液體飽和蒸汽壓的測(cè)定

2003010353環(huán)32廖程浩PAGE5實(shí)驗(yàn)三液體飽和蒸汽壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)人姓名：廖程浩系別：環(huán)境系班級(jí)：環(huán)32學(xué)號(hào)2003010353同組實(shí)驗(yàn)者姓名：張玉云實(shí)驗(yàn)日期：2005年4月26實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠玫葔汗芊y(cè)定不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓，并求出所測(cè)溫度范圍內(nèi)的平均摩爾氣化焓及正常沸點(diǎn)。學(xué)會(huì)使用溫度計(jì)與氣壓計(jì)及其校正方法，近一步熟悉恒溫槽的構(gòu)造和真空泵的使用。實(shí)驗(yàn)原理在一定溫度下，與純液體處于平衡態(tài)時(shí)的蒸氣壓力，稱為該溫度下的飽和蒸氣壓。這里的平衡狀態(tài)是指動(dòng)態(tài)平衡。在某一溫度下，被測(cè)液體處于密閉真空容器中，液體分子中表面逃逸成蒸氣，同時(shí)蒸氣分子因碰撞而凝結(jié)成液相，當(dāng)兩者的速率相等時(shí)，就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)氣相中的蒸氣密度不再改變，因而具有一定的飽和蒸氣壓。純液體的蒸氣壓是隨溫度變化而變化的，它們之間的關(guān)系可用克勞修斯—克拉貝龍方（Clausius—Clapeyron）方程來(lái)表示：dln(p/Pa)/dT=△vapHm/RT2式中p為純液體溫度T時(shí)的飽和蒸氣壓；T為熱力學(xué)溫度；△vapHm為液體摩爾氣化熱；R為氣體常數(shù)。如果溫度變化的范圍不大，△vapHm視為常數(shù)，可當(dāng)作平均摩爾氣化熱。積分上式得：lnp=-△vapHm/RT+A式中A為積分常數(shù)，此數(shù)與壓力p有關(guān)。由上式可知：一定溫度范圍內(nèi)，測(cè)定不同溫度下的飽和蒸氣壓，以lnp對(duì)1/T作圖，可得一條直線。由該直線的斜率可求得實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)液體的平均摩爾氣化熱。當(dāng)外壓為101.325Kpa時(shí)，液體的蒸氣壓與外壓相等時(shí)的溫度稱為該液體的正常沸點(diǎn)。從圖中也可求得其正常沸點(diǎn)。計(jì)算時(shí)：斜率=-△vapHm/Rso△vapHm=-Rm測(cè)定飽和蒸氣壓常用的方法有動(dòng)態(tài)法、靜態(tài)法和飽和氣流法等。本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)法，即被測(cè)物質(zhì)放在一個(gè)密閉的體系中，在不同溫度下直接測(cè)量其飽和蒸氣壓，在不同外壓下測(cè)量相應(yīng)的沸點(diǎn)。此法適用于蒸氣壓比較大的液體。儀器與藥品等壓管1支、穩(wěn)壓瓶1個(gè)、負(fù)壓瓶1個(gè)、恒溫槽1套、真空泵1臺(tái)、測(cè)壓裝置1臺(tái)、測(cè)溫裝置一臺(tái)。乙醇（分析純）實(shí)驗(yàn)裝置圖1.等壓管2.冷凝管3.攪拌器4.加熱器5.溫度計(jì)6.穩(wěn)壓瓶7.水銀溫度計(jì)8.負(fù)壓瓶實(shí)驗(yàn)步驟1．裝置與裝樣：按裝置圖安裝，把乙醇裝入等壓管中，使液面在等壓管的三分之二處。2．檢漏：利用測(cè)壓裝置分段檢查系統(tǒng)是否漏氣。3．升溫：開動(dòng)攪拌器，調(diào)節(jié)加熱器電壓在160V左右，同時(shí)開冷卻水。4．排氣：當(dāng)水浴溫度超過50℃5．蒸氣壓的測(cè)定：排氣完畢，緩慢打開活塞H，使體系通過毛細(xì)管慢慢吸入空氣逐漸升高壓力，直到穩(wěn)壓瓶中的壓力快接近蒸氣壓時(shí)為止。