實(shí)驗(yàn)五液體飽和蒸氣壓的測(cè)定.

1、實(shí)驗(yàn)五液體飽和蒸氣壓的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握純液體飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系；2熟悉用克勞修斯-克拉貝龍方程計(jì)算摩爾汽化熱；3 掌握測(cè)定液體飽和蒸氣壓的方法。二、基本原理純液體的飽和蒸氣壓是指在一定溫度下，氣-液兩相平衡時(shí)蒸氣的壓力。處于一定溫度下的純液體，其中動(dòng)能較大的分子，要不斷地從液體表面逸出變成 蒸氣，此過(guò)程稱(chēng)為蒸發(fā)；與此同時(shí)，也會(huì)有蒸氣分子回到液體中，此過(guò)程稱(chēng)為凝 聚。當(dāng)蒸發(fā)與凝聚的速率相等時(shí)，就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)的蒸氣壓力就是該溫 度下液體的飽和蒸氣壓。溫度越高，能逸出液面的分子數(shù)越多，因此，達(dá)到動(dòng)態(tài) 平衡時(shí)，液面上的飽和蒸氣壓就越高。當(dāng)液體的飽和蒸氣壓與外界壓力相等時(shí)， 液體便沸騰

2、，此時(shí)的溫度成為液體的沸點(diǎn)。液體的沸點(diǎn)隨外壓的變化而變化，若 外壓為標(biāo)準(zhǔn)壓力(通常取101325 Pa，則液體沸點(diǎn)就稱(chēng)為正常沸點(diǎn)。蒸發(fā)一摩爾液體所需要吸收的熱量，即為該溫度下該液體的摩爾汽化熱(焓)從熱力學(xué)的知識(shí)中我們知道，液體飽和蒸氣壓隨溫度變化的定量關(guān)系，可由克勞 修斯一克拉貝龍(Clausius Clapeyron)方程給出： d(LnP) vapUm ( 5 1) 2dTRT 式中：R摩爾氣體常數(shù)；vapUm 液體的摩爾氣化熱。如果溫度改變區(qū)間不大，則可把視作常數(shù)，將上式積分得：(5 2)以IgP對(duì)1/T作圖，即得一直線，其斜率應(yīng)為：m vapHm2.303R所以 vapUm 2,30

3、3R ni (53)由實(shí)驗(yàn)測(cè)定幾個(gè)不同溫度下待測(cè)液體的飽和蒸氣壓，用圖解法求得直線的斜率 m,根據(jù)(5 3)式即可求出 vapHrn0 測(cè)定飽和蒸氣壓常用的方法有兩種：1. 動(dòng)態(tài)法其中常用的有飽和氣流法，即通過(guò)一定體積的待測(cè)液體所飽和的氣流，用某物質(zhì) 完全吸收，然后稱(chēng)量吸收物質(zhì)增加的重量，求出蒸氣的分壓力。2. 靜態(tài)法把待測(cè)物質(zhì)放在一個(gè)封閉體系中，在不同溫度下直接測(cè)量蒸氣壓或在不同外壓下 測(cè)液體的沸點(diǎn)。測(cè)定時(shí)要求體系內(nèi)無(wú)雜質(zhì)氣體。本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)法靜態(tài)法的測(cè)定儀器如圖5- 1所示的平衡管，平 衡管是由三個(gè)相連的玻璃球 a b和c組成。a球中 儲(chǔ)存有待測(cè)液體，故a稱(chēng)之為樣品池，b、c球中的 待測(cè)液

4、體在底部用玻璃管連通，bc部分稱(chēng)為等壓計(jì)。 當(dāng)a、b球的上部純粹是待測(cè)液體的蒸氣，b球與c 球之間的管中液面在同一水平時(shí)，則表示加在 b管 液面上的蒸氣壓與加在c管液面上的外壓相等。此時(shí) 液體的溫度即是體系的氣液平衡溫度，亦即沸點(diǎn)。圖5 1平衡管測(cè)定時(shí)先將a與b之間的空氣抽凈，然后從c的上方緩慢放入空氣，使等壓計(jì) bc 兩端的液面平齊，且不再發(fā)生變化時(shí)，則 ab之間的蒸氣壓即為此溫度下被測(cè)液 體的飽和蒸氣壓，因?yàn)榇孙柡驼魵鈮号c c上方的壓力相等，而c上方的壓力可由 壓力計(jì)直接讀出，溫度則由溫度計(jì)直接讀出，這樣便得到一個(gè)溫度下的飽和蒸氣 壓數(shù)據(jù)。當(dāng)升高溫度時(shí)，因飽和蒸氣壓增大，則等壓計(jì)內(nèi)b液面逐

