液體飽和蒸氣壓的測(cè)定.doc

7物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教案(王素娜)實(shí)驗(yàn)一 液體飽和蒸氣壓的測(cè)定【目的要求】1. 掌握靜態(tài)法測(cè)定液體飽和蒸氣壓的原理及操作方法。學(xué)會(huì)由圖解法求其平均摩爾氣化熱和正常沸點(diǎn)。2. 了解純液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系、克勞修斯-克拉貝龍(Clausius- Clapeyron)方程式的意義。3 . 了解真空泵、玻璃恒溫水浴，緩沖儲(chǔ)氣罐及精密數(shù)字壓力計(jì)的使用及注意事項(xiàng)。【實(shí)驗(yàn)原理】通常溫度下(距離臨界溫度較遠(yuǎn)時(shí))，純液體與其蒸氣達(dá)平衡時(shí)的蒸氣壓稱(chēng)為該溫度下液體的飽和蒸氣壓，簡(jiǎn)稱(chēng)為蒸氣壓。蒸發(fā)1mol液體所吸收的熱量稱(chēng)為該溫度下液體的摩爾氣化熱。液體的蒸氣壓隨溫度而變化，溫度升高時(shí)，蒸氣壓增大；溫度降低時(shí)，蒸氣壓降低，這主要與分子的動(dòng)能有關(guān)。當(dāng)蒸氣壓等于外界壓力時(shí)，液體便沸騰，此時(shí)的溫度稱(chēng)為沸點(diǎn)，外壓不同時(shí)，液體沸點(diǎn)將相應(yīng)改變，當(dāng)外壓為1atm（101.325kPa）時(shí)，液體的沸點(diǎn)稱(chēng)為該液體的正常沸點(diǎn)。液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系用克勞修斯-克拉貝龍方程式表示： (1) 式中，R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；vapHm為在溫度T時(shí)純液體的摩爾氣化熱。假定vapHm與溫度無(wú)關(guān)，或因溫度范圍較小，vapHm可以近似作為常數(shù)，積分上式，得： (2) 其中C為積分常數(shù)。由此式可以看出，以lnp對(duì)1/T作圖，應(yīng)為一直線，直線的斜率為 ，由斜率可求算液體的vapHm。測(cè)定通常有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法，靜態(tài)法：把待測(cè)物質(zhì)放在一個(gè)封閉體系中，在不同的溫度下，蒸氣壓與外壓相等時(shí)直接測(cè)定外壓；或在不同外壓下測(cè)定液體的沸點(diǎn)。動(dòng)態(tài)法：常用的有飽和氣流法，即通過(guò)一定體積的已被待測(cè)物質(zhì)所飽和的氣流，用某物質(zhì)完全吸收。然后稱(chēng)量吸收物質(zhì)增加的質(zhì)量，求出蒸汽的分壓力即為該物質(zhì)的飽和蒸氣壓。靜態(tài)法測(cè)定液體飽和蒸氣壓，是指在某一溫度下，直接測(cè)量飽和蒸氣壓，此法一般適用于蒸氣壓比較大的液體。靜態(tài)法測(cè)量不同溫度下純液體飽和蒸氣壓，有升溫法和降溫法二種。本次實(shí)驗(yàn)采用升溫法測(cè)定不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓，所用儀器是純液體飽和蒸氣壓測(cè)定裝置，如圖2-3-1所示： 平衡管由A球和U型管B、C組成。平衡管上接一冷凝管，以橡皮管與壓力計(jì)相連。A內(nèi)裝待測(cè)液體，當(dāng)A球的液面上純粹是待測(cè)液體的蒸氣，而B(niǎo)管與C管的液面處于同一水平時(shí)，則表示B管液面上的(即A球液面上的蒸氣壓)與加在C管液面上的外壓相等。此時(shí)，體系氣液兩相平衡的溫度稱(chēng)為液體在此外壓下的沸點(diǎn)?！緝x器試劑】 恒溫水??；平衡管；精密數(shù)字壓力計(jì)；真空泵及緩沖儲(chǔ)氣罐。無(wú)水乙醇(A.R)圖2-3-1 液體飽和蒸氣壓測(cè)定裝置圖1.平衡管；2.攪拌器；3.溫度計(jì)；4.緩沖瓶；5.恒溫水??；6.三通活塞；7.直通活塞；8.精密數(shù)字壓力計(jì)【實(shí)驗(yàn)步驟】1. 裝樣從加樣口注入乙醇，關(guān)閉平衡閥1，打開(kāi)進(jìn)氣閥。