實驗五液體飽和蒸氣壓的測定.

1、實驗五液體飽和蒸氣壓的測定一、實驗目的1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-克拉貝龍方程計算摩爾汽化熱；3 掌握測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-液兩相平衡時蒸氣的壓力。處于一定溫度下的純液體，其中動能較大的分子，要不斷地從液體表面逸出變成 蒸氣，此過程稱為蒸發(fā)；與此同時，也會有蒸氣分子回到液體中，此過程稱為凝 聚。當蒸發(fā)與凝聚的速率相等時，就達到了動態(tài)平衡，此時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，達到動態(tài) 平衡時，液面上的飽和蒸氣壓就越高。當液體的飽和蒸氣壓與外界壓力相等時， 液體便沸騰

2、，此時的溫度成為液體的沸點。液體的沸點隨外壓的變化而變化，若 外壓為標準壓力(通常取101325 Pa，則液體沸點就稱為正常沸點。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)從熱力學的知識中我們知道，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1/T作圖，即得一直線，其斜率應為：m vapHm2.303R所以 vapUm 2,30

3、3R ni (53)由實驗測定幾個不同溫度下待測液體的飽和蒸氣壓，用圖解法求得直線的斜率 m,根據(jù)(5 3)式即可求出 vapHrn0 測定飽和蒸氣壓常用的方法有兩種：1. 動態(tài)法其中常用的有飽和氣流法，即通過一定體積的待測液體所飽和的氣流，用某物質(zhì) 完全吸收，然后稱量吸收物質(zhì)增加的重量，求出蒸氣的分壓力。2. 靜態(tài)法把待測物質(zhì)放在一個封閉體系中，在不同溫度下直接測量蒸氣壓或在不同外壓下 測液體的沸點。測定時要求體系內(nèi)無雜質(zhì)氣體。本實驗采用靜態(tài)法靜態(tài)法的測定儀器如圖5- 1所示的平衡管，平 衡管是由三個相連的玻璃球 a b和c組成。a球中 儲存有待測液體，故a稱之為樣品池，b、c球中的 待測液

4、體在底部用玻璃管連通，bc部分稱為等壓計。 當a、b球的上部純粹是待測液體的蒸氣，b球與c 球之間的管中液面在同一水平時，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 液體的溫度即是體系的氣液平衡溫度，亦即沸點。圖5 1平衡管測定時先將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 bc 兩端的液面平齊，且不再發(fā)生變化時，則 ab之間的蒸氣壓即為此溫度下被測液 體的飽和蒸氣壓，因為此飽和蒸氣壓與 c上方的壓力相等，而c上方的壓力可由 壓力計直接讀出，溫度則由溫度計直接讀出，這樣便得到一個溫度下的飽和蒸氣 壓數(shù)據(jù)。當升高溫度時，因飽和蒸氣壓增大，則等壓計內(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，當恒溫 槽達到所需測定的溫度時，在 bc兩液面平齊時，即可讀出該溫度下的飽和蒸氣 壓。用同樣的方法可測定其它溫度下的飽和蒸氣壓。待測液體的體積占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、緩沖儲氣罐、DP-A精密數(shù)字壓力計、管路連接盒等）、真空泵、 乳膠管、真空管、滴管、吸耳球；無水乙醇（AR）。圖5-2 DP-AF飽和蒸氣壓測定組合裝置四、實驗步驟1體系減壓，排除空氣：按圖5- 3將儀器裝好。在實驗開始前要檢查裝置是否漏氣，關(guān)閉儲氣氣罐

6、的平衡閥1,打開進氣閥和平衡閥2,開動真空泵，當測壓儀（DP-A精密數(shù)字壓力計的使用見附錄1）的示 數(shù)為-50-60 kP a時，關(guān)閉進氣閥，觀察測壓儀讀數(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，則用滴管向等壓計內(nèi)加入無水乙醇，再用吸耳球擠壓進樣品池 內(nèi)，使其中的無水乙醇約占球 a體積的五分之四即可。此時 b、c球之間的U形 管中也裝入了少量的無水乙醇。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，同時開始對體系減壓至真空度達-90kPa以上，減壓數(shù)分鐘以趕凈平衡管中的空氣，然后關(guān)閉進氣閥。圖

