張建華 徐常威 郭云萍

(廣州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 廣東廣州 510006)

燃燒熱測(cè)定是物理化學(xué)中熱力學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)大部分大學(xué)實(shí)驗(yàn)室所用的燃燒熱測(cè)定設(shè)備是氧彈量熱計(jì)，其基本原理是能量守恒定律。樣品完全燃燒后所釋放的能量使氧彈及周圍的介質(zhì)和量熱計(jì)有關(guān)附件的溫度升高，測(cè)量燃燒前后體系溫度的變化值，可求算該樣品的恒容燃燒熱。測(cè)定樣品的恒容燃燒熱需要樣品壓片，把引燃金屬絲壓在樣品中間[1]，但點(diǎn)火時(shí)容易失敗。為了保證點(diǎn)火成功，人們想出了很多辦法，如將壓入樣品片中的引燃金屬絲做成螺旋狀[2]和V字型[3]等不同形狀，或在引燃金屬絲上纏繞脫酯棉線[4]以及用少量棉紗將樣品片與引燃金屬絲包裹起來(lái)[5]等方法。這些改進(jìn)可以提高點(diǎn)火成功率，但其中有些改進(jìn)容易引進(jìn)其他影響因素，而另一些改進(jìn)操作比較麻煩。引燃金屬絲壓在樣品中間時(shí)，壓片的松緊程度必須控制好，太緊,樣品片不易燃燒；太松，樣品片在點(diǎn)火時(shí)容易濺射。本文的改進(jìn)方式是先壓片后捆綁，點(diǎn)火成功率高，而且不用考慮壓片松緊程度。

1 壓片設(shè)計(jì)

粗稱1g苯甲酸(或0.6g萘)，仔細(xì)研磨成細(xì)小粉末后，將粉末直接放于壓片機(jī)中壓成直徑為1.2cm左右并厚度適中的圓片狀樣品。用小刀在樣品片中間刻一深度合適的小凹槽，取一條長(zhǎng)約15cm的引燃金屬絲，準(zhǔn)確稱重并量長(zhǎng)度。用稱重后的引燃金屬絲沿小凹槽將樣品片捆扎好(圖1)，以使樣品固定，既不會(huì)從金屬絲中間滑落也不會(huì)導(dǎo)致金屬絲點(diǎn)火而樣品卻未燃燒的現(xiàn)象。然后準(zhǔn)確稱重，樣品質(zhì)量為捆綁后總質(zhì)量與金屬絲質(zhì)量之差。

圖1 引燃金屬絲捆扎樣品片示意圖

2 樣品裝進(jìn)氧彈

將捆綁樣品片的引燃金屬絲兩端固定在氧彈蓋的兩電極上(引燃金屬絲不能觸及坩堝和彈壁，必要時(shí)可剪下多余金屬絲，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后與末燃盡金屬絲合并準(zhǔn)確稱重和量長(zhǎng)度)。合上氧彈蓋并擰緊。接上氧氣瓶導(dǎo)管并擰緊(圖2)。打開(kāi)氧氣瓶總閥門，旋緊調(diào)壓閥門，充氣至約1.2MPa，充氣3min，放松調(diào)壓閥門，取下氧彈。用少量水在氧彈充氣口檢查，以確保不漏氣，并用萬(wàn)用電表檢查兩電極是否導(dǎo)通。

