一．实验目的

1. 用氧弹量热计测定萘的燃烧热；掌握氧弹量热计的实验技术；

2. 明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别；

3. 学会雷诺图解法校正温度改变值。

二．基本原理

1. 燃烧与热量

1mol物质完全氧化时的反应热称作燃烧热。根据热力学定律，恒容燃烧热Q_v等于体系内能变化ΔU，恒压燃烧热Q_p等于其焓变ΔH。其之间的关系为：

          (2-1)      

               (2-2)

△n为反应前后反应物和生成物中气体物质的量之差，R为气体常数，T为反应时的热力学温度。

由上式可知，若测得某物质的Q_p或Q_v中的任何一个，即可计算出另一个数据。在热化学中，化学反应的热效应（包括燃烧热）通常是用Q_p来表示的。本实验测定的是Q_v，通过上式就可计算出Q_p，即燃烧焓的值Δ_cH_m。直接测定Q_v或Q_p的实验方法称为量热法。

2. 氧弹量热计

本实验是用氧弹式量热计进行萘的燃烧焓的测定。 下图是氧弹量热计的结构示意图。其为环境恒温式量热计。

 

 

1．外筒；2。绝热定位圈；3。氧弹；

4。内筒（用以盛量热介质）；

5。点火电极；6。搅拌器；

7。感温探头；8。外筒搅拌器

 

 

   图Ⅱ-2-1 氧弹式量热计示意图

氧弹量热计的基本原理是能量守恒定律。样品被置于氧弹中，完全燃烧所释放的能量使得氧弹本身、周围的介质及和热量计有关的附件的温度升高。测量介质在燃烧前后温度的变化值，就可求得该样品的恒容燃烧热。其关系式为

            （2-3）

式中W_样及Ｍ 分别为待测物质的质量（ｇ）及摩尔质量；Q_v为待测物质的摩尔燃烧热(kJ/mol)；l和Q_l是引燃用的点火丝的长度 (cm) 和单位长度燃烧热 (J/cm)； W _水 和C_水是以水作为测量介质时，水的质量和比热容；C_计为量热计的水当量，即除水之外，热量计升高1℃所需的热量；△T为样品燃烧前后量热计温度的变化值。

可将（W _水·C_水+C_计）作为量热计的总水当量，通过测定已知燃烧热的标准物（如苯甲酸，它的恒容燃烧热为 26，460 kJ/g或3226.9kJ/mol）的燃烧前后量热计温度的变化值△T来标定。

氧弹是一个特制的不锈钢容器，见下图。为了保证样品迅速完全燃烧，氧弹中应充入压力为 1.0～1.5 MPa 的高压氧气。为防止充氧时将样品吹散必须在实验前对样品压片。充氧后的氧弹放在装有一定量的水（3000mL）的桶中，水桶外是空气隔热层，再外边是温度恒定的水夹套。

 

1．氧弹头（既是充气头，又是放气头）；2。氧缠盖；

3。点火电极；4。点火丝；5。燃烧坩埚；6。燃烧档板；

7。卡套，用于接点火丝；8。氧弹体

 

 

 

 

图Ⅱ-2-2 氧弹的构造

本实验的氧弹式量热计虽然采取了一些绝热措施，但它仍不是严格的绝热系统，加之带进的搅拌热、放热传热速度的限制等等，因此需用雷诺图法对温度进行校正。

3．雷诺温度校正图

当适量燃烧物质燃烧后，量热计中的水温上升 1.0～1.5 ℃。预先调节水温低于室温0.5～1.0℃左右。将燃烧前后水温随时间的变化记录下来，并作图，得一曲线（如图Ⅱ-2-3 所示）。图中H点意味着燃烧开始，热传入介质当中；D点为观测到的温度最高值；从相当于室温的J点作水平线交曲线于I，过I作垂线ab，再将FH线和GD线延长并交ab线于A，   