啟動(dòng)油泵，抽至氣泡成串上竄，可關(guān)閉進(jìn)氣閥，打開(kāi)平衡閥1漏入空氣，使乙醇充滿(mǎn)試樣球體積的三分之二和U型管雙臂的大部分。2. 檢漏，系統(tǒng)氣密性檢查接通冷凝水，關(guān)閉平衡閥1，打開(kāi)進(jìn)氣閥使真空油泵與緩沖儲(chǔ)氣罐相通。啟動(dòng)油泵，使壓力表讀數(shù)為某一數(shù)值（可60，70kPa左右），關(guān)閉進(jìn)氣閥，停止抽氣，檢查有無(wú)漏氣（看壓力表示數(shù)在35min內(nèi)是否變化），若無(wú)漏氣即可進(jìn)行測(cè)定。（注意：在停止抽氣前，應(yīng)先把真空泵與大氣相通，否則會(huì)造成泵油倒吸，造成事故。）3. 飽和蒸氣壓的測(cè)定調(diào)節(jié)恒溫水浴溫度30，開(kāi)動(dòng)油泵緩緩抽氣，使試樣球與U型管之間空間內(nèi)的空氣呈氣泡狀通過(guò)U型管中的液體而逸出。如發(fā)現(xiàn)氣泡成串上竄，可關(guān)閉進(jìn)氣閥，緩緩打開(kāi)平衡閥1漏入空氣使沸騰緩和。如此慢沸35min，可認(rèn)為試樣球中的空氣排除干凈，關(guān)閉平衡閥2。小心開(kāi)啟平衡閥1緩緩漏入空氣，直至U型管兩臂的液面等高為止，在壓力表上讀出壓力值。調(diào)節(jié)恒溫水浴溫度33，小心開(kāi)啟平衡閥1緩緩漏入空氣，直至U型管兩臂的液面等高為止，在壓力表上讀出壓力值。依次測(cè)定36，39，42，45，48，51時(shí)乙醇的蒸汽壓。測(cè)定過(guò)程中如不慎使空氣倒灌入試樣球，則需重新抽真空后方可繼續(xù)測(cè)定。如升溫過(guò)程中U型管內(nèi)液體發(fā)生暴沸，可開(kāi)啟平衡閥1漏入少量空氣，以防止管內(nèi)液體大量揮發(fā)而影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，慢慢打開(kāi)進(jìn)氣閥，使壓力表恢復(fù)零位。關(guān)閉冷卻水，關(guān)閉壓力表、恒溫控制儀、恒溫水浴電源，并拔下電源插頭。附緩沖儲(chǔ)氣罐的使用說(shuō)明：1安裝： 用橡膠管或塑料管分別將進(jìn)氣閥與氣泵、裝置l接口，裝置2接口與數(shù)字壓力表連接。安裝時(shí)應(yīng)注意連接管插入接口的深度要15mm，并扣緊，否則會(huì)影響氣密性。2首次使用或長(zhǎng)期未使用而重新啟用時(shí)，應(yīng)先作整體氣密性檢查 (1)將進(jìn)氣閥、平衡閥2打開(kāi)，平衡閥1關(guān)閉(二閥均為順時(shí)針關(guān)閉，逆時(shí)針開(kāi)啟)。啟動(dòng)油泵加壓（或抽氣）至100KPa200KPa，數(shù)字壓力表的顯示值即為壓力罐中的壓力值。 (2)關(guān)閉進(jìn)氣閥，停止抽氣，檢查平衡閥2是否開(kāi)啟，平衡閥l是否完全關(guān)閉。觀察數(shù)字壓力表，若顯示數(shù)字降值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(小于0.01Kpa秒)，說(shuō)明整體氣密性良好。否則需查找并清除漏氣原因直至合格。(3)再作微調(diào)部分的氣密性檢查：關(guān)閉平衡閥1，開(kāi)啟平衡閥2調(diào)整微調(diào)部分的壓力，使之低于壓力罐中壓力的1/2，觀察數(shù)字壓力表，其變化值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(小于0.01Kpa4秒)，說(shuō)明氣密性良好。若壓力值上升超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明平衡閥2泄漏；若壓力值降超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明平衡閥1泄漏。3與被測(cè)系統(tǒng)連接進(jìn)行測(cè)試：(1)用橡膠管將裝置2接口與被測(cè)系統(tǒng)連接、裝置1接口與數(shù)寧壓力計(jì)連接。打開(kāi)進(jìn)氣閥與平衡閥2，關(guān)閉平衡閥1，啟動(dòng)氣泵，加壓(或抽氣)，從數(shù)字壓力計(jì)即可讀出壓力罐中的壓力值。(2)測(cè)試過(guò)程中需調(diào)整壓力值時(shí)，使壓力表顯示的壓力略高于所需壓力值，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥，停止氣泵工作，關(guān)閉平衡閥2，調(diào)節(jié)平衡閥1使壓力值至所需值。