然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器，改變加熱電壓，直到BC液面相對(duì)不變，此時(shí)表示溫度已恒定。然后調(diào)節(jié)穩(wěn)壓瓶壓力使BC液面基本調(diào)平，穩(wěn)定一分鐘左右，分別記錄測(cè)壓裝置與測(cè)溫裝置的讀數(shù)。繼續(xù)加熱水浴，加熱過程中適當(dāng)調(diào)節(jié)活塞H，使液體不激烈沸騰，當(dāng)溫度升高3－4℃時(shí)重復(fù)上述步驟。一直升溫至756．結(jié)束：實(shí)驗(yàn)完畢，將系統(tǒng)與大氣相通，關(guān)閉調(diào)壓器，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。將所測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)相應(yīng)程序進(jìn)行運(yùn)算并記錄結(jié)果。注意事項(xiàng)1．等壓管中AB液面間的空氣必須排凈2．在操作過程中要防止液體倒吸，即C處氣體通過液柵吸入AB間。一旦倒吸，重新排氣。3．在升溫時(shí)，隨時(shí)調(diào)節(jié)活塞H，避免液體激烈沸騰。實(shí)驗(yàn)條件氣溫：20.5℃初始?jí)毫Γ?9.74kPa實(shí)驗(yàn)操作1檢漏后，打開安全瓶通大氣，穩(wěn)定后開泵抽氣減壓。2抽至略低于30KPa開安全瓶通大氣，關(guān)泵。3開攪拌器，通冷卻水，同時(shí)開始加熱。4加熱至約50℃5打開活塞H吸入空氣是BC液面相平，調(diào)溫使穩(wěn)定一段時(shí)間，讀數(shù)。重復(fù)幾次直至測(cè)完。6關(guān)閉各儀器，數(shù)據(jù)輸入提交驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象簡(jiǎn)述及簡(jiǎn)要解釋1檢漏時(shí)壓力值不變，因?yàn)橄到y(tǒng)氣密性良好。2調(diào)節(jié)加熱電壓后，BC液面變化有延遲，因?yàn)樗畟鳠岬膯栴}，溫度改變有延遲。3BC液面相平后，溫度和壓力值穩(wěn)定，因?yàn)榇藭r(shí)系統(tǒng)平衡。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄T/℃53.2456.9560.0063.2066.9969.8573.00P/kPa35.5641.2247.8354.9264.9873.1683.44乙醇沸點(diǎn)Tb/℃78.15023摩爾蒸發(fā)熱Hm/(J/mol)40954.51偏差U1/%-0.1275偏差U2/%1.27228計(jì)算機(jī)處理結(jié)果（上述為實(shí)驗(yàn)室程序驗(yàn)證結(jié)果）Lnp/Pa10.4789766910.6266810.7754110.9136311.0818311.200411.33188T/K326.39330.1333.15336.35340.14343346.151/T0.0030638190.0030290.0030020.0029730.002940.0029150.002889So:R=0.9998數(shù)據(jù)線性較好Ln101325=11.526088對(duì)應(yīng)得1/T=0.0028492T=350.9757Kt=77.8257℃偏差U`1/%=0.66%摩爾蒸發(fā)熱Hm/(J/mol)=40953.9偏差U2/%=3.86%計(jì)算結(jié)果與程序驗(yàn)證有一定偏差,而與文獻(xiàn)值偏差更大了些，可能是計(jì)算過程中尾數(shù)的忽略和實(shí)驗(yàn)條件在自行計(jì)算中未對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正的結(jié)果。且驗(yàn)證程序與所查到的文獻(xiàn)參考值不同。So：Lnp/Pa=-4925.91/T+25.561數(shù)據(jù)處理1．