实验四纯液体饱和蒸汽压的测定

实验四纯液体饱和蒸汽压的测定一、实验目的1.掌握用静态法测定乙醇在不同温度下的饱和蒸汽压。2.学会用图解法求被测液体在实验温度范围内的平均摩尔汽化热与正常沸点。二、实验原理在一定温度下，与纯液体处于平衡状态时的蒸气压力，称为饱和蒸气压这里的平衡状态是指动态平衡。在某一温度下，被测液体处于密闭真空容器中，液体分子从表面逃逸而成蒸气，蒸气分子又会因碰撞而凝结成液相，当两者的速率相同时，就达到了动态平衡，此时气相中的蒸气密度不再改变，因而具有一定的饱和蒸气压。当液体处于沸腾状态时，其上方的压力即为其饱和蒸气压。温度不同，分子从液体逃逸的速度不同，因此饱和蒸气压不同。饱和蒸气压与温度的关系可用克-克方程来表示：2ln{p}vapmHddTRT（2-1）式中p*——液体在温度T时的饱和蒸气压，Pa；T——热力学温度，K；ΔvapHm——液体的摩尔汽化热，J·mol-1；R——摩尔气体常，8.314K-1·mol-1。如果温度的变化范围不大，ΔvapHm视为常数，可当作平均摩尔汽化热。对式（2-1）进行积分得：lnvapmHpCRT（2-2）式中c为积分常数，此数与压力p*的单位有关。此式表示在一定温度范围内，液体饱和蒸气压的对数值与温度的倒数成正比。如果测定出液体在各温度下的饱和蒸气压，以lnp*对1/T作图，可得一条直线，根据直线斜率可求出液体的平均摩尔汽化热。当外压为101.325kPa时，液体的蒸气压与外压相等时的温度称为该液体的正常沸点。在图中，将该直线外推到压力为常压时的温度，即为液体的正常沸点。测定液体饱和蒸气压的方法有三种，分别为动态法、静态法和饱和气流法。动态法是指在连续改变体系压力的同时测定随之改变的沸点；静态法是指在密闭体系中改变温度而直接测定液体上方气相的压力；饱和气流法是在一定的液体温度下，采用惰性气体流过液体，使气体被液体所饱和，测定流出的气体所带的液体物质的量而求出其饱和蒸气压。本实验采用静态法进行测量，此法一般适用于蒸气压比较大的液体。静态法测量不同温度下纯液体饱和蒸气压，有升温法和降温法两种。本实验采用升温法测定不同温度下纯液体的饱和蒸气压。图1等位计实验时，等位计（图1）的A球中盛有被测样品C2H5OH，U形部分B中也盛有C2H5OH液体作为封闭液。实验开始时，A球液面上方充满混合气体（空气与乙醇蒸气），当对系统抽气时，A球液面上方的混合气体通过封闭液被不断抽走，而A球内液态C2H5OH不断蒸发补充，使得液面上方混合气体中空气的相对含量越来越少，直至其中的空气被全部驱尽，A球液面上的气体压力就是C2H5OH的蒸气压力。当B管中的液面处于同一水平面时，则B管左侧液面上的压力等于该温度下C2H5OH的蒸气压。调节等位计的水浴温度及减压系统的压力，可以测得不同温度时的C2H5OH蒸气压。三、仪器和试剂DPCY-2C型饱和蒸气压教学实验仪、SHB－III循环水式多用真空泵、SYP型玻璃恒温水浴；无水乙醇、凡士林。四、实验步骤1.装样从加料口R处加入乙醇，用热水浴加热等位计的小球A，然后使其迅速冷却，A球内的气体冷却收缩而使乙醇被吸入A球。重复此操作，使A球内装有2/3体积的液体，并使适量的乙醇在U形B的双臂间形成封闭液。2.连接系统并检查系统气密性将等位计上面的冷凝管通冷却水；使系统通大气，将压力表显示数值置为零；打开真空泵，关闭系统，使系统减压；当压力表读数为-40～-50kPa时，关闭与真空泵相通的旋塞，封闭系统；如果压力表变化小于每分钟0.1kPa，则认为系统不漏气，打开旋塞，使系统通大气；若5分钟内有明显变化，说明系统漏气，这时应仔细逐段检查，设法消除，直至不漏气。3.测定不同温度下乙醇的蒸汽压①调节恒温槽温度为25℃，打开真空泵，使真空泵与系统相通。②缓缓抽气排空气，使A球中溶解的空气和A、B空间内的空气呈气泡状一个一个地通过B管中的液体排出。③随着系统真空度越来越高，A球内及B管中的液体蒸发速率越来越快，故抽气若干分钟后，调节进气活塞使空气缓慢进入测量系统，直至B管中双液面等高，从压力测压仪上读出压力差。④同法再抽气，再调节B管中双臂液面等高，直至两次的压力差读数相差无几，则表示A球液面上的空间已被乙醇充满，记下读数。⑤用上述方法沿温度升高方向测定30℃、35℃、40℃、45℃、50℃时乙醇的蒸气压。（做下一个温度时不需要再抽气；若没有倒灌现象，只需读一次数）。五、数据处理1.将实验数据列于下表中。