C两点，其间的温度差值即为经过校正的ΔT。图中AA＇为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间Δt₁内，由环境辐射和搅拌引进的热量所造成的升温，故应予以扣除。CC＇为由室温升高到最高点D这一段时间Δt₂内，热量计向环境热漏造成的温度降低，计算时必须考虑在内。故可认为，A＇C两点的差值较客观地表示了燃烧引起的升温数值。

    有时，热量计绝热性能良好，热漏很小，而搅拌器功率较大，不断引进的热量使得曲线不出现极高温度点，如图Ⅱ-2-4。校正方法相似。

 

图Ⅱ-2-3  绝热较差时的雷诺校正图     图Ⅱ-2-4绝热良好时的雷诺校正图

三．仪器试剂

BH-ⅢS型氧弹量热计   全套    氧气钢瓶及减压阀  1套      充氧器    1台

压片机       2只      萘（A.R.）      苯甲酸（A.R.）      点火丝

四．实验步骤

1．粗称萘(<0.6g)，苯甲酸（<0.8g），压片，去毛边后准确称量。

2．装样并充氧气  准确剪取10cm点火丝，在其中部绕5-6圈（直径约3mm）。两端固定在电极上，中部紧贴样品表面。充氧。

3．  测量C_计

① 在量热器内筒中装入3000mL自来水（水温应低于室温0.5℃）。

② 将装好苯甲酸并充好氧气的氧弹置于其中，盖好仪器盖，放好感温探头。

③ 打开仪器电源开关，预热片刻后，按下“搅拌”按纽，搅拌开始。启动秒表“60s＇”，搅拌5～10分钟后，按下“采零”键。每分钟记录一个温差值，记录10个点。

④ 迅速按下“点火”按纽，点燃样品。每15秒记录一个值，直至数值变化很小后再改为每分钟记录一个温差值，记录10个点后停止实验。

⑤ 取出氧弹，用放气阀放掉氧弹中的废气，打开氧弹，检查是否燃烧完全。量出剩余点火丝的长度。

4．测量萘的燃烧热Q_v

将样品换成萘，采用上述同样的方法，测定萘的燃烧热。

五．数据处理

1．将所测数据列表，并绘出相应的雷诺校正图，求出苯甲酸和萘的ΔT；

2．根据公式 (2-3)，以苯甲酸的燃烧热数据计算体系热容C_计（注意单位统一）；

3．计算萘的恒容燃烧热Q_v萘和恒压燃烧热Q_p萘；

4．根据文献值，计算实验的相对误差并进行讨论。

5．文献值

    苯甲酸的恒容燃烧热为-26460 J·g^-1；恒压燃烧热为-26410 J·g^-1和-3226.9 kJ·mol^-1。萘的恒压燃烧热为 -40205 J·g^-1和 -5153.8 kJ·mol^-1。

六．评注启示

1．本实验装置也可用来测定可燃液体样品的燃烧热。可用药用胶囊作样品管，引燃丝置于胶囊内的样品中。再用内径比胶囊外径大0.5～1.0mm的薄壁软玻璃管套住。胶囊的平均燃烧值应预先标定以便扣除

2．注意事项

（1）注意压片的紧实程度，太紧不易燃烧，太松容易裂碎。

（2）电极切勿与燃烧坩埚接触，点火丝与燃烧坩埚亦不能接触，以免引起短路。

（3）点火后，温度急速上升，说明点火成功。若温度不变或有微小变化，说明点火没成功或样品没有充分燃烧。应检查原因并排除。

七．思考题

1．在本实验中哪些是系统？哪些是环境？系统和环境通过哪些途径进行热交换？这些热交换对实验的结果影响怎样？如何克服和进行校正？

2．为什么要对温度进行校正？简述雷诺校正图的涵义。

3．样品为什么要压成片状？

4．为什么水桶中的水温要比环境温度低0.5～1.0℃?