改革樣品壓片模式大幅度提高燃燒熱實驗的成功率

張建華 徐常威 郭云萍

(廣州大學化學化工學院實驗教學中心 廣東廣州 510006)

燃燒熱測定是物理化學中熱力學的一個基礎實驗。現大部分大學實驗室所用的燃燒熱測定設備是氧彈量熱計，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和量熱計有關附件的溫度升高，測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]，但點火時容易失敗。為了保證點火成功，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[5]等方法。這些改進可以提高點火成功率，但其中有些改進容易引進其他影響因素，而另一些改進操作比較麻煩。引燃金屬絲壓在樣品中間時，壓片的松緊程度必須控制好，太緊,樣品片不易燃燒；太松，樣品片在點火時容易濺射。本文的改進方式是先壓片后捆綁，點火成功率高，而且不用考慮壓片松緊程度。

1 壓片設計

粗稱1g苯甲酸(或0.6g萘)，仔細研磨成細小粉末后，將粉末直接放于壓片機中壓成直徑為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，取一條長約15cm的引燃金屬絲，準確稱重并量長度。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，既不會從金屬絲中間滑落也不會導致金屬絲點火而樣品卻未燃燒的現象。然后準確稱重，樣品質量為捆綁后總質量與金屬絲質量之差。

圖1 引燃金屬絲捆扎樣品片示意圖

2 樣品裝進氧彈

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，必要時可剪下多余金屬絲，在實驗結束后與末燃盡金屬絲合并準確稱重和量長度)。合上氧彈蓋并擰緊。接上氧氣瓶導管并擰緊(圖2)。打開氧氣瓶總閥門，旋緊調壓閥門，充氣至約1.2MPa，充氣3min，放松調壓閥門，取下氧彈。用少量水在氧彈充氣口檢查，以確保不漏氣，并用萬用電表檢查兩電極是否導通。

圖2 樣品裝進氧彈并合上氧彈蓋后的剖面圖

3 點火及測量溫度

用容量瓶準確量取自來水3000mL，小心倒入固定在絕熱支柱上的內筒。將氧彈放入內筒中間，開動攪拌器，插上點火電極導線。將溫度計探頭插入內筒水中，蓋好蓋子。溫度穩定后(約需2min)，測內筒水溫。每1min 測溫1次，共測10次。10min后點火。點火后每15s測溫1次，直到兩次讀數差小于0.05℃。然后1min測溫1次直到兩次讀數差小于0.005℃。如果開始加入內筒的水溫不低于室溫1.5℃，那么溫度曲線應有最高點，應讀出最高點后再1min測溫1次，測10次。停止實驗。取出氧彈，放掉余氣，打開彈蓋，取出未燃盡的金屬絲，準確稱重和量長度。因為未燃盡的金屬絲會部分氧化，只稱重，容易出現剩下金屬絲的質量大于引燃前的金屬絲質量的現象，這種情況下應用長度扣除法得出燃燒的金屬絲質量。

4 結果分析

可根據樣品質量粗略估算升高的溫度并判斷點火是否成功。如果溫度升高數值在合理范圍(升高溫度在1.5℃附近)，可認為點火成功。用先壓片后捆綁模式制得樣品片的點火成功率高。參與實驗學生為79人，點火成功者為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重，充進氧彈的氧氣雖然最初壓力夠大，但由于在實驗過程中漏掉一部分，實驗結束后發現溫度升高數值遠低于理論值；1人是插入點火電極后再開攪拌器，開啟攪拌器所產生的電脈沖點燃樣品，但記錄數據是在后面步驟進行，導致雖然點火成功但記錄的是錯誤數據；1人是未將引燃金屬絲與樣品片捆扎緊，導致樣品從金屬絲中間脫落，雖然金屬絲點火了，而樣品卻未燃燒。這個改進的優點在于控制條件不苛刻。李恩博根據引燃絲特性控制點火電流強度，將傳統的直燃式點火方式改進為助燃式點火方式，雖然成功率可以提高到95%，但需要控制點火電流強度，不容易控制，而且需增加苯甲酸與萘的使用量，使得耗氧量及相應氧壓增高，對設備的要求較高[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火成功率理論可達100%，可從如下兩方面改進。

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

(2)兩個點火電極插入氧彈之前應打開攪拌器。如果插入點火電極后再開攪拌器，會因為開啟攪拌器所產生的電脈沖點燃樣品，導致雖然點火成功但記錄數據卻有誤。

參 考 文 獻

[1] 孫爾康,張劍榮.物理化學實驗.南京:南京大學出版社,2009

[2] 李森蘭,杜巧云,王保玉.大學化學,2001,16(1):51

[3] 張建策,毛力新.化工技術與開發,2005,34(6):43

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

[5] 藍庭釗,曾平.江師范學院學報,2002,17(4):70

[6] 李恩博.河北北方學院學報(自然科學版),2009,25(1):32