實(shí)驗(yàn)二 液體飽和蒸氣壓的測定實(shí)驗(yàn)報告

實(shí)驗(yàn)二液體飽和蒸氣壓的測定MeasurementofSaturatedVaporPressure王暮寒PB10207067中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院MuhanWangPB10207067SchoolofLifeScience,UniversityofScience&TechnologyofChina,HefeiEmail：wangmh@2012.5【關(guān)鍵詞】飽和蒸汽壓克拉伯龍-克勞修斯方程溫度摩爾汽化熱【KEYWORDS】SaturatedvaporpressureClaperon-ClasiusEquationtemperatureMolarHeatofvaporization【摘要】根據(jù)克拉貝龍-克勞修斯方程，在一定溫度范圍內(nèi)，對于純液體的炮和蒸汽壓P與溫度T，lnP與1/T之間存在線性關(guān)系。利用動態(tài)法測定不同溫度T下環(huán)己烷的飽和蒸汽壓p，得出克拉貝龍-克勞修斯方程，從而求算環(huán)己烷的摩爾氣化熱，求得環(huán)己烷在大氣壓下的正常沸點(diǎn)?！続BSTRACT】AccordingtotheClaperon-ClasiusEquation,thereisalinearrelationbetweenT,thetemperatureofafluidandp,thesaturatedvaporpressureofit.Bymeasuringthesaturatedvaporpressureofcyclohexaneunderdifferenttemperatures,wecouldverifythelinearrelation,andfurthermore,calculatethemolarheatofvaporizationalongwiththeboilingpointofcyclohexane.【前言】摩爾汽化熱是在一定的溫度、壓力下，1mol純液體在平衡過程中變?yōu)檎羝盏臒帷Ｒ后w的沸點(diǎn)則是當(dāng)液體的飽和蒸汽壓等于外界壓強(qiáng)時的溫度。液體的沸點(diǎn)隨著外界壓強(qiáng)的增大而增大，當(dāng)液體處于沸點(diǎn)時，若將蒸汽視為理想氣體，在汽化過程前后忽略液體的體積，且在一定溫度范圍內(nèi)認(rèn)為摩爾汽化熱為常數(shù)，則可由氣相和液相化學(xué)勢相等推得克拉伯龍-克勞修斯方程，以及液體的摩爾蒸發(fā)熱和其他熱力學(xué)常數(shù)。液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種：靜態(tài)法，在某一固定溫度下直接測量飽和蒸汽的壓力；動態(tài)法，在不同外部壓力下測定液體的沸點(diǎn)；飽和氣流法，在液體表面上通過干燥的氣流，調(diào)節(jié)氣流速度，使之能被液體的蒸汽所飽和，然后進(jìn)行氣體分析，計算液體的蒸汽壓。本實(shí)驗(yàn)利用動態(tài)法，此法基于在沸點(diǎn)時液體的飽和蒸汽壓與外壓達(dá)到平衡。只要測得在不同外壓下的沸點(diǎn)，也就測得在這一溫度下的飽和蒸汽壓。本實(shí)驗(yàn)中通過測量環(huán)己烷在不同壓強(qiáng)下的沸點(diǎn)來驗(yàn)證克拉貝龍-克勞修斯方程，并根據(jù)建立起來的經(jīng)驗(yàn)方程求算環(huán)己烷的平均摩爾汽化熱。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一．實(shí)驗(yàn)原理在封閉體系中，液體很快和它的蒸汽達(dá)到平衡。這時的蒸汽的壓力稱為液體的飽和蒸汽壓。蒸發(fā)一摩爾液體需要吸收的熱量，即為該溫度下液體的摩爾汽化熱。它們的關(guān)系可用克拉貝龍～克勞修斯方程表示：(2－1)H：摩爾汽化熱(J·mol-1)R：氣體常數(shù)(8.314J·mol-1·K-1)若溫度改變的區(qū)間不大，H可視為為常數(shù)(實(shí)際上H與溫度有關(guān))。積分上式得(2－2)常數(shù)，。(2)式表明與有線性關(guān)系。作圖可得一直線，斜率為－B。因此可得實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)液體的平均摩爾汽化熱H。(2－3)因此，只要測得某液體不同溫度下的液體飽和蒸汽壓，即可通過作圖得到該液體的平均摩爾汽化熱。二．實(shí)驗(yàn)儀器液體飽和蒸汽測定儀1套抽氣泵1臺福廷式壓力計1支加熱電爐1個JJ-1增力電動攪拌器1臺1/100C溫度計真空穩(wěn)壓包WYB-I型1臺DTV-2AI控溫儀1臺循環(huán)水抽氣泵1臺三.實(shí)驗(yàn)裝置圖與裝置簡介1-盛水大燒杯;2-溫度計(分度值為0.1°);3-攪拌;4-平衡管;5-冷凝管;6-開口U形水銀壓力計;7-具有保護(hù)罩的緩沖瓶;8-進(jìn)氣活塞;9-抽氣活塞;10-放空活塞;11-安全瓶;12、13-橡皮管14-三通活塞圖一實(shí)驗(yàn)裝置圖圖一中，平衡管由三個相連通的玻璃球構(gòu)成，頂部與冷凝管相連。