5、漸下降，c液面逐漸上升。同樣從c的上方再緩慢放入空氣，以保持 bc兩液面的平齊，當(dāng)恒溫 槽達(dá)到所需測(cè)定的溫度時(shí)，在 bc兩液面平齊時(shí)，即可讀出該溫度下的飽和蒸氣 壓。用同樣的方法可測(cè)定其它溫度下的飽和蒸氣壓。待測(cè)液體的體積占a球的4/5為宜。三、儀器與藥品飽和蒸氣壓測(cè)定組合裝置（如圖 5-2,包括SYP玻璃恒溫水浴、SWQ智能數(shù)字 恒溫控制器、緩沖儲(chǔ)氣罐、DP-A精密數(shù)字壓力計(jì)、管路連接盒等）、真空泵、 乳膠管、真空管、滴管、吸耳球；無(wú)水乙醇（AR）。圖5-2 DP-AF飽和蒸氣壓測(cè)定組合裝置四、實(shí)驗(yàn)步驟1體系減壓，排除空氣：按圖5- 3將儀器裝好。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前要檢查裝置是否漏氣，關(guān)閉儲(chǔ)氣氣罐

6、的平衡閥1,打開(kāi)進(jìn)氣閥和平衡閥2,開(kāi)動(dòng)真空泵，當(dāng)測(cè)壓儀（DP-A精密數(shù)字壓力計(jì)的使用見(jiàn)附錄1）的示 數(shù)為-50-60 kP a時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，觀察測(cè)壓儀讀數(shù)，若讀數(shù)不變，則系統(tǒng)不漏 氣；若真空度下降，則系統(tǒng)漏氣，要查清漏氣原因并排除之。若體系不漏氣，則用滴管向等壓計(jì)內(nèi)加入無(wú)水乙醇，再用吸耳球擠壓進(jìn)樣品池 內(nèi)，使其中的無(wú)水乙醇約占球 a體積的五分之四即可。此時(shí) b、c球之間的U形 管中也裝入了少量的無(wú)水乙醇。注意：U形管中不可裝太多，否則既不利于觀察 液面，也易于倒灌。將平衡管安裝到裝置上，通冷凝水，同時(shí)開(kāi)始對(duì)體系減壓至真空度達(dá)-90kPa以上，減壓數(shù)分鐘以趕凈平衡管中的空氣，然后關(guān)閉進(jìn)氣閥。圖

7、5-3液體飽和蒸氣壓測(cè)定裝置1 平衡管2冷凝管3桓溫槽4冷阱5真空管6儲(chǔ)氣罐7進(jìn)氣閥8 9平衡閥1、2 10-數(shù)字壓力計(jì)11溫度計(jì)探頭12攪拌器13恒溫控制儀2 測(cè)量不同溫度下的飽和蒸氣壓：將恒溫槽恒溫至20 C,慢慢打開(kāi)平衡閥1,當(dāng)b、c球之間的U形管內(nèi)兩液面相 平時(shí)，立即關(guān)閉平衡閥1,讀取測(cè)壓儀的真空度示數(shù)。重復(fù)上述操作，再進(jìn)行一 次測(cè)定，若兩次測(cè)定的結(jié)果相差小于 0.27 kPa即2 mmHg），即可進(jìn)行下一步測(cè) 定。注意：在第二次測(cè)定時(shí)，等壓計(jì)內(nèi)的無(wú)水乙醇可能被抽干，當(dāng)抽氣結(jié)束時(shí)關(guān) 閉真空泵后，應(yīng)輕輕搖晃等壓計(jì)，使樣品池內(nèi)的無(wú)水乙醇濺入等壓計(jì)內(nèi)，以保持 等壓計(jì)內(nèi)有足夠量的無(wú)水乙醇。此后