將所測(cè)數(shù)據(jù)列表。2．作lnp/Pa－1/T，從直線斜率求平均摩爾蒸發(fā)焓。將直線延長(zhǎng)到p＝101.325kPa處，求無(wú)水乙醇的正常沸點(diǎn)。3．列出無(wú)水乙醇蒸氣壓和溫度的關(guān)系式。實(shí)驗(yàn)結(jié)論程序處理結(jié)果為：乙醇沸點(diǎn)Tb/℃78.15023摩爾蒸發(fā)熱Hm/(J/mol)40954.51自行畫圖計(jì)算結(jié)果為：T=350.9757Kt=77.8257℃摩爾蒸發(fā)熱Hm/(J/mol)=40953.9程序處理驗(yàn)證結(jié)果的偏差很小，而自行畫圖的結(jié)果的偏差要大些。預(yù)習(xí)思考1．飽和蒸氣壓、正常沸點(diǎn)、沸騰溫度的含義：液體在密閉的真空容器中蒸發(fā)，當(dāng)液體上方蒸氣的濃度不變時(shí)，即氣液兩相平衡時(shí)的壓力，稱為/飽和蒸氣壓或液體的蒸氣壓(vaporpressure)。當(dāng)液體的飽和蒸氣壓與大氣壓相等時(shí)，液體就會(huì)沸騰，此時(shí)的溫度就叫該液體的正常沸點(diǎn)(normalboilingpoint)。而液體在其它各壓力下的沸騰溫度稱為沸點(diǎn)。2．克－克方程的應(yīng)用條件？為什么本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的是平均摩爾蒸發(fā)焓？當(dāng)在討論蒸氣壓小于101.325kPa范圍內(nèi)的氣液平衡時(shí)，可以引進(jìn)兩個(gè)合理的假設(shè)：一是液-體的摩爾體積V與氣體的摩爾體積Vg相比可略而不計(jì)，則△g；二是蒸氣可看成是理想氣體，則△v與溫度無(wú)關(guān)，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)可視為常數(shù)。氣液達(dá)到平衡，溫度變化不大的條件下，焓變△H可以視為不變，從而可以應(yīng)用克－克方程。3．穩(wěn)壓瓶、負(fù)壓瓶的作用是什么？什么時(shí)候需用活塞H和G？穩(wěn)壓瓶起緩沖作用，防止乙醇倒流入氣壓計(jì)中，同時(shí)緩沖開關(guān)H閥門時(shí)的氣流；負(fù)壓瓶用來(lái)儲(chǔ)氣，同時(shí)緩沖作用。當(dāng)C管中液面明顯高出B很多時(shí)，應(yīng)該開大H閥門，使得穩(wěn)壓瓶?jī)?nèi)氣壓增大，B和C的液面差減少；當(dāng)C管的液面低于B管時(shí)，是比較危急的，因?yàn)橐坏┮后w倒吸，實(shí)驗(yàn)就必須重測(cè)了。此時(shí)，可以打開G閥門，因?yàn)樨?fù)壓瓶中氣壓小，使得空氣流入負(fù)壓瓶中一部分，C管內(nèi)壓力減少，BC管液面差又可以趨平。4．為什么要避免無(wú)水乙醇的激烈沸騰？激烈沸騰則氣體也被加熱，所測(cè)不是正好的沸騰狀態(tài)。思考與討論1實(shí)驗(yàn)儀器討論等壓管的作用：加熱時(shí)，管A、B、C的溫度同時(shí)上升，B管中的壓力增大，當(dāng)壓力增到與等壓管中的蒸氣壓相等時(shí)，B、C管中的液面完全水平。所以用作估測(cè)穩(wěn)壓瓶的壓力計(jì)相當(dāng)于測(cè)得了飽和蒸氣壓。負(fù)壓瓶的作用：負(fù)壓瓶起到保護(hù)作用。當(dāng)用油泵抽氣時(shí)，穩(wěn)壓瓶、負(fù)壓瓶中的壓力相等。當(dāng)H閥門打開時(shí)，穩(wěn)壓瓶的壓力大于負(fù)壓瓶中的壓力，出現(xiàn)倒吸前打開閥門可以降低壓力，起到保護(hù)作用。油泵的作用：用油泵抽空時(shí)，應(yīng)先將安全瓶通大氣，將第一個(gè)閥門打開，穩(wěn)定后關(guān)閉抽氣。安全瓶的作用：油泵用油和系統(tǒng)蒸汽不能混合，否則對(duì)兩者都不利，故中間加有安全瓶隔離。BC管：個(gè)人覺得，可以對(duì)BC管作少許改動(dòng)：加上高度刻度。