冷凝管與U形壓力計6和緩沖瓶7相接。在緩沖瓶7和安全瓶11之間，接一活塞9，用來調(diào)節(jié)測量體系的壓力。安全瓶中的負(fù)壓通過真空泵抽真空來實(shí)現(xiàn)。安全瓶和真空泵之間有一三通閥，通過它可以正確地操作真空泵的啟動和關(guān)閉。A球中裝待測液體，當(dāng)A球的液面上純粹是待測液體的蒸汽，并且當(dāng)B管與C管的液面處于同一水平時，表示B管液面上的蒸汽壓(即A球面上的蒸汽壓)與加在C管液面上的外壓相等。此時體系汽液兩相平衡的溫度稱為液體在此外壓下的沸點(diǎn)。用當(dāng)時讀得的大氣壓減去壓差計兩水銀柱的高度差，即為該溫度下液體的飽和蒸汽壓。四.實(shí)驗(yàn)步驟1、熟悉實(shí)驗(yàn)裝置，掌握真空泵的正確使用，了解系統(tǒng)各部分及活塞的作用，讀當(dāng)日大氣壓。2、取下平衡管4，洗凈、烘干，裝入待測液。使A球內(nèi)有2/3體積的液體。并在B，C管中也加入適量液體，將平衡管接在冷凝管的下端。平衡管中液體的裝法有兩種：一是把A管烘烤，趕走空氣，迅速在C管中加入液體，冷卻A管，把液體吸入。二是將C管中加入液體，將平衡管與一水泵相連接，抽氣，并突然與水泵斷開，讓C管的水流入A管。3、系統(tǒng)檢漏：管閉活塞8和9，將三通活塞14旋轉(zhuǎn)至與大氣相通，關(guān)閉活塞10，插上真空泵電源，啟動真空泵，將活塞14再轉(zhuǎn)至與安全瓶11相通，抽氣5分鐘，再將活塞14旋至與大氣相通，拔掉真空泵電源，停止抽氣。這樣做是為了防止真空泵油倒吸。用活塞9調(diào)節(jié)緩沖瓶的真空度，使U形壓力計兩臂水銀柱高低差為20—40毫米，關(guān)閉活塞9。仔細(xì)觀察壓力計兩臂的高度，在10分鐘內(nèi)不變化，證明不漏氣，可開始做實(shí)驗(yàn)。否則應(yīng)該認(rèn)真檢查各接口，直到不漏氣為止。4、不同溫度下液體飽和蒸汽壓的測定：A、將平衡管浸入盛有蒸餾水的大燒杯中，并使其全部浸沒在液體中。插上電爐加熱，同時開冷卻水，開啟攪拌馬達(dá)，使水浴中的水溫度均勻。B、關(guān)閉活塞9，使活塞8與大氣相通。此時平衡管，壓力計，緩沖瓶處于開放狀態(tài)。將活塞14通大氣，插真空泵電源抽氣，把活塞14旋轉(zhuǎn)至與安全瓶相通，抽5分鐘，再將活塞14通大氣。拔下電源，此時安全瓶內(nèi)為負(fù)壓，待用。C、隨著水浴中液體的溫度的不斷升高，A球上面的待測液體的蒸汽壓逐漸增加，使C管中逐漸有氣泡逸出。本實(shí)驗(yàn)所測的液體為純凈的水，所以待測水浴中的水沸騰后仍需繼續(xù)煮沸5-10分鐘，把A球中的空氣充分趕凈，使待測水上面全部為純液體的蒸汽。停止加熱，讓水浴溫度在攪拌中緩緩下降，C管中的氣泡逐漸減少直至消失，液面開始下降，B管液面開始上升，認(rèn)真注視兩管液面，一旦處于同一水平，立即讀取此時的溫度。這個溫度便是實(shí)驗(yàn)大氣壓條件下液體的沸點(diǎn)。D、關(guān)閉活塞8，用活塞9調(diào)節(jié)緩沖瓶7中的真空度，從而降低平衡管上端的外壓，U形壓力計兩水銀柱相差約40mm左右，這時A管中的待測液又開始沸騰，C管中的液面高于B管的液面，并有氣泡很快逸出，隨著溫度的不斷下降，氣泡慢慢消失，B管液面慢慢升高，在B、C兩管液面相平時，說明A、B之間的蒸汽壓與外壓相等。立即記下此時的溫度和U形壓力計上的讀數(shù)。此時的溫度即外壓為大氣壓減去兩汞柱差的情況下液體的沸點(diǎn)。繼續(xù)用活塞9調(diào)節(jié)緩沖瓶的壓力，體系產(chǎn)生新的沸騰，再次測量蒸汽壓與外壓平衡時的溫度，反復(fù)多次，約10個點(diǎn)。溫度控制在80C以上，壓差計的水銀柱相差約400mm左右為止。為了測量的準(zhǔn)確性，可將緩沖瓶放空，重新加熱，按上述步驟繼續(xù)重復(fù)測量兩次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，再讀取大氣壓，把兩次記錄的值取平均。5.選取合適的點(diǎn)，用溫度計校準(zhǔn)控溫儀的溫度。五．實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、平衡管A管和B管之間的空氣必須趕凈。2、抽氣和放氣的速度不能太快，以免C管中的水被抽掉或B管中的水倒流到A管。3、讀數(shù)時應(yīng)同時讀取溫度和壓差。4、使用真空泵時的注意事項(xiàng)使用真空泵時，特別是關(guān)真空泵時，一定要防止真空泵中的真空油被吸入大真空瓶中去，要保證真空泵的出口連通大氣時才能關(guān)真空泵。就本實(shí)驗(yàn)而言，要保證大真空瓶上的三通活塞處于“”狀態(tài)時才能切斷真空泵的電源?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果與討論】一．實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)環(huán)己烷的平均摩爾汽化熱vapHm=R*|K|=8.314J·mol-1·K-1*3915.54=32.55kJ·mol-1·K-12.