的圖，在升溫

14、后期，曲線趨向水平，沒有在絕熱情況下，理論上的上升，說明量熱計因向環境輻射而造成本身溫度的降低的影響可以忽略，絕熱效果比較好。C實驗改進：采用計算機控制燃燒熱測定儀，它與傳統測量方法的不同點在于：系統中裝有高精度模數轉換器和單片機系統，由它們進行數據采集，并且通過模數轉換器把精密數字溫度計的鉗金電阻溫度傳感器所測得的溫差信號轉為數字信 號。加裝點火驅動系統，用單片機系統接收 PC機發出的指令，以實現自動點火。由 于上述系統具有鉗金溫度彳感器的非線性校正，數字濾波，去50 Hz干擾等功能,因此系統性能穩定，測量精度高。測量溫度的精度可達0. 001 KD 本實驗最關鍵的步驟就是點火能否成功，為此

15、，人們想了不少辦法。方法1:將點火絲壓入樣品片中；方法2:將點火絲纏成螺旋狀置于樣品片上；方法3:在點火絲上纏些脫脂棉線。實驗表明：方法1點火絲易被壓斷且成功率不高；方法2成功率有所提高， 但不能保證100 % ,方法3是可以保證點火成功，但操作麻煩且計算時要刪剔除棉線的熱貢獻。可以在壓片時，可將點火絲從中間彎折 （兩端留45 cm ） 成一個V字型，再將粗稱 好的樣品先倒入大約一半于壓片機內 ，然后將V字型的點火絲放入，最后把剩下的樣 品倒入，開始壓片。只要壓片動作中力度不要過大 ，成功率相當高。E 燃燒改進：在氧彈線路連接中，最怕的是短路，既點火絲與燃燒皿或燃燒皿與另一電極 接觸，學生對此

16、項操作往往處理不好，同時，由于有些物質燃點高，往往會造成點火失敗，已有學者在實踐中認為，用少量棉紗將藥片與電點絲包裹起來可以解決以上困難。 棉紗既可以引燃又可以作為絕緣物杜絕短路。F 查閱文獻【6】，作者提供一種可以有效促進泰片等物引燃速率而又不會顯著影響其燃 燒熱測定結果的新方法。經多次學生實驗證明該方法簡便易行，實驗結果好。助燃劑CeO2經馬弗爐在773K空氣中焙解4h ,冷卻，碎至400目保干備用。實驗改進之 處為在常規壓片樣外表面靠近引火絲（彎成螺線管狀）區域撒上助燃劑粉末 侈J15.mg）,其余實驗過程不變。對蔡片重復試驗10次,10次點火均獲成功，且引發時間在10s內。用以測定秦片

17、的恒容燃燒熱值 ，其相對誤差 0. 32 %。由于做了上述方面的改進 ，縮短了 實驗時間，提高了實驗質量。Acknowledgements:This experient was supported by the Lab of Physical Chemistry. Thanks to the teachers and ap preciate the teaching assistant' s help!參考文獻：1 A.W.Adamson. A Textbook of Physical Chemistry, 3rd Ed. Benjamin, 1986.2燃燒熱測定實驗的進一步改進，張

18、建策，毛力新，化工技術與開發，20053 P.W.Atkins. Physical Chemistry , 3rd Ed. Oxford University Press, 1986.4南京大學物理化學教研室傅獻彩，沈文霞，姚天揚.物理化學，第四版（上，下冊）.高等教育出版社，1990.5崔獻英，柯燕雄，單紹純.物理化學實驗，中國科學技術大學出版社，2000.6測定燃燒熱實驗條件的改進，鐘愛國，大學化學，20007燃燒熱測定實驗研究李森蘭，杜巧云，王保玉大學化學，20018物化實驗講義附件：實驗數據處理數據紀錄：儀器/藥品主要參數：JDW-3F精密電子溫差測量儀：測量范圍-20 +80 C;穩

19、定度± 0.001 CSartorius 牌BP310P型電子天平：測量范圍0.02 310g ;絕對誤差d=0.001g苯甲酸恒容燃燒熱值：26.460 kJ/g ;Cu-Ni合金絲恒容燃燒熱值：3.1362 kJ/g ;蔡的分子量：128.17 g /mol 。苯甲酸:數據:Cu-Ni合金絲質量0.0214 g合金絲剩余質量0.0078 g“壓片”總質量0.813 gCu-Ni合金絲質量0.0219 g合金絲剩余質量0.0084 g“壓片”總質量0.5741 g二數據處理及誤差計算：1苯甲酸部分實驗數據處理燃燒掉的合金絲質量=0.0214 - 0.0078 g =0.0136 g

20、燃燒掉的苯甲酸質量 =0.813 - 0.0214 g =0.7916 g繪制雷諾校正圖86-4o o O-1.0-1000010002000300040005000600070008000X Axis Title備注：每組數據中均出現了 “壞點”，極不符合實驗規律，應予以排除g (3661.92, 0.7257 ) h (3661.92, -0.7420 )由雷諾校正圖，A T= 0.7257K - (-0.7420K) =1.4677 KCk = Q / AT"(mR Qv + 3136.2 巾.)/ mR為苯甲酸樣品質量，mCu-Ni為燃燒掉的合金絲質量，合金絲熱值：3.1362 kJ/g。帶入數據： mR =0.7916 g , mCu-Ni =0.0136 g , Qv =26460 J/g , AT=1.468 K得 Ck = 14297 J/K2蔡部分實驗數據處理燃燒掉的合金絲質量=0.0219 - 0.0084 g =0.0135 g ,燃燒掉的蔡質量=0.5741 - 0.0219 g =0.5522 g ,泰燃燒的雷諾校正圖PXA Yh (4284.66, 0.7749 ) g (4284.66,-0.7763 )A T= 0.7749K - (-0.7763K) =1.551KQv =(Ck31