“燃烧热测定”实验的改进

任冬梅+高鸽+刘鑫+赵岩+夏云生+包德才

摘 要：改进燃烧热测定实验的点火丝的安装方式为粗纺棉线压入式。与传统的点火丝埋入式方式相比，实验成功率提高了23%。以苯甲酸为标准物，考察了四种不同面粉为待测物的燃烧热的测定实验的可行性。结果表明，面粉价廉易得，无污染，易于压片成型，燃烧后无任何残留，热值平均相对标准偏差（RSD）为3.2%，是适宜的“燃烧热的测定”实验的待测物质。

关键词：燃烧热；点火成功率；待测物；面粉

中图分类号：O64 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）35-0025-03

Abstract： The method of measuring heat of combustion has been improved by changing means of pressing the cotton in sample. The results showed that the experimental success rate increased by 23% compared with the traditional method. Four kinds of flour was taken as the determinand in the test of combustion heat. The results showed that the relative standard deviation （RSD） of 3.2% and flour is suitable for the determination due to its cheap， environment protection and easy to forming.

Keywords： heat of combustion； experimental success rate； determinand； flour

物质的燃烧热值是化学热力学的基本数据之一，主要用于判断化学反应方向和计算化学平衡及相平衡中的能量利用[1]。因此“燃烧热的测定”是大学物理化学实验课程中的经典化学热力学部分实验内容，是学生必须重点掌握的热力学实验操作[2-4]。

燃烧量热操作过程中，氧弹里的样品在高压氧气环境下以近乎爆炸性的方式完成燃烧[5]。燃烧中样品压片的紧实程度、点火丝的硬度及安装方法是影响燃烧成功率的三个重要因素。样品的紧实程度主要影响燃烧的充分程度，点火丝的硬度大小主要影响电路的连通程度，而点火丝的安装方式则决定着样品能否燃烧，是最为关键的影响因素。目前点火丝的安装方式主要有埋入式及捆绑式两种。埋入方法是先将点火丝绕成弹簧状，拉到适当长度后压到样品片中[6-7]。其优点是点火丝与样品片的接触面积较大，不易引起短路，但是在压片过程中很容易将点火丝压断，使体系处于断路状态，造成实验失败。捆绑式点火丝安装方式先将样品进行压片处理，而后在样品片的中间位置用小刀刻一深度适合的小凹槽，最后将样品片用点火丝沿小凹槽捆绑好并与两个电极相连[8]。这种安装方式不仅避免了样品从金属丝中间滑落，而且使点火丝与样品充分接触。但该方法对刻小凹槽的要求很高，增加了操作难度，而且用力过大会使样品片破碎，造成样品的浪费。

目前，燃烧热测定实验大都以萘为被测样品[9-10]。但是萘易挥发升华，长时间暴露在空气中会形成污染，进而危害人体健康。近年来，一些学校改用蔗糖做为被测样品，以实现测定过程绿色化[11-12]。然而，蔗糖易于熔化并污染压片机，为测定过程带来不便。本文应用“燃烧热的测定”的原理及方法，改进了点火丝的安装方式，并选取四种不同品牌的面粉作为被测样品进行燃烧热的测定，以提高实验成功率并达到实验绿色化目的。

1 实验部分

1.1 样品热值的测定

热当量（C）的测定：精称点火丝（mFe）及棉线（mcon）质量，将样品压片后精称棉线与苯甲酸片（AR，天津光复科技发展有限公司）的质量，以获得苯甲酸质量（ms）。将苯甲酸片装入氧弹（鹤壁市创新仪器仪表有限公司），旋紧氧弹盖。充氧气至2MPa，检查氧弹的气密性。样品燃烧热的测试是在鹤壁市创新仪器仪表有限公司的DGNLR-6A量热仪中完成。记录初始温度T0及终态温度Tn。取出氧弹后，卸掉压力，量取剩余点火丝质量。依照上述步骤进行四个不同品牌面粉样品热值的测定。

1.2 样品热值的计算

1.2.1 测定温度（18℃）下苯甲酸等容燃燒热的计算

1.2.2 样品燃烧热的计算

2 结果与讨论

2.1 点火丝安装方式的改进

图1为本实验的压片模具的底模（A）、中模（B）及垫片（C）三视图。底模双面均有凹槽，一面较深而另一面较浅。中模顶端为凹面，而垫片中间有一小孔及放置棉线用的浅凹槽。