8、，依次將恒溫槽恒溫至22 C、24 C、26 C、28 C、30 C、32 C、34 C、36 C、38 C分別測(cè)其飽和蒸氣壓的真空 度。實(shí)驗(yàn)完畢，打開(kāi)平衡閥1通大氣后方可關(guān)閉真空泵，否則可能使真空泵中的油倒 灌入系統(tǒng)。五、數(shù)據(jù)處理1 將溫度、壓力數(shù)據(jù)列表，算出不同溫度的飽和蒸氣壓。2作蒸氣壓溫度的光滑曲線。3以lgP1/T作圖，并由斜率計(jì)算無(wú)水乙醇的摩爾氣化熱。六、注意事項(xiàng)1 平衡管的U形管中不可裝太多無(wú)水乙醇，否則既不利于觀察液面也易于倒 灌。2在體系抽空后，先保持一段時(shí)間，待空氣排凈后，方可繼續(xù)做下面的實(shí)驗(yàn)。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一定要先將體系放空，再關(guān)閉真空泵，否則可能使真空泵中的 油倒灌入

9、系統(tǒng)。七、實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵提示本實(shí)驗(yàn)共測(cè)定了 10個(gè)溫度下的無(wú)水乙醇的飽和蒸氣壓。人為因素造成的測(cè)定誤 差是影響vapHm結(jié)果的主要原因。因此，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1 在升溫過(guò)程中，可以將恒溫槽的加熱檔置于強(qiáng)”位；當(dāng)溫度接近于恒溫溫度時(shí)，可置于 弱”位，使恒溫槽在恒溫時(shí)有較低的靈敏度。2要獲得準(zhǔn)確的飽和蒸氣壓數(shù)值，最關(guān)鍵是要將等壓計(jì)和樣品池之間的空氣徹 底抽凈。在抽氣即將結(jié)束之前，可輕輕搖晃等壓計(jì)，以加速空氣的排出。而空氣 的排凈與否，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上判斷。從經(jīng)驗(yàn)上講，20 C時(shí)無(wú)水乙醇的氣液兩相很快達(dá)到 平衡，壓力計(jì)內(nèi)的兩臂液面平齊后，不應(yīng)該總發(fā)生變化，若總發(fā)生變化，則表明

10、空氣沒(méi)有被除凈，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷，20 C的數(shù)據(jù)應(yīng)測(cè)定兩次，兩次相差 0.27 kPa(2 mmHg)應(yīng)在實(shí)驗(yàn)誤差內(nèi)，至少說(shuō)明后一次測(cè)定空氣已被抽凈。20 C無(wú)水乙醇的飽和蒸氣壓的標(biāo)準(zhǔn)值為 5.95 kPa(44.60 mmHg),可供參考。3在升溫過(guò)程中，要及時(shí)向體系中放入空氣，以保持等壓計(jì)兩液面平齊，不要 等溫度升高2 C后再放氣，以免使等壓計(jì)內(nèi)的無(wú)水乙醇沸騰，使液封量減少。4最初將無(wú)水乙醇加入樣品池后，殘留在等壓計(jì)U型管內(nèi)的無(wú)水乙醇要適量，以U型管體積的三分之二左右為宜。過(guò)多時(shí)會(huì)影響抽氣，過(guò)少，乙醇會(huì)很快被抽 盡。另外，抽氣速度要適中，避免抽氣速度過(guò)快，等壓計(jì)液體沸騰劇烈，乙醇很 快被抽盡

11、。八、討論通過(guò)測(cè)定飽和蒸氣壓來(lái)計(jì)算摩爾氣化熱，所依據(jù)的理論是克勞修斯-克拉貝龍方 程，它是熱力學(xué)的重要內(nèi)容之一。從表面上看，液體的蒸氣壓和摩爾氣化熱是兩 回事，但熱力學(xué)卻能把兩者的內(nèi)在聯(lián)系揭示出來(lái)，從而使人們解決實(shí)際問(wèn)題的能 力大大提高。氣化熱的直接測(cè)定屬于量熱技術(shù)，它需要復(fù)雜的設(shè)備和較高的實(shí)驗(yàn) 技術(shù)(如實(shí)驗(yàn)二燃燒熱的測(cè)定)，且精確度不高，而蒸氣壓和溫度的測(cè)定就容易得 多，所以本實(shí)驗(yàn)提供了一種從蒸氣壓求算氣化熱簡(jiǎn)便易行的方法。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可 使學(xué)生加深對(duì)蒸發(fā)、凝聚和沸騰等概念的理解，懂得為什么在海拔高的山上煮雞 蛋不易熟，家用高壓鍋煮熟食物快，以及減壓蒸餾的原理等等。不僅可學(xué)會(huì)定性 的分析，而且

