實驗4 飽和蒸汽壓的測定

1、飽和蒸汽壓的測定摘要：封閉體系中，當液體與其蒸汽平衡時，蒸汽的壓力稱為飽和蒸汽壓。液體的飽和蒸汽壓只與液體自身的性質以及溫度有關，它們的關系可以用克拉貝龍-克勞休斯方程表示。本實驗利用動態(tài)法，測量不同壓力下環(huán)己烷的沸點，求出平均摩爾蒸發(fā)焓，同時驗證克拉貝龍-克勞休斯方程式關鍵詞：飽和蒸汽壓 克拉貝龍-克勞休斯方程 沸點 平均摩爾蒸發(fā)焓Measurement of Saturated Vapor PressureAbstract:The saturated vapor pressure is defined as the pressure exerted by a vapor in thermo

2、dynamic equilibrium with its liquid at a given temperature in a closed system. The saturated vapor pressure only depends on the liquid itself and the temperature. The relation between them can be described by Clapeyron-Clausius equation. We measured the boiling temperatures at different pressures by

3、 dynamic method, calculated theaverage molal heat of vaporization, and proved Clapeyron-Clausius equation.Keywords: Saturated Vapor Pressure Clapeyron-Clausius Equation Boiling Point Average Molal Heat of Vaporization1. 前言液體的沸點是指液體的飽和蒸汽壓與外界壓強相等時的溫度。它隨著外壓的改變而變化，因此，液體的飽和蒸汽壓與溫度有著密切的關系。液體的蒸汽壓與摩爾汽化熱的關系可用

4、克拉貝龍-克勞修斯方程表示。因此通過測定不同溫度下的飽和蒸汽壓，可以求出液體的摩爾蒸發(fā)熱及其他熱力學參數。液體飽和蒸汽壓常用的測量方法有靜態(tài)法、動態(tài)法和飽和氣流法。動態(tài)法是在不同外部壓力下測定液體沸點的測定方法。與其它兩種相比，動態(tài)法具有操作簡單方便，測量結果比較準確，且適用于蒸汽壓不是太高的液體等優(yōu)點。本實驗用動態(tài)法通過測量環(huán)己烷在不同外壓下的沸點，計算平均摩爾氣化熱，找出液體的飽和蒸汽壓與溫度之間的關系，并驗證克拉貝龍-克勞修斯方程。2. 實驗部分2.1. 實驗目的1. 對液體飽和蒸汽壓與溫度的關系作實驗上的研究。根據建立起的經驗方程式，求算液體的平均摩爾汽化熱。2. 明確蒸氣壓、正常沸點

5、、沸騰溫度的含義；了解動態(tài)法測定蒸氣壓的基本原理。3. 了解真空泵、氣壓計的使用及注意事項。2.2. 實驗原理在封閉體系中，液體很快和它的蒸汽達到平衡。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。它們的關系可用克拉貝龍克勞修斯方程表示： (21)DH：摩爾汽化熱(Jmol-1) R：氣體常數(8.314Jmol-1K-1)若溫度改變的區(qū)間不大，DH可視為為常數(實際上DH與溫度有關)。積分上式得： (22)或 (23)常數，。 (3)式表明與有線性關系。作圖可得一直線，斜率為B。因此可得實驗溫度范圍內液體的平均摩爾汽化熱DH。 (24)當外

6、壓為101.325kPa(760mmHg)時，液體的蒸汽壓與外壓相等時的溫度稱為液體的正常沸點。在圖上，也可以求出液體的正常沸點。 液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種： 1、靜態(tài)法：在某一固定溫度下直接測量飽和蒸汽的壓力。 2、動態(tài)法：在不同外部壓力下測定液體的沸點。 3、飽和氣流法：在液體表面上通過干燥的氣流，調節(jié)氣流速度，使之能被液體的蒸汽所飽和，然后進行氣體分析，計算液體的蒸汽壓。本實驗利用第二種方法。此法基于在沸點時液體的飽和蒸汽壓與外壓達到平衡。只要測得在不同外壓下的沸點，也就測得在這一溫度下的飽和蒸汽壓。實驗裝置圖圖1 純液體飽和蒸汽壓測定裝置圖1-盛水大燒杯;2-溫度計(分度值為

7、0.1);3-攪拌;4-平衡管;5-冷凝管;6-開口U形水銀壓力計;7-具有保護罩的緩沖瓶;8-進氣活塞;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1中，平衡管由三個相連通的玻璃球構成，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，用來調節(jié)測量體系的壓力。安全瓶中的負壓通過真空泵抽真空來實現。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閉。A球中裝待測液體，當A球的液面上純粹是待測液體的蒸汽，并且當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

