物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告-液體飽和蒸汽壓的測定

1、第#頁共11頁物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告 NO.2PB07007303 王璐實(shí)驗(yàn)二 液體飽和蒸汽壓的測定摘要 ： 本實(shí)驗(yàn)采取動態(tài)法，通過測定在不同外部壓力下水的沸點(diǎn)來確定不同溫度條件下水的飽 和蒸汽壓同溫度的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對克拉貝龍 克勞修斯方程進(jìn)行了驗(yàn)證，并由此方程計算出純水的平均摩爾汽化熱。關(guān)鍵詞 ：沸點(diǎn) 飽和蒸汽壓 摩爾汽化熱 克拉貝龍 克勞修斯方程Experiment No.2: The Determination of SaturatedVapor Pressure of the LiquidAbstract : In this experiment, we determinedthe b

2、oilingpoint of pure waterunder differentexterior pressures in order to make sure the relationship of saturated temperature, by using DynamicMethod 'A.ccording to the result, we validatevapor pressures andClapeyron-ClausuisEquation, and then calculated the molar heat of vaporization of pure water

3、.Key words : Saturated vapor pressure Molar heat of vaporizationClausius-ClapeyronEquationBoiling point1. 刖言在封閉體系中，當(dāng)液相的蒸發(fā)速度與相應(yīng)氣相的凝聚速度相等時，體系達(dá)到動態(tài)平衡， 此時的蒸氣壓為該溫度下的飽和蒸氣壓，液體的飽和蒸氣壓等于外壓時的溫度為液體的沸 點(diǎn)，因此沸點(diǎn)是隨外壓變化的，當(dāng)外壓為101325Pa時，稱之為正常沸點(diǎn)。每蒸發(fā) 1mol液體所需的熱量稱該溫度下的摩爾汽化熱?？死慅?克勞修斯方程描述了飽和蒸氣壓，溫度與摩爾汽化熱之間的關(guān)系：d l n P vap H md

4、T 一 RT2它是克拉貝龍方程式的簡化形式，可以根據(jù)該式測定液體的飽和蒸氣壓。飽和蒸汽壓是液體工質(zhì)最基本的物性參數(shù)之一 ，是化工、生產(chǎn)、科研、設(shè)計過程中的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以 掌握通常測量飽和蒸氣壓的方法具有很大的實(shí)際意義。液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種：靜態(tài)法，動態(tài)法和飽和氣流法。動態(tài)法是指在不同外界壓力下，測定液體的沸點(diǎn)，又稱沸點(diǎn)法。動態(tài)法與其它兩種方法相比具有操作簡 單，結(jié)果比較準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，適用于蒸氣壓不太高的液體。本實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)法來測量水的飽和蒸氣壓，并由此得到水的正常沸點(diǎn)和摩爾汽化熱。2. 實(shí)驗(yàn)部分2.1儀器與試劑BY型U形壓力計 2XZ-2B型旋片真空泵G型單相串激電動機(jī)6511

5、型電動攪拌機(jī)調(diào)速器 調(diào)壓變壓器江蘇省常州市東風(fēng)儀表廠 上海真空泵廠 本溪微電機(jī)廠上海標(biāo)本模型廠 蘇州電器廠Fortin式大氣壓計；1/10刻度水銀溫度計HEGON電爐；熱得快緩沖瓶；真空儲氣瓶。實(shí)驗(yàn)步驟1）記錄實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束時的大氣壓強(qiáng)和氣溫；2）將緩沖瓶與大氣連通，加熱大燒杯中的水。沸騰后繼續(xù)煮沸510分鐘以驅(qū)趕空氣，再停止加熱，讓水浴溫度在攪拌中緩慢下降。當(dāng)B、C液面等高時，讀取溫度數(shù)據(jù)和氣壓差數(shù)據(jù)；3）關(guān)閉緩沖瓶與大氣之間的通道，利用安全瓶中的真空降低體系的外壓。每次降壓約40mmHg，液體會再次沸騰，當(dāng) B、C液面等高時，讀取一組溫度數(shù)據(jù)和氣壓差數(shù)據(jù)。反復(fù)降壓直到汞高刻度相差約400m