這樣在實(shí)驗(yàn)中，可以較易得到BC不完全相平的穩(wěn)定狀態(tài)，處理中可以用高度液體產(chǎn)生的壓力差來(lái)修正。雖然處理時(shí)麻煩一些，但應(yīng)該可以提高實(shí)驗(yàn)精度。2實(shí)驗(yàn)操作討論抽氣：抽氣時(shí)應(yīng)盡可能將體系中的壓力降低，因?yàn)橛煽丝朔匠?，壓力與溫度成正比，如果體系中的壓力太高，則相應(yīng)溫度下的乙醇沸點(diǎn)也會(huì)升高，實(shí)驗(yàn)困難。調(diào)節(jié)電壓：調(diào)節(jié)電壓加熱時(shí)應(yīng)先將電壓調(diào)大，約180V，到液體快要沸騰時(shí)，將電壓降低，使體系在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到溫度的穩(wěn)定。不過本次實(shí)驗(yàn)中所用的調(diào)壓器可能有點(diǎn)問題，難以調(diào)節(jié)穩(wěn)定。（相對(duì)于其他兩組的似乎滯后性更大）調(diào)節(jié)液面的水平：調(diào)節(jié)閥門H比調(diào)節(jié)電壓更容易達(dá)到目的，在調(diào)節(jié)B、C液面水平時(shí)，應(yīng)先小心地調(diào)節(jié)閥門H，使B、C液面緩慢變化直至基本達(dá)到水平，然后關(guān)閉閥門H，將電壓調(diào)至先前調(diào)節(jié)好的穩(wěn)定狀態(tài)，我們實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定狀態(tài)約為60—80V之間，此時(shí)再小心地調(diào)節(jié)閥門H，使B、C液面最終達(dá)到水平。而且對(duì)于穩(wěn)定時(shí)間也不應(yīng)有過高要求。本次實(shí)驗(yàn)就是因?yàn)閷?duì)穩(wěn)定時(shí)間要求過長(zhǎng)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)。參考1文獻(xiàn)值：△vapHm=42.6kJ/molTb=351.54K(78.34℃2測(cè)定液體飽和蒸氣壓還常用以下方法：（1）飽和氣流法在一定的溫度和壓力下，讓一定體積的空氣或惰性氣體以緩慢的速率通過一個(gè)易揮發(fā)的待測(cè)液體，使氣體被待測(cè)液體的蒸氣所飽和。分析混合氣體中各組分的量以及總壓，再按道爾頓分壓定律求算混合氣體中蒸氣的分壓，即是該液體在此溫度下的蒸氣壓。該法的缺點(diǎn)是：不易獲得真正的飽和狀態(tài)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值偏低。（2）動(dòng)態(tài)法當(dāng)液體的蒸氣壓與外界壓力相等時(shí)，液體就會(huì)沸騰，沸騰時(shí)的溫度就是液體的沸點(diǎn)。即與沸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的外界壓力就是液體的蒸氣壓。若在不同的外壓下，測(cè)定液體的沸點(diǎn)，從而得到液體在不同溫度下的飽和蒸氣壓，這種方法叫做動(dòng)態(tài)法。該法裝置較簡(jiǎn)單，只需將一個(gè)帶冷凝管的燒瓶與壓力計(jì)及抽氣系統(tǒng)連接起來(lái)即可。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將體系抽氣至一定的真空度，測(cè)定此壓力下液體的沸點(diǎn)，然后逐次往系統(tǒng)放進(jìn)空氣，增加外界壓力，并測(cè)定其相應(yīng)的沸點(diǎn)。只要儀器能承受一定的正壓而不沖出，動(dòng)態(tài)法也可用以在101.325KPa以上壓力下的實(shí)驗(yàn)。動(dòng)態(tài)法較適用于高沸點(diǎn)液體蒸氣壓的測(cè)定。參考文獻(xiàn)：《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫組清華大學(xué)出版社《物理化學(xué)》