環(huán)己烷的正常沸點(diǎn)為：T=353.26K即t=80.11查閱資料得，環(huán)己烷的正常沸點(diǎn)：80.74°二.結(jié)果分析測得沸點(diǎn)與資料很接近但仍偏低，分析誤差來源如下：1.克拉伯龍-克勞修斯方程建立過程中有多個條件：將蒸汽視為理想氣體，在汽化過程前后忽略液體的體積，且在一定溫度范圍內(nèi)認(rèn)為摩爾汽化熱為常數(shù)。而理想氣體僅是理想化的模型，汽化過程之前的液體也占據(jù)一定的體積，而且摩爾汽化熱實(shí)際上是隨溫度變化而變化的。以上都會引起lnP~1/T曲線對線性的偏離。2.動態(tài)法中，判斷氣液相平衡的標(biāo)志是兩邊液面相平。實(shí)際上相平時并不是嚴(yán)格靜態(tài)的平衡。而且人眼觀察液面也會引入誤差。本實(shí)驗(yàn)中負(fù)責(zé)觀察三組液面的同學(xué)沒有變，適當(dāng)減小了因個體判斷差異引起的誤差。3.實(shí)驗(yàn)中使用攪拌器加快對流，盡量使體系溫度一致，但無法保證溫度完全的一致。而且攪拌器引起的晃動也會影響液面相平的觀察。4.實(shí)驗(yàn)之前有5~10分鐘排空氣的過程，但可能有少量空氣不能完全排出，由公式可知位排凈的空氣也會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響.5.實(shí)驗(yàn)中需要直接讀取的數(shù)據(jù)是U形氣壓計的刻度、溫度計的讀數(shù)。氣壓計刻度的最小分度值Δh=0.5mm，溫度計的最小分度值ΔT=0.05℃，實(shí)驗(yàn)者以及眼睛的視覺差異6.測量的環(huán)己烷純度有限，其中的少量雜質(zhì)引起沸點(diǎn)上的偏差。三、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1.實(shí)驗(yàn)時可以采取方法略加速降溫過程，提高效率，如：用濕毛巾擦拭大燒杯外壁，但要注意液面快要相平時停止，以盡量保證氣液相的平衡?；蛲ㄟ^開窗等加速空氣對流。2.對溫度計的校正可以伴隨一組測量進(jìn)行，但要密切關(guān)注液面的狀態(tài)。3.分工需明確，同一種數(shù)據(jù)指定一個同學(xué)完成，可以減小誤差?！緟⒖假Y料】《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》崔獻(xiàn)英等編著中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社《物理化學(xué)》傅獻(xiàn)彩等編高等教育出版社維基百科-環(huán)己烷【附：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理】實(shí)驗(yàn)條件大氣壓實(shí)驗(yàn)前(mmHg)試驗(yàn)后(mmHg)平均值(mmHg)756.26755.26755.76表一實(shí)驗(yàn)時大氣壓·氣壓換算：101.325kPa=760mmHg·溫度換算：T=273.15K+t二..氣壓及溫度原始數(shù)據(jù)1.第一組：氣壓差/cmHgP/cmHgP/kpa溫度/℃T/K075.58100.7378.90352.054.870.7894.3476.30349.458.766.8889.1474.90348.0512.163.4884.6173.00346.1514.859.7879.6771.30344.4519.155.4873.9469.00342.1523.052.5870.0867.50340.6526.648.9865.2865.60338.7530.744.8859.8262.80335.9535.639.9853.2960.00330.15表二第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理·以測得的蒸汽壓p對溫度T作圖：圖一第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)p-T圖線從圖中均勻地讀取十個點(diǎn)的坐標(biāo)，整理得：T/KP/Pa1/T(1/K)Ln(P/Pa)1329.3451686.90.003036410.8532332.1155004.60.003011110.9153334.8859097.50.002986110.9874337.6463965.90..002917311.0665340.4169609.60.002937611.1516343.1776028.60.002914011.2397345.9483223.00.002890711.3298348.7191192.70.002867711.4219351.4799937.80.002845211.51210354.24109458.30.002822911.603表三第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)lnP~1/T圖二第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)lnP~1/T圖LinearRegressionforData1_B:Y=A+B*XParameter