圖2 樣品裝進(jìn)氧彈并合上氧彈蓋后的剖面圖

3 點(diǎn)火及測(cè)量溫度

用容量瓶準(zhǔn)確量取自來(lái)水3000mL，小心倒入固定在絕熱支柱上的內(nèi)筒。將氧彈放入內(nèi)筒中間，開(kāi)動(dòng)攪拌器，插上點(diǎn)火電極導(dǎo)線。將溫度計(jì)探頭插入內(nèi)筒水中，蓋好蓋子。溫度穩(wěn)定后(約需2min)，測(cè)內(nèi)筒水溫。每1min 測(cè)溫1次，共測(cè)10次。10min后點(diǎn)火。點(diǎn)火后每15s測(cè)溫1次，直到兩次讀數(shù)差小于0.05℃。然后1min測(cè)溫1次直到兩次讀數(shù)差小于0.005℃。如果開(kāi)始加入內(nèi)筒的水溫不低于室溫1.5℃，那么溫度曲線應(yīng)有最高點(diǎn)，應(yīng)讀出最高點(diǎn)后再1min測(cè)溫1次，測(cè)10次。停止實(shí)驗(yàn)。取出氧彈，放掉余氣，打開(kāi)彈蓋，取出未燃盡的金屬絲，準(zhǔn)確稱重和量長(zhǎng)度。因?yàn)槲慈急M的金屬絲會(huì)部分氧化，只稱重，容易出現(xiàn)剩下金屬絲的質(zhì)量大于引燃前的金屬絲質(zhì)量的現(xiàn)象，這種情況下應(yīng)用長(zhǎng)度扣除法得出燃燒的金屬絲質(zhì)量。

4 結(jié)果分析

可根據(jù)樣品質(zhì)量粗略估算升高的溫度并判斷點(diǎn)火是否成功。如果溫度升高數(shù)值在合理范圍(升高溫度在1.5℃附近)，可認(rèn)為點(diǎn)火成功。用先壓片后捆綁模式制得樣品片的點(diǎn)火成功率高。參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生為79人，點(diǎn)火成功者為76人，成功率為96%。3人不成功的原因如下：1人的氧彈由于漏氣嚴(yán)重，充進(jìn)氧彈的氧氣雖然最初壓力夠大，但由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中漏掉一部分，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)溫度升高數(shù)值遠(yuǎn)低于理論值；1人是插入點(diǎn)火電極后再開(kāi)攪拌器，開(kāi)啟攪拌器所產(chǎn)生的電脈沖點(diǎn)燃樣品，但記錄數(shù)據(jù)是在后面步驟進(jìn)行，導(dǎo)致雖然點(diǎn)火成功但記錄的是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；1人是未將引燃金屬絲與樣品片捆扎緊，導(dǎo)致樣品從金屬絲中間脫落，雖然金屬絲點(diǎn)火了，而樣品卻未燃燒。這個(gè)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于控制條件不苛刻。李恩博根據(jù)引燃絲特性控制點(diǎn)火電流強(qiáng)度，將傳統(tǒng)的直燃式點(diǎn)火方式改進(jìn)為助燃式點(diǎn)火方式，雖然成功率可以提高到95%，但需要控制點(diǎn)火電流強(qiáng)度，不容易控制，而且需增加苯甲酸與萘的使用量，使得耗氧量及相應(yīng)氧壓增高，對(duì)設(shè)備的要求較高[6]。如果排除誤操作，用本文介紹的以先壓片后捆綁模式制得樣品片的點(diǎn)火成功率理論可達(dá)100%，可從如下兩方面改進(jìn)。

(1)確保1.2MPa氧氣充入氧彈中。為確保氧氣充入，氧氣瓶導(dǎo)氣管與氧彈之間需使用橡膠(中間有孔)密封圈。旋緊連接螺帽時(shí)用手旋緊即可，如用扳手則可能由于過(guò)度用力，導(dǎo)致橡膠密封圈變形，氧氣不能從密封圈中間孔充入。

(2)兩個(gè)點(diǎn)火電極插入氧彈之前應(yīng)打開(kāi)攪拌器。如果插入點(diǎn)火電極后再開(kāi)攪拌器，會(huì)因?yàn)殚_(kāi)啟攪拌器所產(chǎn)生的電脈沖點(diǎn)燃樣品，導(dǎo)致雖然點(diǎn)火成功但記錄數(shù)據(jù)卻有誤。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫爾康,張劍榮.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).南京:南京大學(xué)出版社,2009

[2] 李森蘭,杜巧云,王保玉.大學(xué)化學(xué),2001,16(1):51

[3] 張建策,毛力新.化工技術(shù)與開(kāi)發(fā),2005,34(6):43

[4] 浙江大學(xué)普通化學(xué)教研組.普通化學(xué).第4版.北京:高等教育出版社,1996

[5] 藍(lán)庭釗,曾平.江師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,17(4):70

[6] 李恩博.河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,25(1):32