8、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。用當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。2.3. 實驗儀器與試劑儀器名稱生產廠家數量SHB-III循環(huán)水式多用真空泵鄭州長城科工貿有限公司1臺MKT50高精度溫度計奧地利安東帕公司1臺D25-2型電動攪拌機杭州儀表電機廠1臺JJ-1增力電動攪拌器江蘇省金壇市環(huán)宇科學儀器廠1臺BY型U形壓力計江蘇常州市東風儀表廠1臺DCT-2AI控溫儀南京南大萬和科技有限公司1臺WYB-I型真空穩(wěn)壓包南京南大萬和科技有限公司2臺橡皮管/若干平衡管/1個冷凝管/1個放大鏡/1個環(huán)己烷(分析純)/表1 實驗儀器及試劑

9、2.4. 實驗步驟1 熟悉實驗裝置，掌握真空泵的正確使用，了解系統(tǒng)各部分及活塞的作用，讀當日大氣壓。2 取下平衡管 4，洗凈、烘干，裝入待測液。使 A 球內有 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 管的液體流入 A 管。（實驗中心已準備好，液體為環(huán)己烷）3 系統(tǒng)檢漏：管閉活塞 8 和 9，將三通活塞 14 旋轉至與大氣相通，關閉活塞 10，插上真空泵電源，啟動真空泵，

10、將活塞 14 再轉至與安全瓶 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 調節(jié)緩沖瓶的真空度，使 U 形壓力計兩臂水銀柱高低差為 2040 毫米，關閉活塞 9。仔細觀察壓力計兩臂的高度，在 10 分鐘內不變化，證明不漏氣，可開始做實驗。否則應該認真檢查各接口，直到不漏氣為止。（實驗中不必進行檢漏）4 用循環(huán)水泵對真空包進行抽真空，打開攪拌器，將控溫儀溫度設置為 82，開始加熱，觀察平衡管中氣體冒泡情況。當達到控制溫度時，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

11、面開始上升，認真注視兩管液面，一旦處于同一水平，立即讀取此時的溫度。這個溫度便是實驗大氣壓條件下液體的沸點。重復測量三次。5 關閉活塞 8，用活塞 9 調節(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。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。6 繼續(xù)用活塞 9 調節(jié)緩沖瓶的壓力，體系產生新

12、的沸騰，再次測量蒸汽壓與外壓平衡時的溫度，反復多次，約 10 個點。溫度控制在80以上，壓差計的水銀柱相差約400mm 左右為止。7 為了測量的準確性，將緩沖瓶放空，重新加熱，按上述步驟繼續(xù)重復測量兩次。8 實驗結束時，再讀取大氣壓，把兩次記錄的值取平均。2.5. 注意事項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. 讀數時應同時讀取溫度和壓差。4. 使用真空泵時的注意事項：使用真空泵時，特別是關真空泵時，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真空泵。就本實驗而言，要保證大真

13、空瓶上的三通活塞處于“”狀態(tài)時才能切斷真空泵的電源。2.6. 數據處理方法1. 自行設計實驗數據記錄表格，正確記錄全套原始數據并填入演算結果。2. 以測得的蒸汽壓對溫度T作圖。3. 由PT曲線均勻讀取10個點，列出相應的數據表，然后給出對的直線圖，由直線斜率計算出被測液體在實驗溫度范圍內的平均摩爾汽化熱。4. 由曲線求得待測液體的正常沸點，并與文獻值比較。3. 實驗數據記錄與處理詳見“附錄”4. 實驗結果及討論4.1. 實驗結果由實驗數據處理后可得三次實驗中環(huán)己烷的摩爾蒸發(fā)焓 vHm 和沸點 Tb，取平均值后與標準值比較，結果見表2。123平均值理論值相對誤差vHm/(kJ/mol)31.84

14、 31.78 31.69 31.77 33.05 3.9%Tb/80.92 80.97 81.01 80.97 80.74 0.3%表2 環(huán)己烷的vHm和Tb結果4.2. 結果分析實驗測得，在56到81之間，環(huán)己烷的平均摩爾汽化熱為31.77 KJ/mol，正常沸點為80.97。查閱文獻，可得環(huán)己烷在20下理論摩爾汽化熱為33.05 KJ/mol，正常沸點為80.74。則忽略溫度影響條件下，摩爾汽化熱的相對誤差為3.9%，正常沸點的相對誤差為0.3%從結果上來看，本實驗中計算出環(huán)己烷的摩爾蒸發(fā)焓 vHm 和沸點 Tb 都與標準值誤差較小，且三組平行實驗所得結果都比較接近，故認為此次實驗結果較為