采用此方法可得到所需的不同壓力值。4測(cè)試完畢，打開(kāi)進(jìn)氣閥、平衡閥均可釋放儲(chǔ)氣管中的壓力，使系統(tǒng)處于常壓下備用。5操作注意事項(xiàng)閥的開(kāi)啟不能用力過(guò)強(qiáng)，以防損壞影響氣密性。由于閥的閥芯未設(shè)防脫裝置，關(guān)閉閥門(mén)時(shí)嚴(yán)禁將閥上閥體旋至脫離狀態(tài)，以免閥在壓力下造成安全事故。維修閥必須先將壓力罐的壓力釋放后，再進(jìn)行拆卸。連接各接口時(shí)，用力要適度，避免造成人為的損壞。壓力罐的壓力使用范圍為-100KPa250Kpa，為了保證安全，加壓時(shí)不能超出此范圍。使用過(guò)程中調(diào)節(jié)平衡閥1、平衡閥2時(shí)壓力表所示的壓力值有時(shí)跳動(dòng)屬正常現(xiàn)象，待壓力穩(wěn)定后方可作實(shí)驗(yàn)?！咀⒁馐马?xiàng)】 減壓系統(tǒng)不能漏氣，否則抽氣時(shí)達(dá)不到本實(shí)驗(yàn)要求的真空度。 抽氣速度要合適，必須防止平衡管內(nèi)液體沸騰過(guò)劇，致使B管內(nèi)液體快速蒸發(fā)。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，必須充分排除凈AB彎管空間中全部空氣，使B管液面上空只含液體的蒸氣分子。AB管必須放置于恒溫水浴中的水面以下，否則其溫度與水浴溫度不同。 測(cè)定中，打開(kāi)進(jìn)空氣活塞時(shí)，切不可太快，以免空氣倒灌入AB彎管的空間中。如果發(fā)生倒灌，則必須重新排除空氣。 在停止抽氣前，應(yīng)先把真空泵與大氣相通，否則會(huì)造成泵油倒吸，造成事故。 平衡閥2容易出現(xiàn)問(wèn)題，一直保持打開(kāi)狀態(tài)，不用再調(diào)節(jié)。思 考 題1. 試分析引起本實(shí)驗(yàn)誤差的因素有哪些？答：空氣排除不干凈；溫度的波動(dòng)；不能絕對(duì)調(diào)平。2. 為什么AB彎管中的空氣要排干凈？怎樣操作？怎樣防止空氣倒灌？答：為了保證A球上方全是乙醇的蒸氣，測(cè)定的是乙醇的飽和蒸汽壓，所以AB彎管中的空氣要排干凈。開(kāi)動(dòng)油泵抽氣，使試樣球與U型管之間空間內(nèi)的空氣呈氣泡狀通過(guò)U型管中的液體而逸出，沸騰后慢沸35min，可認(rèn)為試樣球中的空氣排除干凈。測(cè)定中，打開(kāi)進(jìn)空氣活塞時(shí)，切不可太快，以防止空氣倒灌。3. 本實(shí)驗(yàn)方法能否用于測(cè)定溶液的飽和蒸汽壓？為什么？答：分情況，測(cè)定過(guò)程中溶液的濃度會(huì)發(fā)生變化的不能測(cè)，但是對(duì)于難溶物的飽和溶液或者恒沸物例外可以測(cè)定。4. 試說(shuō)明壓力計(jì)中所讀數(shù)值是否是純液體的飽和蒸氣壓？答：不是，實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)的大氣壓對(duì)于壓力計(jì)來(lái)說(shuō)為零，所以壓力計(jì)中所讀數(shù)值為大氣壓與該溫度下的飽和蒸汽壓之差。5. 為什么實(shí)驗(yàn)完畢后必須使體系和真空泵與大氣相通才能關(guān)閉真空泵？答：在停止抽氣前，應(yīng)先把真空泵與大氣相通，否則會(huì)造成泵油倒吸，造成事故。【討論】降溫法測(cè)定不同溫度下純水的飽和蒸氣壓 接通冷凝水，調(diào)節(jié)三通活塞使系統(tǒng)降壓13kPa(約100mm汞柱)，加熱水浴至沸騰，此時(shí)A管中的水部分氣化，水蒸氣夾帶AB彎管內(nèi)的空氣一起從C管液面逸出，繼續(xù)維持10min以上，以保證徹底驅(qū)盡AB彎管內(nèi)的空氣。停止加熱，控制水浴冷卻速度在1/min內(nèi)，此時(shí)液體的蒸氣壓(即B管上空的壓力)隨溫度下降而逐漸降低，待降至與C管的壓力相等時(shí)，則B、C兩管液面應(yīng)平齊，立即記下此瞬間的溫度（精確至1/100攝氏度）和壓力計(jì)之壓力，同時(shí)讀取輔助溫度計(jì)的溫度值和露莖溫度，以備對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行校