12、可學(xué)會(huì)定量計(jì)算。從實(shí)驗(yàn)技術(shù)上講，蒸氣壓的測(cè)量屬于壓力測(cè)定技術(shù)的范疇。本實(shí)驗(yàn)所介紹的靜態(tài) 法精確度較高，適合于低蒸氣壓物質(zhì)的測(cè)定，即使蒸氣壓只有1 333 Pa(10 mmHg)左右也能測(cè)準(zhǔn)。而動(dòng)態(tài)法是測(cè)定液體在不同外壓下的沸點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)溫度的 控制要求不高，對(duì)沸點(diǎn)低于100 c的液體可達(dá)到一定的精確度。除此之外，還有 飽和氣流法，因其測(cè)量精確度較差，現(xiàn)在已很少使用。導(dǎo)出式(5- 2)的前提是假設(shè)摩爾氣化熱？vapHm不隨溫度改變，這種假設(shè)在較大 的溫度區(qū)間與實(shí)際情況有出入。若已知 ？vapHm與溫度T的函數(shù)關(guān)系，代入式(5 -1)積分，便可得到一個(gè)更加精確的蒸氣壓與溫度的方程，但這種方程式

13、形式復(fù) 雜，計(jì)算麻煩，很少直接使用。目前最常用的是安托萬(wàn)(A ntoi ne)經(jīng)驗(yàn)方程：lgP=A-B (5 4) T+C 式中A、B和C都是物質(zhì)的特性常數(shù)，稱(chēng)為安托萬(wàn)常數(shù)，一些物質(zhì)的安托萬(wàn)常數(shù) 可從物理化學(xué)數(shù)據(jù)表中查得。通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)原理的分析和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，可以發(fā)現(xiàn)許多有趣的問(wèn)題值得同學(xué) 們討論和思考。例如，在抽氣過(guò)程中，等壓計(jì)內(nèi)的無(wú)水乙醇劇烈的沸騰，樣品池 內(nèi)的乙醇是否也處于沸騰狀態(tài)，仔細(xì)觀察時(shí)才能發(fā)現(xiàn)；如果本實(shí)驗(yàn)的空氣未被抽 凈，貝U測(cè)得的蒸氣壓數(shù)據(jù)以及由此計(jì)算的正常的沸點(diǎn)是偏高還是偏低？學(xué)生在操作過(guò)程中十分注意等壓計(jì)兩液面的平齊，認(rèn)為少許的不平齊將產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差，其 實(shí)兩液面少許的高度

14、差對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響是可以忽略的，因?yàn)闊o(wú)水乙醇的密度僅 是水銀密度的6%, 1 cm的乙醇液柱高度差已足夠大了，但折算成水銀高度差還 不到0.1 mmHg。另外，當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置有少許的漏氣現(xiàn)象，你應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)，但少許 的漏氣不影響實(shí)驗(yàn)測(cè)定，應(yīng)該如何操作 ？如果在放氣時(shí)，將氣體放多了而使等壓 計(jì)兩液面不平齊時(shí)，但空氣尚未進(jìn)入樣品池內(nèi)，可有兩種解決辦法，請(qǐng)說(shuō)出這兩 種方法。九、思考題1. 為什么平衡管a、b之間的空氣要趕凈？怎樣判斷空氣已經(jīng)被趕凈？2溫度越高測(cè)定的蒸氣壓誤差越大，為什么 ？3. 如果測(cè)定乙醇溶液的蒸氣壓，本實(shí)驗(yàn)的方法是否適用？4. 本實(shí)驗(yàn)的主要誤差有哪些？ 十、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表室溫：氣壓：實(shí)