15、準確，具有一定可信度。本實驗中，三次測量所得到的 lnp 與 1/T 的線性關系均比較好，這間接證明了克拉貝龍-克勞休斯方程的合理性，也說明了采用動態(tài)法測量環(huán)己烷的摩爾汽化熱與標準大氣壓下的沸點是可行合理的。此法操作簡便，分析精簡，而且所得結果相對也比較準確，所以也是測量摩爾汽化熱以及飽和蒸汽壓不錯的選擇。4.3. 誤差分析1 實驗計算時利用了克拉貝龍-克勞修斯方程時本身就引入了近似，其忽略了液體的體積，認為氣體為理想氣體，并且認為焓變是不隨溫度變化的常數。實際上液體體積不應忽略不計，分體分子之間也存在相互作用力，而且，考慮到H=U+(pV)，非理想氣體的U與(pV)都與T有關，焓變不是不隨溫

16、度變化的常數，使得本實驗在原理上有系統(tǒng)誤差。2 實驗測量蒸發(fā)焓計算式的前提條件是過程可逆，G=0，實際無法達到絕對的可逆過程，從而造成一定誤差。3 雖然使用了電動攪拌器，并不能保證整個水浴池內每一處溫度相等，可能仍存在溫度分布不均勻的現象。而且溫度計壁使得傳熱減慢，內部液體上升也需要時間，而控溫儀電流傳導雖然較快，但是其程序響應也有一定滯后性，所以測量的物理量都可能不為測量時刻體系真實的物理量。并且溫度計測量的是水浴池內水的溫度，而不是環(huán)己烷的溫度，也存在一定誤差。4 使用冷凝水使體系降溫時，可能降溫速率較快使得氣液平衡未達到，也將存在誤差。5 從我們記錄的數據中可以看到，一開始Hg柱的高度就

17、不一致，而且沒左臂與右臂變化的高度的絕對值也相等，會導致誤差。6 在實驗減壓過程中，可能有少部分的小水滴存在于Hg柱和管壁之間，會影響Hg柱高度差的測量。7 Hg柱上方為凸液面，而在實驗過程中，可能會由于管壁不潔凈，導致不同位置對Hg的浸潤情況不一致，可能會導致Hg柱上端液面為不水平的傾斜液面，使得測量時有較大誤差。8 U型壓力計的刻度讀數也有誤差。9 為防止Hg揮發(fā)使人中毒，Hg上方有一定量的水，而水的高度可能不一致，也可能對壓強測量有影響，引起誤差。10 實驗中，理論上應同時讀取Hg柱高度差并判斷液面相平并快速讀取溫度示數，由于還要減壓，故操作不能達到同時，所以要提前讀取Hg的高度，可能會

18、帶來一些誤差。11 判斷液面水平的過程中存在著較大的人的主觀因素，可能會造成較大誤差。由人眼讀取汞柱高度時也存在一定的人為誤差，可能對結果也會產生影響。12 體系中可能有空氣未完全除盡，使得測量壓強不只是環(huán)己烷的飽和蒸汽壓。13 實驗過程中，大氣壓測量是在每組實驗開始之前和結束之后分別讀數，然后取平均值進行計算，實際在實驗過程中大氣壓可能有微小變化，但是無法實時監(jiān)測，所以可能產生誤差。14 在實驗的降溫過程中，我們使用了冷凝水來加快降溫。而當溫度下降較快時，溶液與平衡管內的環(huán)己烷以及蒸汽之間可能無法及時達到平衡，從而使得我們測量到的壓強和溫度就可能存在一個滯后性，這也會導致一定的誤差。4.4.

19、 實驗總結本次實驗學習了用動態(tài)法測定液體的飽和蒸氣壓，并由克拉貝多克勞修斯方程求算了平均摩爾蒸發(fā)焓及正常沸點，同時利用實驗數據得到的線性關系又反過來驗證了克拉貝龍-克勞修斯方程。同時，在本次實驗也學習了實驗裝置的設計原理，利用平衡管使實驗數據測量變得更加方便。實驗過程為降溫測量，也可以采用升溫測量，在升溫過程中讀數，再等降溫時再讀數，可以比較二者的差異與可行性。最好可以在平衡管上加上刻度，這樣可以減小對液面判斷的主觀性，進一步提高實驗精度，減小誤差?？傮w而言，本次實驗結果較準確，可見本方法可以用來測量液體在大氣壓下的沸點與摩爾蒸發(fā)焓。而實驗數據的線性關系較高也可以證明實驗的理論前提，即克拉貝龍

