化学反应热测定仪的研制及实验影响因素探讨

尹常杰， 郑 虹， 张秋禹， 尹德忠

（西北工业大学化学与化工学院，西安 710072）

不同物质具有不同的化学键，能量不同，所以在化学反应中反应物的总能量不同于产物的总能量。因此，测定化学反应吸收或放出的热量对利用能源、了解化学反应规律和制定化工工艺操作条件具有十分重要的意义。很多高校都开展了此实验，许多学者也对该实验内容进行了改革或改进，包括教学方法改革［1］、数据处理改进［2-4］和实验装置改进［5-7］。近年来，随着实验课程改革的进行，各高校开始根据自身开设实验特点，通过自制实验仪器来解决实际问题，从而满足教学的需要［8-16］。但是，通过自制实验设备测定化学反应热的报道较少。本研究自行设计、制作、组装了基于“传感器与检测综合实验平台”“嵌入式实验平台”的新型化学反应热测定仪。该仪器具有操作简单、自动化程度高和测试结果准确等特点，进一步降低了设备的复杂程度与成本，提升了设备测量精度。

1.1 仪器与试剂

仪器：化学反应热测定仪（自制）、分析天平、烧杯、量筒、玻璃棒、药匙、称量纸、容量瓶、移液管、洗耳球。

试剂：锌粉、硫酸铜溶液（精确标定）。

1.2 化学反应热测量

打开仪器盖，取出特制玻璃坩埚，洗净并用吸水纸擦干。用硫酸铜溶液润洗移液管3次，准确吸取100mL硫酸铜溶液于玻璃坩埚中，加入磁子。将玻璃坩埚放入仪器中，盖上盖子。打开磁力搅拌器，等待示数稳定并记录，此时的温度即为初始温度。将锌粉加入冲压加料口中，组装冲压装置。最后，打开冲压装置和计时器，每隔15 s记录一个对应温度。当温度升到最高点时，记录对应温度和时间。

1.3 数据处理

基于能量守恒定律，通过测定反应前后反应体系温度的变化求得锌粉和硫酸铜溶液的反应热。其计算公式为

其中：ΔrHm为反应热；
ΔT为反应前后温度的变化值；
cs为溶液比热容，取4.18 J/（g·K）；
ρs为溶液密度，取1.03 g/mL；
Vs为溶液体积；
cCuSO4为硫酸铜溶液的摩尔浓度，需精确标定；
c仪为仪器的比热容，通过加入利用一定量的冷水和热水在量热计中混合［2］，根据能量守恒定律，热水放出热量等于冷水吸收的热量和量热计吸收的热量之和，得到的值为20.5 J/K。因此，只要已知各溶液的摩尔浓度，测定反应前后温差，即可求出反应热效应。

2.1 自制仪器工作原理

化学反应热测定仪主要包括加料设备、反应场所和显示控制系统3部分，其示意图如图1所示。该化学反应热测定仪主要用于锌粉和硫酸铜反应热的测定。实验过程中，加料的精准和反应场所保温是关键。

图1 化学反应热测定仪示意图

反应热测定仪的自制从反应场所开始，反应场所由外筒保温层和内筒反应杯组成，外筒保温层用聚四氟乙烯材料，内筒反应杯用双层真空玻璃杯，从而防止热量的损失。反应开始前，将硫酸铜溶液加入到真空玻璃杯中，放入磁子，插入温度传感器。

加入锌粉过程，图2是加锌粉设备建模图，装料孔在装锌粉前，利用小磁铁吸住活页门从而封住装料孔。冲压装置提供冲击力，从而推动推杆向下冲击。实验开始前，将已精确称重的锌粉加入到装料孔中，由于锌粉容易附着在加料管壁，从而影响实验结果的重复性，因此，该仪器采用加料设备进行冲压加料。开启加料设备后，推杆就自动往下快速冲击，冲开活页门，将锌粉一次性全部加入到反应场所中，反应开始进行并放热。该加料装置解决了间歇开盖加料、加料口堵塞、不易拆卸清洗等问题。由于采用模块化设计，整体装置容易拆卸，因此便于使用者清理加料口，确保每次都可以定量加入锌粉，进一步提高了实验结果可重复性。

图2 加锌粉设备建模图

显示控制系统由温度显示、计时器、计数器、搅拌控制等组成。温度显示可以显示反应放热导致的温度变化；
计数器可以用来记录温度数据的次数；
计时器可以用来设定记录温度数据的时间间隔。

