劉春麗，王文，趙雪英，羅海南

(棗莊學(xué)院 化學(xué)與化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)對于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神至關(guān)重要.燃燒熱的測定是《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程中的一個重要實(shí)驗(yàn)，教科書上一般都是測蔗糖或萘等有機(jī)物的燃燒熱.我們結(jié)合學(xué)校所在地棗莊市大力發(fā)展煤化工這一地方特色，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，讓學(xué)生嘗試測定不同煤樣的燃燒熱，比較單位質(zhì)量不同煤樣燃燒熱的大小.氯是煤中常見的有害元素之一，通過對煤樣燃燒后的產(chǎn)物分析，測定煤樣中氯離子的含量，把兩個實(shí)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合起來，從而對煤的品質(zhì)作出一定的評價.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑

煤樣2份(無煙煤、煙煤)，苯甲酸(AR，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)，KCl(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，KNO3(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，所用水為二蒸餾次水.

1.2 儀器及測量

1.2.1 燃燒熱的測定

燃燒熱在氧彈式量熱計(jì)(南京桑力電子設(shè)備廠)上測量.準(zhǔn)確稱量使用ADVENTURER AR124CN型電子天平，稱量誤差為±0.1 mg.

實(shí)驗(yàn)中首先通過已知燃燒熱的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸測定水當(dāng)量，將樣品壓片，裝入氧彈中(氧彈中提前裝入10 mL二次水)，將氧彈放入內(nèi)筒內(nèi)，用量筒取2500mL蒸餾水倒入內(nèi)筒中，水面蓋過氧彈.把點(diǎn)火電極插頭插在氧彈的兩電極上，將溫差測量儀探頭插入水中，開動攪拌馬達(dá)，具體的操作方法見文獻(xiàn)[1].打開燃燒熱測定軟件，待溫度讀數(shù)穩(wěn)定后，點(diǎn)擊開始繪圖，當(dāng)雷諾曲線穩(wěn)定后，開啟“點(diǎn)火”按鈕，若溫度明顯升高時，說明點(diǎn)火成功，此時再松開點(diǎn)火按鈕.當(dāng)雷諾曲線上溫度顯示基本不變時，停止繪圖.對雷諾曲線進(jìn)行校正，并把燃燒掉的燃燒絲的長度輸入，計(jì)算水當(dāng)量.對于不同樣品，只要每次的水量相同，水當(dāng)量就為定值.然后用測定水當(dāng)量相同的方法測定每份煤樣的燃燒熱，考慮到煤樣與純物質(zhì)不同，沒有固定的分子質(zhì)量，因此根據(jù)氧彈計(jì)中的溫度變化和水當(dāng)量的值計(jì)算煤樣的燃燒熱.

1.2.2 氯離子含量的測定

氯離子含量采用氯離子選擇性電極法進(jìn)行測量.氯離子選擇性電極(PCL-1Q9型，上海羅素科技有限公司)，參比電極為飽和甘汞電極(217型，上海羅素科技有限公司)，電動勢用PHS-2F型精密PH計(jì)(上海虹益儀器儀表有限公司)進(jìn)行測量，待測樣品用JB-2型恒溫磁力攪拌器(上海雷磁新涇儀器有限公司)攪拌.

搖動上述氧彈，把燃燒可能產(chǎn)生的氯化氫氣體充分溶解，然后加入20 mL 0.1 mol·L-1KNO3溶液，浸泡燃燒后的殘?jiān)?，取上層清液作為待測溶液.用0.1 mol·L-1KNO3溶液稀釋0.1mol·L-1KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液，得到系列KCl-KNO3溶液.待氯離子選擇性電極活化完成后，參照文獻(xiàn)[2]測定工作曲線，并測定待測溶液的電動勢，從工作曲線上得到煤樣中氯離子的含量.

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)在絕熱容器中進(jìn)行，燃燒放出的熱量被水吸收，從而使水的溫度發(fā)生變化，通過測定溫度的變化得到燃燒熱，見(1)式.

QV=-KΔT

(1)

(1)式中的K通過測定水當(dāng)量求出.水當(dāng)量即樣品燃燒放熱使量熱計(jì)每升高1K所需的熱量.實(shí)驗(yàn)測得的水當(dāng)量的平均值為：13616.3J·g-1，燃燒熱的值見表1.

表1 煤的燃燒熱

從表1可以看出，無煙煤的燃燒熱明顯比煙煤高.

煤中氯含量的測定方法很多，可采用中子活化法，X- ray 熒光法，掃描電鏡，電位滴定和X衍射直接對固相進(jìn)行測定[3].GB/T3558-1996《煤中氯的測定方法》中采用艾氏卡分解-伏爾哈特沉淀滴定法和高溫燃燒-水解電位滴定法測煤中Cl-含量.本文采用的氯離子選擇性電極法是實(shí)驗(yàn)室中常用的測定氯離子含量的一種方法，當(dāng)氯離子濃度在10-1～10-5mol·L范圍內(nèi)，電池電動勢與氯離子活度的對數(shù)成線性關(guān)系：

(2)

只要固定離子強(qiáng)度，測出不同cCl-值時的電動勢E，做lncCl--E工作曲線，從圖中可求出待測溶液的Cl-濃度.不同濃度KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的電動勢見表2，工作曲線見圖1，工作曲線方程為：lnc=-0.0427E-0.6716，R2=0.995.

表2 293K KCl標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度及電動勢

圖1 lncCl--E工作曲線

測定每份煤樣殘?jiān)芤旱碾妱?，從工作曲線上得到煤樣中氯離子的濃度，從而計(jì)算煤中氯離子的含量，結(jié)果見表3.

表3 煤中氯離子含量

從表3可見，兩種煤樣的氯離子含量都較低，煙煤的氯離子含量略高.

本文通過對傳統(tǒng)的燃燒熱測定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，對燃燒后的產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步分析，設(shè)計(jì)形成一個綜合實(shí)驗(yàn).通過煤的燃燒熱和氯離子含量的測定，對煤質(zhì)做一個近似的評定，讓學(xué)生體會到實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用相聯(lián)系，同時測定結(jié)果，可為礦區(qū)或企業(yè)制定煤炭加工利用規(guī)劃、煤質(zhì)管理等提供依據(jù).

[1]張洪林,杜敏,魏西蓮. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].青島:中國海洋大學(xué)出版社,2009:27-30.

[2]山東大學(xué)等校合編. 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].濟(jì)南:山東大學(xué)出版社,1999:144-146.

[3]陳欣娟. 煤中氯的測定及賦存形態(tài)探討[J]. 陜西煤炭, 2003,(1):35-36.