6、mHg為止。4）上述兩步平行重復(fù)三次。注意事項(xiàng)1）每測完一組溫度和壓差的數(shù)據(jù)以后，要趕快對給體系加熱，使環(huán)境的空氣不會進(jìn)入 到體系中去；。2） 煮沸時間要足夠長使得平衡管A管和B管之間的空氣趕凈；3）讀取溫度和壓力計的湊數(shù)時要快和要準(zhǔn)；4）平衡管要完全浸入水槽的液面以下。3. 結(jié)果與討論3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果三組平行實(shí)驗(yàn)計算的純水的平均摩爾汽化熱和正常沸點(diǎn)如下:vap Hmi =42.14 ± 0.55kJ/molvap Hm2 =42.68 ± 0.11kJ/mol vap Hm3 =43.74 ± 0.64kJ/mol平均值：vap Hm =42.85 ±

7、0.43kJ/mol 各組數(shù)據(jù)的P T圖和Ln(P) 1/TTb1 =372.61KTb2=372.47KTb3=372.27KTb = 372.45 K圖詳見附件中的Fig A1 Fig A6.3.2結(jié)果討論1) 與文獻(xiàn)值的比對在 373.15k 時vapHm =40.70kJ/moln 1=(42.14- 40.70)/40.7=3.54%n 1=(42.68- 40.70)/40.7=4.86%n 1=(43.74- 40.70)/40.7=7.47%n =(42.85- 40.70)/40.7=5.28%純水正常沸點(diǎn) T b=373.15Kn 1=(372.61- 373.15)/ 3

8、73.15=-0.14%n 2=(372.47- 373.15)/ 373.15=-0.18%n 3=(372.27- 373.15)/ 373.15=-0.24%n =(372.45- 373.15)/ 373.15=-0.19% 2）結(jié)果的誤差分析由上面的比對，實(shí)驗(yàn)測得的摩爾汽化熱誤差在百分之五左右，存在著一定的系統(tǒng)誤差， 下面具體對誤差產(chǎn)生的原因和影響進(jìn)行討論。 克拉貝龍-克勞休斯方程實(shí)際是克拉貝龍方程的簡化，其假設(shè)條件是所研究體系為純物質(zhì) 的氣-液兩相平衡體系，忽略液體體積并假設(shè)水蒸氣為理想氣體；而在本實(shí)驗(yàn)中，為了簡化 成線性方程來處理又將 vapHm視作常數(shù)。這些理論上的假設(shè)與實(shí)際實(shí)

9、驗(yàn)條件并不完全相符， 下面我們來具體討論這些假設(shè)的不符之處。a.被研究體系中理論上只有液態(tài)水和水蒸氣，但實(shí)際上會有一些空氣殘留，空氣不易完全趕盡，待測體系中混有空氣時對飽和蒸汽壓的測定會產(chǎn)生影響：ln 竺卜 VmL（p p；）m 丿 RT“ W在上述公式中，Pg*為沒有惰性氣體存在時液體的飽和蒸氣壓，Pg為有惰性氣體存在且總壓為Pe時液體的飽和蒸氣壓。在總壓一定的情況下，混入的空氣壓強(qiáng)越大，液體飽和蒸汽壓 就越小，沸點(diǎn)相應(yīng)偏小。b.沸點(diǎn)附近的液體蒸氣與理想氣體間存在著一定的差異，此時的壓強(qiáng)并非很低，蒸氣分子 之間的作用力還比較強(qiáng)。C.將 vapHm視作常數(shù)簡化為線性方程后求出的AvapHm，實(shí)