2.2 自制仪器的组装

仪器主体分为上下两部分：上半部分为加料和反应部分；
下半部分是计时、计数、温度和搅拌显示控制部分。该实验仪器使用了伊莱科直流推拉式EML-1564B长行程强力工业吸合器进行冲压加锌粉，设置了一个插入式模块温度传感器Pt100用于温度测量并通过数据采集器面板进行反应温度测量。

图3是仪器的上部分图，外面是聚四氟乙烯材质的保温筒，保温筒内部是真空玻璃保温杯，该部分是锌粉与硫酸铜溶液反应的主要场所。保温筒正下方是控制箱，控制箱内部装有磁力搅拌控制器、温度数据采集器、计数器、计时器、电源开关和加料设备开关。

图3 保温筒和真空玻璃保温杯

将搅拌、测温、计时、计数、反应场所组装到一个装置上，如图4所示。

图4 化学反应热测定实验仪器

测温探头通过仪器盖上的测温孔插入到玻璃坩埚中测温，测温孔由橡胶套密封，同时仪器可以清楚显示测温计所测得的温度。锌粉加入后，可以立刻扭动右下的计时旋钮开始计时。计数器可提前设置计时间隔，设置时间间隔15 s，则计时开始后每隔15 s计数器会计数一次，同时清空计时重新开始。计时器显示计时时间。仪器正中间的屏幕可以调节磁子搅拌的相关参数，如每分钟旋转次数。仪器电源开关在左下角，使用前打开，结束后关闭并断开电源。

3.1 硫酸铜溶液浓度的影响

从图5可以看出，随着硫酸铜溶液浓度的增加，相对误差先减小后增加，当硫酸铜溶液浓度为0.01 mol/L，此时实验得到的化学反应热的相对误差最小。这是因为溶液浓度越小，化学反应完成的时间就越短，一方面减少了化学反应热和空气之间传热的时间；
另一方面，较短时间完成化学反应热的测定，更加符合化学反应热测定的原理。但是，当浓度较低时，化学反应热放出的热量太少，很少的热量散失就能引起较大误差。

图5 硫酸铜浓度对反应热测定的影响

3.2 锌粉加入质量的影响

从图6可以看出，随着锌粉加入量的增加，测定的化学反应热的相对误差先减少后增加，当锌粉加入量为4 g时，此时相对误差最小。这是因为随着锌粉加入质量的增加，锌和硫酸铜两相碰撞的几率就会增加，化学反应速率就越快，从而更加有利于反应热的测定。但是，当锌粉加入质量较大时，具有良好导热性的锌粉就会吸收大量的化学反应热，从而引起较大的实验误差。

图6 锌粉加入质量对反应热测定的影响

3.3 磁力搅拌速度的影响

从图7可以看出，随着搅拌速度的增加，测定的化学反应热的相对误差逐渐减少，当转速达到1000r/min时，此时相对误差较小，进一步增加转速，化学反应热测定的相对误差趋向稳定。这是因为锌粉和硫酸铜溶液反应是在两相界面之间进行，通过观察反应后的产物发现，当转速较低时，硫酸铜溶液和锌粉反应置换出来的铜容易附着在锌粉表面，从而阻止反应的进一步进行（见图7（a））；
在搅拌速度较大时，反应进行比较完全（见图7（b）），相对误差就较小。

图7 磁力搅拌速度对反应热测定的影响

3.4 研制仪器的精密度

为了测试仪器的精密度，在最佳实验条件下开展了5次实验，结果见表1。从表中可以看出，5次实验的相对误差都在2%之内，标准偏差为2.15，从标准偏差可以看出，新型化学反应热测定仪结果重现性好，该实验装置完全满足普通化学实验教学要求。

表1 反应热的测定值和标准偏差

（1）自制的新型化学反应热测定仪：带有磁力搅拌的玻璃坩埚装硫酸铜溶液；
冲压式加料设备用于加入锌粉；
计时模块、测温模块同步开始计时、测温，通过测定温度差，最后计算得到其化学反应热；

（2）化学反应热测定仪的精密度（标准偏差）为S=2.15，实验相对误差为0.49%（与理论值218.6 kJ/mol比较）。表明该仪器性能稳定，重现性好，相对误差符合本科基础化学教学基本要求；

（3）当仪器搅拌速度为1000 r/min，硫酸铜浓度为0.10 mol/L，锌粉质量为4 g，可得到较为准确的反应热数值。