温度（K）所测压强差Δp(kpa)饱和蒸气压p（Kpa）lnp1/T(K-1)2.以lnp对1/T作图，从直线斜率计算出被测液体在实验温度范围内的平均摩尔汽化热ΔvapHm。3.计算液体的正常沸点，并与文献值比较。（文献值78.5℃）六、实验注意事项1.测定系统不漏气是本实验成功的前提条件之一。2.整个实验过程中，应保持等位计A球液面上空的空气排净。3.抽气和放气速度不能太快，否则会使等位计内液体沸腾过剧，致使B管内液体被抽尽或B管内液体倒灌入A球内，造成实验难以进行。4.开动真空泵前必须先接通冷凝水，以保证已蒸发的乙醇冷凝回流至封闭液处。5.蒸气压与温度有关，故测定过程中恒温槽的温度波动需控制在±0.1K内。6.等位计必须全部浸入水浴中，以保证乙醇的温度与水温相同。7.实验过程中需防止B管液体倒灌入A球内，带入空气，使实验数据偏大。8.注意抽气时先开启真空泵，后打开体系与稳压包间的活塞；停止抽气时先关闭体系并使大气与真空泵相通，再关闭真空泵。为防止倒吸，要保证稳压包上的活塞处于打开状态时才能切断真空泵的电源。七、思考题1.本实验过程中为什么要防止空气倒灌？空气倒灌对测定有什么影响？2.为什么等位计A、B中的空气要赶净？如何用实验方法判断空气已被赶净？3.怎样判断空气已被赶净？能否在加热情况下检查是否漏气？4.B管两侧的U形液体所起到的作用是什么？5.体系的平衡蒸气压是由什么决定的？与液体的量和容器的大小是否有关？6.通过实验说明影响蒸气压的因素有哪些？八、讨论1.测定蒸气压的方法除本实验介绍的静态法外还有动态法、饱和气流法等，但以静态法准确性较高。2.若把体系中的空气排出到环境中去，使得体系的气体部分几乎全部是由被测液体的蒸气所组成，可以通过对体系加热或减小环境的压力，把体系中的空气等惰性气体排出到环境中去。刚开始时，空气比较多，通过B管液体冒泡排出的速度较快，后来逐步减慢。当体系的温度达到液体的沸点并且空气很少时，冒泡排出气体的速度比较慢并且均匀，此时冒泡排出的气体主要是饱和蒸气，这样就可以判断空气已被赶净。3.B管两侧的U形液体所起到的作用如下：①起到一个液体活塞（或液封）的作用，用于分隔体系与环境；同时通过该液体活塞，可将体系中的空气排除到环境中去。②起到检测压力的作用。当B管两侧的液面等高时，说明体系的压力等于环境的压力，可以通过测量环境的压力来代表体系的压力。③当B管两侧的液面等高测量温度和压力的数据，也可保持多次测量数据时体系的体积几乎相等。4.影响实验成败的几个关键因素如下：①实验装置密封性的好坏。可以观察饱和蒸气压测定仪上显示值是否变化，或者观察等位计封闭液两臂的高度差是否变化来判断实验装置的密封性。②是否能适时调节真空泵的抽气速度。实验开始，启动真空泵对系统抽气时，必须使A-B间气体呈气泡状一个一个地通过封闭液。由于系统压力迅速降低，通过封闭液的气泡速度加快，此时必须及时旋转三通活塞以调抽气速度。③是否能掌握稳压包进气活塞的使用技巧。当调节进气活塞使B管两侧的液面等高时，往往因进气量太多使空气倒灌入A球，造成前功尽弃。最好的办法是对进气活塞进行快速开、关的办法以控制每次的进气量。把进气活塞进气玻璃管末端做成细长毛细管可以降低进气速度以控制每次进气量。④实验过程中冷凝水的作用是使被抽出去的乙醇蒸气不断冷却回流补充封闭液。如果实验时气温太高，以自来水作为冷凝水则可能因水温较高而失去冷凝作用，导致封闭液迅速减少，这时必须采用低温冷凝水方可。5.为使环境的空气不会进入到体系中去，则需读测完温度和压差的数据以后，赶快给体系加热，或减小环境的压力。6.影响实验精度，作图时线性不佳的主要因素如下：①温度波动误差的影响。液体蒸气压随温度的变化而变化，如果恒温槽温度波动超过±0.05℃的范围，将使测得的液体蒸气压数值产生较大误差。②初始测量时，若A、B管间空气未能驱尽，随着实验继续进行，恒温槽的温度逐步升高，A、B间的气体不断膨胀溢出封闭液，同时带走残存的空气，测得的蒸气压数值便接近真实值。所以，最先测得的1～2个数据往往偏差较大。③若等位计固定位置不垂直，读数时会产生误差；实验时大气压的波动也会带来一些误差。九、参考文献1.孙尔康，徐维清，邱金恒编，物理化学实验（第一版），南京大学出版社，1998。2.傅献彩，沈文霞等编，物理化学（第五版），高等教育出版社，2006。3.杨百勤主编，物理化学实验，高等教育出版社。4.胡英主编，物理化学（上册），北京：高等教育出版社，1999。