20、-克勞修斯方程近似成立。5. 心得與體會通過實驗，我們獲得了環(huán)己烷的摩爾汽化熱和正常沸點，通過與文獻數值的比較，三組實驗之間的平行比較，在誤差允許的范圍內，本實驗的結果是可信的。同時，我們也間接驗證了克拉貝龍 -克勞修斯方程的正確性。本實驗中運用動態(tài)的方法測量某一物理量的思想值得我們學習。6. 參考文獻1 定量化學分析 李龍泉等 合肥 中國科學技術大學出版社 20072 CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th Edition 20103 物理化學（第五版）上冊M 傅獻彩等 高等教育出版社 20054 物理化學（第五版）上冊.傅獻彩,沈文霞,姚天揚,

21、侯文華.高等教育出版社,20105 環(huán)己烷的液體性質.百度文庫.網絡資料( QTLpkUx7hYLzZcHtilhBcRoDnWNLmJUncM8T_TGlfga_As1RxlCa3x1qKb53 )6 液體飽和蒸汽壓的測定（講義）.中國科學技術大學化學與材料科學學院實驗中心附錄1. 原始數據開始氣壓/kpa結束氣壓/kpa第一組102.51102.51第二組102.51102.64第三組102.64102.62附表1 實驗氣壓第一組第二組第三組左臂高度/cm右臂高度/cm沸點/壓力計/mmHg左臂高度/cm右臂高度/cm沸點/壓力計/mmHg左臂高度/cm右臂高度/cm沸點/壓力計/mmHg

22、0.10 0.17 80.935 0.0 0.20 0.39 80.883 0.0 0.21 0.37 80.954 0.0 0.10 0.17 80.891 0.10 0.17 80.899 -1.75 1.95 79.295 -36.4 -2.19 2.67 78.810 -45.9 -1.77 2.40 79.109 -40.9 -3.91 4.00 77.368 -77.6 -3.85 4.26 77.647 -77.8 -3.85 4.26 77.338 -79.4 -6.10 6.13 75.283 -120.3 -5.96 6.25 75.237 -118.6 -5.77 6.1

23、0 75.742 -116.4 -8.03 7.92 73.387 -157.3 -8.13 8.40 73.225 -160.9 -8.08 8.29 73.219 -160.8 -10.29 10.16 71.015 -201.6 -10.10 10.27 71.059 -199.1 -10.09 10.28 71.396 -200.3 -13.30 12.08 68.755 -241.0 -12.10 12.02 68.775 -239.1 -12.06 12.18 68.883 -239.2 -14.31 14.08 66.374 -280.7 -14.27 14.34 66.276

24、-281.0 -14.09 14.20 66.521 -278.7 -16.42 16.17 63.678 -322.4 -16.15 16.21 64.253 -318.6 -16.00 16.07 64.110 -316.7 -18.45 18.20 60.891 -363.1 -18.09 18.10 61.233 -356.5 -18.06 18.09 61.276 -357.4 -20.36 20.10 58.022 -400.3 -20.52 20.56 57.581 -404.7 -19.99 20.04 58.443 -395.7 附表2 原始數據2. 數據處理2.1 數據整理

25、1h/cmp/Paln pT/K1/T(K-1)0.07 102416.67 11.5368 354.0580.0028244 3.70 97577.07 11.4884 352.4450.0028373 7.91 91964.20 11.4292 350.5180.0028529 12.23 86204.67 11.3645 348.4330.0028700 15.95 81245.08 11.3052 346.5370.0028857 20.45 75245.58 11.2285 344.1650.0029056 25.38 68672.78 11.1371 341.9050.002924

26、8 28.39 64659.78 11.0769 339.5240.0029453 32.59 59060.24 10.9863 336.8280.0029689 36.65 53647.35 10.8902 334.0410.0029936 40.46 48567.77 10.7907 331.1720.0030196 20.19102321.69 11.5359 354.033 0.0028246 4.8696095.53 11.4731 273.150 0.0036610 8.1191762.56 11.4270 273.150 0.0036610 12.2186296.34 11.36

27、55 351.960 0.0028412 16.5380536.81 11.2965 350.797 0.0028507 20.3775417.23 11.2308 348.387 0.0028704 24.1270417.64 11.1622 346.375 0.0028870 28.6164431.47 11.0734 344.209 0.0029052 32.3659431.88 10.9926 341.925 0.0029246 36.1954325.63 10.9028 339.426 0.0029462 41.0847806.17 10.7749 337.403 0.0029638

28、 0.16102416.68 11.5368 354.104 0.0028240 4.1797070.46 11.4832 273.150 0.0036610 8.1191817.56 11.4276 273.150 0.0036610 11.8786804.63 11.3714 352.259 0.0028388 16.3780805.13 11.2998 350.488 0.0028532 20.3775472.23 11.2315 348.892 0.0028662 24.2470312.66 11.1607 346.369 0.0028871 28.2964913.10 11.0808 344.546 0.0029024