10、際上是一個溫度介于 80 C和100 C之間某溫度的 A vapHm值，由Tablel可以看出它比100 C下的A vapHm大，于是造成 了實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大。Tablel.不同溫度下水的摩爾汽化熱T C A H kJ/kgA H kJ/mol802307.341.58852295.341.36902283.141.14952271.040.921002258.440.70 U型壓強(qiáng)計的兩段水封并非完全平齊，因此在數(shù)據(jù)處理時對每列壓強(qiáng)差數(shù)據(jù)都要減去這個初始的偏差值，由于本次實(shí)驗(yàn)中兩段水封幾乎以平齊，故沒有進(jìn)行這樣的處理。 讀壓強(qiáng)計和溫度計的示數(shù)需要在平衡管中液面齊平的一瞬間完成，且兩者都不太易讀準(zhǔn)

11、 確，所以容易造成讀數(shù)誤差。3.3思考和補(bǔ)充1)關(guān)于實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)平衡管的上端接著冷凝管，水蒸氣在這里會被冷凝成液態(tài)流回到平衡管中，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，平衡管B、C球之間的液柱中積水會漸漸增多，影響B(tài)、C液面相平的判斷。我建議在平衡管與冷凝管之間插入一段三通管，使冷凝水能暫存在三通管中而不會流回到平衡管。 另外為了防止倒吸和爆沸，還可以對平衡管進(jìn)行改進(jìn)。2)關(guān)于沸點(diǎn)的討論從PT圖我們可以看到沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，實(shí)際上水的沸點(diǎn)T (攝氏度)和壓強(qiáng) P (mmHg )之間有這樣一個關(guān)系式： T=100.00+0.0367(P-760)-0.000023( P-760)A2。此外，液體的沸點(diǎn)也隨海拔高度

12、而改變， 高度越高，液體沸點(diǎn)越低，并有下面的近似計算式：T =373.15(11 8.7*10怎)(K).3) 心得體會本次試驗(yàn)操作簡單，主要是通過實(shí)驗(yàn)讓我們進(jìn)一步理解飽和蒸汽壓的相關(guān)概念。另外通過實(shí)驗(yàn)我掌握了如何用動態(tài)法測定液體摩爾汽化熱，它中間的思想是值得仔細(xì)體會的，從公式中看似乎要在不同溫度下測飽和蒸氣壓，但實(shí)際上反過來做更方便，即在不同外部壓力 下測定液體的沸點(diǎn)，通過達(dá)到沸點(diǎn)時液體的飽和蒸氣壓與外壓相等得到了該沸點(diǎn)溫度下的飽 和蒸氣壓。這正是“反彈琵琶”的妙用。3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)論本次試驗(yàn)測得純水的平均摩爾汽化熱為42.85，正常沸點(diǎn)為Tb = 372.45 K ;在80100 C的范圍內(nèi)飽

13、和蒸汽壓和沸點(diǎn)基本滿足克拉貝龍一克勞修斯方程。參考文獻(xiàn)：1 崔獻(xiàn)英，柯燕雄，單紹純物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)M.中國科技大學(xué)出版社，2000: 2932.2 付獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng),侯文華物理化學(xué)（第五版）上冊M.高等教育出版 社,2005:277280.3 吳泳華，霍劍青,熊永紅大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（第一冊）M,高等教育出版社，20014 劉士星化工原理M,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1994. 周蔚,段平和,李森男.純液體飽和蒸氣壓測定實(shí)驗(yàn)改進(jìn)J,洛陽師范學(xué)院學(xué)報， 2005,（5）:118120.附件：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 數(shù)據(jù)記錄1.1環(huán)境狀況大氣壓：768.45mmHg （始）,769.25mmHg （末）； 室

14、溫：14.30C（始），13.72 C （末）。1.2儀器參數(shù)1/10 C分度水銀溫度計測量誤差：0.05 C （不使用放大鏡）；1mm刻度直尺測量誤差：0.5mm （不使用放大鏡）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table A1第一組123456791112810T99.98.96.95.94.592.691.489.187.886.284.382.2/ C6020806000005005h1 /-35-111.519.35.053.065.085.5102.120.136.152.cm.0.005050h2 /-35-63-76-93-107-125-139-157-176-190-210-224cm.0.5.