7、5-3液體飽和蒸氣壓測定裝置1 平衡管2冷凝管3桓溫槽4冷阱5真空管6儲氣罐7進氣閥8 9平衡閥1、2 10-數(shù)字壓力計11溫度計探頭12攪拌器13恒溫控制儀2 測量不同溫度下的飽和蒸氣壓：將恒溫槽恒溫至20 C,慢慢打開平衡閥1,當b、c球之間的U形管內(nèi)兩液面相 平時，立即關(guān)閉平衡閥1,讀取測壓儀的真空度示數(shù)。重復上述操作，再進行一 次測定，若兩次測定的結(jié)果相差小于 0.27 kPa即2 mmHg），即可進行下一步測 定。注意：在第二次測定時，等壓計內(nèi)的無水乙醇可能被抽干，當抽氣結(jié)束時關(guān) 閉真空泵后，應輕輕搖晃等壓計，使樣品池內(nèi)的無水乙醇濺入等壓計內(nèi)，以保持 等壓計內(nèi)有足夠量的無水乙醇。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分別測其飽和蒸氣壓的真空 度。實驗完畢，打開平衡閥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，并由斜率計算無水乙醇的摩爾氣化熱。六、注意事項1 平衡管的U形管中不可裝太多無水乙醇，否則既不利于觀察液面也易于倒 灌。2在體系抽空后，先保持一段時間，待空氣排凈后，方可繼續(xù)做下面的實驗。3 實驗結(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、實驗關(guān)鍵提示本實驗共測定了 10個溫度下的無水乙醇的飽和蒸氣壓。人為因素造成的測定誤 差是影響vapHm結(jié)果的主要原因。因此，在實驗操作過程中應注意以下幾點： 1 在升溫過程中，可以將恒溫槽的加熱檔置于強”位；當溫度接近于恒溫溫度時，可置于 弱”位，使恒溫槽在恒溫時有較低的靈敏度。2要獲得準確的飽和蒸氣壓數(shù)值，最關(guān)鍵是要將等壓計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，以加速空氣的排出。而空氣 的排凈與否，只能根據(jù)經(jīng)驗和從實驗數(shù)據(jù)上判斷。從經(jīng)驗上講，20 C時無水乙醇的氣液兩相很快達到 平衡，壓力計內(nèi)的兩臂液面平齊后，不應該總發(fā)生變化，若總發(fā)生變化，則表明

10、空氣沒有被除凈，從實驗數(shù)據(jù)判斷，20 C的數(shù)據(jù)應測定兩次，兩次相差 0.27 kPa(2 mmHg)應在實驗誤差內(nèi)，至少說明后一次測定空氣已被抽凈。20 C無水乙醇的飽和蒸氣壓的標準值為 5.95 kPa(44.60 mmHg),可供參考。3在升溫過程中，要及時向體系中放入空氣，以保持等壓計兩液面平齊，不要 等溫度升高2 C后再放氣，以免使等壓計內(nèi)的無水乙醇沸騰，使液封量減少。4最初將無水乙醇加入樣品池后，殘留在等壓計U型管內(nèi)的無水乙醇要適量，以U型管體積的三分之二左右為宜。過多時會影響抽氣，過少，乙醇會很快被抽 盡。另外，抽氣速度要適中，避免抽氣速度過快，等壓計液體沸騰劇烈，乙醇很 快被抽盡

11、。八、討論通過測定飽和蒸氣壓來計算摩爾氣化熱，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，但熱力學卻能把兩者的內(nèi)在聯(lián)系揭示出來，從而使人們解決實際問題的能 力大大提高。氣化熱的直接測定屬于量熱技術(shù)，它需要復雜的設(shè)備和較高的實驗 技術(shù)(如實驗二燃燒熱的測定)，且精確度不高，而蒸氣壓和溫度的測定就容易得 多，所以本實驗提供了一種從蒸氣壓求算氣化熱簡便易行的方法。通過本實驗可 使學生加深對蒸發(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。不僅可學會定性 的分析，而且

12、可學會定量計算。從實驗技術(shù)上講，蒸氣壓的測量屬于壓力測定技術(shù)的范疇。本實驗所介紹的靜態(tài) 法精確度較高，適合于低蒸氣壓物質(zhì)的測定，即使蒸氣壓只有1 333 Pa(10 mmHg)左右也能測準。而動態(tài)法是測定液體在不同外壓下的沸點，它的優(yōu)點是對溫度的 控制要求不高，對沸點低于100 c的液體可達到一定的精確度。除此之外，還有 飽和氣流法，因其測量精確度較差，現(xiàn)在已很少使用。導出式(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，便可得到一個更加精確的蒸氣壓與溫度的方程，但這種方程式