Value Error------------------------------------------------------------A 21.6072 0.27027B -3551.83334 92.42078------------------------------------------------------------R SD N P-------------------------------------------------------------0.99764 0.01962 9 <0.0001------------------------------------------------------------第一組擬合直線方程:lnP=-3551.8/T+21.612.第二組氣壓差/cmHgP/cmHgP/kpa溫度/℃T/K075.58100.7379.40352.554.670.9894.6077.30350.459.366.2888.3475.30348.4511.564.0885.4174.25347.3515.360.2880.3472.25345.3519.156.4875.2870.30343.4523.152.4869.9568.20341.3525.050.5867.4165.80338.9531.044.5859.4263.40336.5534.639.9852.3761.00334.15表三第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理以測得的蒸汽壓p對溫度T作圖：圖三第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)p-T圖線·從圖中均勻地讀取十個點(diǎn)的坐標(biāo)T/K:T/KP/Pa1/T(1/K)Ln(P/Pa)1332.3148164.310.003009210.7822334.6354044.40.002988410.8983336.9659924.490.002967711.0014339.2865804.580..002947411.0945341.6171684.670.002927311.1806343.9377564.760.002907611.2597346.2683444.850.002888011.3328348.5889324.940.002868711.4009350.9095205.030.002849811.46410353.23 101085.120.002831011.524表四第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)lnP~1/T圖作出lnP對1/T的圖并擬合：圖四第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)lnP~1/T圖LinearRegressionforData1_B:Y=A+B*XParameter Value Error------------------------------------------------------------A 23.26302 0.37833B -4136.30771 129.74701------------------------------------------------------------R SD N P-------------------------------------------------------------0.99657 0.023 9 <0.0001------------------------------------------------------------第二組擬合直線方程:lnP=-4137.31/T+23.263.第三組氣壓差/cmHgP/cmHgP/kpa溫度/℃T/K075.58100.7379.50352.654.171.4895.2777.80350.958.567.0889.4075.70348.8511.464.1885.5474.30347.4515.360.2880.3472.30345.4519.356.2875.0170.10343.2524.451.1868.2167.25340.4026.948.6864.8865.80338.9530.844.7859.6863.50336.6534.840.7854.3560.80333.95表五第三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理以測得的蒸汽壓p對溫度T作圖：圖五第三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)p-T圖線從圖中均勻地讀取十個點(diǎn)的坐標(biāo):T/KP/Pa1/T(1/K)Ln(P/Pa)1332.0848228.10.003011310.7842334.4454068.30.002990110.8983336.8059908.40.002969111.0064339.1765748.50..002948411.0945341.5371588.70.002928011.1796343.8977428.80.002907911.2577