15、5.0.5.0.0.0.0.0.0.0Table A2第二9組12345678101112T99.98.96.95.93.591.989.688.085.983.580.777.9/ C7010803000000500h1 /-35-152.021.41.560.083.5101.121.141.163.184.cm.0.5055550h2 /-35-57-75-93-114-133-158-174-193-215-236-257cm.0.5.0.5.0.5.5.0.5.0.0.5Table A3第三9組12345678101112T99.97.96.95.94.392.089.988.286

16、.083.881.878.1/ C4065805000005000h1 /-35-14-2.17.37.560.082.098.0119.141.163.182.cm.0.0055000h2 /-35-58-72-90-110-134-154-172-193-213-236-254cm.0.0.5.5.0.0.0.5.5.0.0.0注：在進(jìn)行第一組測量時，測到第 12組才使 h到達(dá)400mm左右，所以為了保證三組數(shù)據(jù)的一致性，每組都測了12組。2. 數(shù)據(jù)處理2.1數(shù)據(jù)計算大氣壓 Po = (768.45+769.25)+ 2 mmHg = 768.85 mmHg將Table A1A3的數(shù)據(jù)進(jìn)行

17、如下計算：TK =T C +273.15 ; h =h 1-h2 cm;P=101325 x h + 76 Pa;P = P 0- P = P 0-101325 x h+ 76 Pa;并算出每組數(shù)據(jù)所對應(yīng)Ln(P)和1/T的值，結(jié)果如Tablet A4A6所示:Table A4第一459組123678101112372.7371.3369.9368.7367.6365.7364.5362.2361.0359.3357.4355.4T K555555550550P /102595579210875783507877753070106537611756305237Pa04.92.15.762.86

18、.473.527.147.574.624.978.75.691/TK-1Ln(P0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.00268369370371272073474376177078379881411.5311.4611.4311.3811.3311.2711.2211.1511.0811.0210.9310.86)881034988196Table A5第二459組123678101112369.9368.4366.6365.0362.7361.1359.0353.8351.0T K372.9371.3356.755

19、5555555P /102596909223872381777670702465776050549749244364Pa04.95.49.19.53.37.00.94.68.45.52.63.11/0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.002TK1682694703714727739757769785803826849Ln(P11.5311.4811.4311.3711.3111.2411.1611.0911.0110.9110.8010.68)81262804155422 P T和Ln(P) 1/T 曲線繪制與擬合根

20、據(jù)Tablet A4A6的數(shù)據(jù)，分別繪制三組實(shí)驗(yàn)的P T圖及Ln(P) 1/T 一元線性回歸擬合圖。Table A6第三9組12345678101112372.5370.8369.9368.6367.4365.1363.0361.3359.2356.9354.9351.2T K505555550555P /102596639310881082837664710466446077553049304437Pa04.98.75.76.19.90.40.81.25.08.89.36.41/-1TK0.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0

21、020.002684697703713721739754767784802817847Ln(P11.5311.4711.4411.3811.3211.2411.1711.1011.0110.9210.8010.70)891657145160FigAI.第一組數(shù)據(jù)P T圖第9頁共11頁物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告 NO.2PB07007303 王璐Fig A2.第一組數(shù)據(jù)Ln(P) 1/T線性擬合圖第10頁共11頁物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告 NO.2PB07007303 王璐FigA3.第二組數(shù)據(jù)P T圖Fig A4.第二組數(shù)據(jù)Ln(P) 1/T線性擬合圖0.002660.0026S0.002700.00272D.002743.002 700.002730.002800.002520.002540.002661/T第12頁共11頁物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告 NO.2PB07007303 王璐FigA5.第三組數(shù)據(jù)P T圖Fig A6.第三組數(shù)據(jù)Ln(P) 1/T線性擬合圖0.002660.002700.002720,002740.002763.002730.002800.002820.00280.002861/T第14頁共11頁物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)報告NO.2PB07007303 王璐