13、形式復 雜，計算麻煩，很少直接使用。目前最常用的是安托萬(A ntoi ne)經(jīng)驗方程：lgP=A-B (5 4) T+C 式中A、B和C都是物質(zhì)的特性常數(shù)，稱為安托萬常數(shù)，一些物質(zhì)的安托萬常數(shù) 可從物理化學數(shù)據(jù)表中查得。通過對本實驗原理的分析和實驗現(xiàn)象的觀察，可以發(fā)現(xiàn)許多有趣的問題值得同學 們討論和思考。例如，在抽氣過程中，等壓計內(nèi)的無水乙醇劇烈的沸騰，樣品池 內(nèi)的乙醇是否也處于沸騰狀態(tài)，仔細觀察時才能發(fā)現(xiàn)；如果本實驗的空氣未被抽 凈，貝U測得的蒸氣壓數(shù)據(jù)以及由此計算的正常的沸點是偏高還是偏低？學生在操作過程中十分注意等壓計兩液面的平齊，認為少許的不平齊將產(chǎn)生實驗誤差，其 實兩液面少許的高度

14、差對實驗的結(jié)果影響是可以忽略的，因為無水乙醇的密度僅 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，當實驗裝置有少許的漏氣現(xiàn)象，你應該能發(fā)現(xiàn)，但少許 的漏氣不影響實驗測定，應該如何操作 ？如果在放氣時，將氣體放多了而使等壓 計兩液面不平齊時，但空氣尚未進入樣品池內(nèi)，可有兩種解決辦法，請說出這兩 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溫度越高測定的蒸氣壓誤差越大，為什么 ？3. 如果測定乙醇溶液的蒸氣壓，本實驗的方法是否適用？4. 本實驗的主要誤差有哪些？ 十、實驗數(shù)據(jù)記錄表室溫：氣壓：實

15、驗前實驗后盤也TPInpi/r參考資料1東北師范大學等校物理化學實驗（第二版）北京：高等教育出版社，19892韓得剛高執(zhí)棣化學熱力學北京：高等教育出版社，19973顧良證武傳昌物理化學實驗南京：江蘇科技出版社，19864廣西師范大學等基礎(chǔ)物理化學實驗柳州：廣西師范大學出版社，1991 吳子生物理化學實驗指導書長春：東北師范大學出版社，1991附錄1 DP A精密數(shù)字壓力計（低壓真空壓力計）實驗室經(jīng)常用U型管水銀壓力計測量從真空到外界大氣壓這一區(qū)間的壓力。雖然 這種方法原理簡單、形象直觀，但由于水銀的毒害及不便于遠距離觀察和自動記 錄，因此這種壓力計逐漸被數(shù)字式電子壓力計所取代。數(shù)字式電子壓力計

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

17、個應力，使應變梁發(fā)生形變，貼在應變梁上的應變片受力后， 電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，從 CD端輸出一個與壓力差成正比的電壓信 號，可用數(shù)字電壓表或電位差計測得。對傳感器進行標定，可以得到輸出信號與 壓差之間的比例關(guān)系為?P=kV。E圖5-5負壓傳感器電橋線路二、使用方法1接通電源，按下電源開關(guān)，預熱五分鐘即可正常工作。2. 單位”鍵：當接通電源，初始狀態(tài)為 kPa指示燈亮，顯示以kPa為計量單位的 零壓力值；按一下 單位”鍵，mm Hg指示燈亮，則顯示以mm Hg為計量單位的 零壓力值。通常情況下選擇kPa為壓力單位。3當系統(tǒng)與外界處于等壓狀態(tài)下，按一下 采零”鍵，使儀表自動扣除傳感器零 壓力值（零點漂移），顯示為“00.00,”此數(shù)值表示此時系統(tǒng)和外界的壓力為零。當 系統(tǒng)內(nèi)壓力降低時，則顯示負壓力數(shù)值，將外界壓力加上該負壓力數(shù)值即為系統(tǒng) 內(nèi)的實際壓力值。4本儀器采用CPU進行非線性補償，電網(wǎng)干擾脈沖可能會出現(xiàn)程序錯誤造成死 機，此時應按 復位”鍵，程序從頭開始。注意：一般情況下，不會出現(xiàn)此錯誤， 故平時不應按此鍵。5當實驗結(jié)束后，將被測壓力泄壓為“00.00,”電源開關(guān)置于關(guān)閉位置。附錄2DP- A精密數(shù)字壓力溫度計（絕壓氣壓計）該壓力計對大氣壓進行實時顯示，可以替代福廷 （Fot in）式氣壓計和固定槽式氣壓 計等。DP- A精密數(shù)