15、驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)后盤(pán)也TPInpi/r參考資料1東北師范大學(xué)等校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第二版）北京：高等教育出版社，19892韓得剛高執(zhí)棣化學(xué)熱力學(xué)北京：高等教育出版社，19973顧良證武傳昌物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)暇航K科技出版社，19864廣西師范大學(xué)等基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)柳州：廣西師范大學(xué)出版社，1991 吳子生物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)出版社，1991附錄1 DP A精密數(shù)字壓力計(jì)（低壓真空壓力計(jì)）實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常用U型管水銀壓力計(jì)測(cè)量從真空到外界大氣壓這一區(qū)間的壓力。雖然 這種方法原理簡(jiǎn)單、形象直觀，但由于水銀的毒害及不便于遠(yuǎn)距離觀察和自動(dòng)記 錄，因此這種壓力計(jì)逐漸被數(shù)字式電子壓力計(jì)所取代。數(shù)字式電子壓力計(jì)

16、具有體 積小，精確度高，操作簡(jiǎn)單，便于遠(yuǎn)距離觀測(cè)和能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)記錄等優(yōu)點(diǎn)，目前 己得到廣泛的應(yīng)用。DP A精密數(shù)字壓力計(jì)（低壓真空壓力計(jì)）如圖5 4所示。 圖5 4 DPA精密數(shù)字壓力計(jì)（低壓真空壓力計(jì)）一、工作原理DP A精密數(shù)字壓力計(jì)（低壓真空壓力計(jì)）采用CPU對(duì)壓力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性 補(bǔ)償和零位自動(dòng)校正，可以在較寬的環(huán)境溫度范圍內(nèi)保證準(zhǔn)確度。壓力傳感器主 要是由波形管、應(yīng)變梁和半導(dǎo)體應(yīng)變片組成。應(yīng)變片粘貼于應(yīng)變梁的兩側(cè)、組成 如圖5 5所示的電橋。在橋路AB端輸入適當(dāng)電壓后，調(diào)節(jié)零點(diǎn)電位器 RX使電 橋平衡，這時(shí)傳感器內(nèi)壓力與外壓相等，壓力差為零。當(dāng)接入負(fù)壓系統(tǒng)后，負(fù)壓 經(jīng)波紋管產(chǎn)生一

17、個(gè)應(yīng)力，使應(yīng)變梁發(fā)生形變，貼在應(yīng)變梁上的應(yīng)變片受力后， 電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，從 CD端輸出一個(gè)與壓力差成正比的電壓信 號(hào)，可用數(shù)字電壓表或電位差計(jì)測(cè)得。對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，可以得到輸出信號(hào)與 壓差之間的比例關(guān)系為?P=kV。E圖5-5負(fù)壓傳感器電橋線路二、使用方法1接通電源，按下電源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱五分鐘即可正常工作。2. 單位”鍵：當(dāng)接通電源，初始狀態(tài)為 kPa指示燈亮，顯示以kPa為計(jì)量單位的 零壓力值；按一下 單位”鍵，mm Hg指示燈亮，則顯示以mm Hg為計(jì)量單位的 零壓力值。通常情況下選擇kPa為壓力單位。3當(dāng)系統(tǒng)與外界處于等壓狀態(tài)下，按一下 采零”鍵，使儀表自動(dòng)扣除傳感器零 壓力值（零點(diǎn)漂移），顯示為“00.00,”此數(shù)值表示此時(shí)系統(tǒng)和外界的壓力為零。當(dāng) 系統(tǒng)內(nèi)壓力降低時(shí)，則顯示負(fù)壓力數(shù)值，將外界壓力加上該負(fù)壓力數(shù)值即為系統(tǒng) 內(nèi)的實(shí)際壓力值。4本儀器采用CPU進(jìn)行非線性補(bǔ)償，電網(wǎng)干擾脈沖可能會(huì)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤造成死 機(jī)，此時(shí)應(yīng)按 復(fù)位”鍵，程序從頭開(kāi)始。注意：一般情況下，不會(huì)出現(xiàn)此錯(cuò)誤， 故平時(shí)不應(yīng)按此鍵。5當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將被測(cè)壓力泄壓為“00.00,”電源開(kāi)關(guān)置于關(guān)閉位置。附錄2DP- A精密數(shù)字壓力溫度計(jì)（絕壓氣壓計(jì)）該壓力計(jì)對(duì)大氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可以替代福廷 （Fot in）式氣壓計(jì)和固定槽式氣壓 計(jì)等。DP- A精密數(shù)