图2为改进后的点火丝安装方式示意图。具体操作过程如下：

（1）处理垫片：将对折后的点火丝部分穿过垫片，使其一端成为引线孔。把事先量好的约5cm的棉线放入引线孔，使点火丝带线彻底穿过垫片，则棉线穿过垫片的小孔。

（2）放入药品：棉线一端置入垫片的凹槽，将该垫片放入底模较浅凹槽端。将中模置于垫片上，保持中模凹面朝上。将称量好的样品倒入中模并调节此端棉线的高度，准备压片。

（3）压片及取片：调节适当的高度后进行压片，而后将带有样品的中模凹面朝上放在底模深凹槽面，线头则放入底模深凹槽中，将样品片冲出。

（4）安装样品片：将一端已带有样品片的棉线另一端绑于约6cm长的点火丝上，而后将带有样品片的点火丝架在氧弹电极的两端，完成样品的安装。

表1给出了点火丝安装方式改进前后学生的实验效果。从表中可见，埋入式点火丝安装方式成功率仅为76.4%，棉线压入式点火丝安装方式明显有利于样品的引燃，实验成功率最低时亦为86.7%。可见，棉线压入式点火丝安装方式可以使棉线与样品接触较为紧密，同时避免了充氧过程中高压对于样品片及点火丝的冲击。此外由表可见，棉线的品种对棉线压入式点火丝安装方式的实验成功率有较大的影响。采用粗纺棉线对于实验有利，其实验成功率为93.7%，比采用精纺棉线的成功率提高了7%。棉花的燃点为150℃，而经加工的布艺的燃点却增加至300℃左右，因此捻度高而毛羽少的精纺棉线不易被引燃，实验中会产生棉线与点火丝的接触点已断，却未能进一步引燃样品片的现象。endprint

2.2 样品燃烧热的测定

表2给出了苯甲酸在室温为18℃、气压为99.325kPa条件下燃烧热的测定结果。由表可见，未点火前的反应初始平均温度（T1）为25.741℃，点火反应后终态平均温度（T2）为26.973℃。应用公式（1.1）计算出测定体系的平均热当量为6939.1284JK-1，三次测定的相对标准偏差（RSD）为0.0034。

随机选取了四种不同品牌的面粉进行燃烧热测定实验。在处理样品片的过程中发现，面粉易于成形，且对压片机不产生额外污染，易于清理，且燃烧后无任何残留，为完全燃烧状态。

表2给出了四种不同品牌面粉在室温为18℃，气压为99.325kPa的燃烧热测定结果。由表可见，不同品牌的恒容燃烧热值不同。面粉一的平均恒容燃烧热为-10.2576kJ·g-1，RSD为0.0152；面粉二的平均恒容燃烧热为-16.2886kJ·g-1，RSD为0.0649；面粉三的平均恒容燃烧热为-9.2886kJ·g-1，RSD为0.0425；面粉三的平均恒容燃烧热为-16.2886kJ·g-1，RSD为0.0425；面粉四的平均恒容燃烧热为-10.1881kJ·g-1，RSD为0.0054。可见，随机选用四种品牌的燃烧热的实验，符合实验允许的范围。

不同生产厂家的萘与面粉价格分析如图3所示。由图可见，在所调查的厂家中萘最低价格为9.5元/250g（天津市百润国际贸易有限公司），最高价格达22元/250g（山东鱼台县济宁泰诺化工有限公司）。与此相反，面粉的最低价格为1.1元/250g，最高价格也仅为1.8元/250g，与萘的价格相比便宜了近9倍。

3 结束语

改进了燃烧热的测定实验装置并考察四种不同面粉的燃烧热值。结果表明，棉线埋入式的点火丝安装方式实验成功率可达93.7%。粗纺棉线因其捻度低而毛羽多而引燃接触面积较大，是适宜的棉线选择品类。面粉价格低、无污染，测定中成型性较好，燃烧后无任何残留，热值测定与品牌标识偏差较低，符合實验允许的范围，是适宜的“燃烧热的测定”实验的被测物质。

参考文献：

[1]司原昌，粟智.液体燃烧热的测定[J].光谱实验室，2013，30（6）：3240-3245.

[2]曾仁昌，赖焕然，潘湛昌.乙醇燃烧热测定实验的改进[J].化学工程与装备，2010（7）：142-143.

[3]孙文东，陆嘉星.物理化学实验[M].高等教育出版社，2014，48.

[4]谢爱娟，罗士平，纪梁，等.计算机多媒体技术在燃烧热测定中的应用[J].实验科学与技术，2014，12（5）：56-58.

[5]黄成，彭敬东.燃烧热测定实验技术的改进[J].西南师范大学学报（自然科学版），2013，38（5）：169-172.

[6]王心满.几种燃烧热实验压片方法比较与改进[J].辽宁教育学院学报，1996（5）：80.

[7]郭林，聂昌庭.燃烧热测定实验技术的改进[J].大学化学，1988（06）.

[8]张建华，徐常威，郭云萍.改革样品压片模式大幅度提高燃烧热实验的成功率[J].大学化学，2011，26（5）：65-66.

[9]李震.氧弹式量热法测燃烧热实验的改进[J].泰安师专学报，2000，22（3）：80-81.

[10]清华大学化学系物理化学实验编写组.物理化学实验[M].清华大学出版社，1991：25.

[11]赵朴素，宋洁，刘炳华.基于“燃烧热测定”实验谈物化实验教学改革[J].教育教学论坛，2015（51）：252-253.

[12]宋皖英.燃烧热测定实验的一点改进[J].安徽教育学院学报，2004，22（3）：77.endprint