纯液体饱和蒸汽压的测定

华南师范大学实验报告纯液体饱和蒸汽压的测定静态法一、实验目的（1）理解克劳修斯-克拉贝龙方程，掌握饱和蒸汽压的概念，清楚纯液体饱和蒸汽压与温度的关系。（2）学会用静态法测定纯液体饱和蒸汽压，掌握其原理和方法，并懂得用图解法求纯液体的平均摩尔汽化热和正常沸点。（3）学会使用数字式真空测定仪和气压计。二、实验原理2.1饱和蒸汽压与温度的关系纯液体的饱和蒸汽压指的是在一定的温度条件下，纯液体与其自身的蒸汽达到平衡时的蒸汽压力。我们将蒸汽看做理想气体，则可用克劳修斯 -克拉贝龙方程式表示饱和蒸汽压与温度的关系：dlnp_ AvapHmriT- RT2 9式中，T为热力学温度，单位为K; p为纯液体在温度T时的饱和蒸汽压，单位为Pa;A H为纯液体在温度T时的摩尔汽化热，单位为J/mol; R为摩 vap m尔气体常数，其值为8.314J/（mol K）。在40乜70C范围内，我们可以把A H看做常数，将式积分可得vap m峰=兰乎*斗+ c用 lnp 对 1/T 作图，得到一条直线，斜率为则可得A H = -Rmvap m因此当测得一组不同温度下纯液体的饱和蒸汽压值时，可求得该温度范围内该纯液体的平均摩尔汽化热AH。vap m2.2正常沸点当液体的饱和蒸汽压等于外界压力时，液体沸腾，此时的温度即为该液体的 沸点。当外压为1 atm (101325Pa)时，液体的沸点称为正常沸点。2.3静态法测定纯水的饱和蒸汽压原理如图1的实验装置图所示所示，等压计由三个相连的玻璃管 A、B、C 组成，A中贮存的是本次实验的待测液体纯水，B管和C管则用U形管连通。B、C管此时要迅速记录下温度和压力。内也装有纯水。测量时，当U形管两边的液面在同一水平面时，表示U形管两 边上方的气体压力相等。A管中纯水的饱和蒸汽压即等于C管上面所加的外压，图1.液体饱和蒸汽压测定装置图在测量前，我们在大气压条件下对仪器实施了置零操作，在测量时测压仪所 显示的示数为相对大气压的差值。因此，我们要用大气压值加上测压仪的示数， 才可以得到对应温度下的实际饱和蒸汽压值。三、仪器与试剂3.1 实验仪器液体蒸汽压测定装置1 套真空泵1 台100C水银玻璃温度计 1根3.2实验试剂纯水四、实验步骤4.1 读取大气压和室温在实验前记录实验室的室温与大气压，完成实验后再读一次大气压，并做好 记录。4.2 装置仪器卸下等压计，倒入少量纯水，并使睡由管C流经u形管。管B、最后到达 管A。不断调整，知道管A中装入2/3体积的纯水为止。接着把等压计竖直， 想管 C 倒入纯水，使 u 形管两边水面向平。把等压计安装好，检查所有接口处 要严密不漏气，启动精密数字式压力计，以mmHg作为测量单位，在大气压力 下重置仪器的零点。4.3 检漏关闭直通活塞，隔绝大气，启动真空泵，慢慢旋转三通活塞使系统与真空泵连通。抽气减压至压力计示数为-4OOmmHg时，关闭三通活塞，使系统与真空 泵、大气均不连通。此时观察压力计示数，若压力机在3-5 分钟内维持不变，则 系统的气密性良好。若示数变化，则说明系统漏气，要找出漏气原因，排除故障。 4.4排空气打开直通活塞，连通大气，关闭三通活塞，接通回流水，并开始水浴加热和 搅拌。设置水浴温度升为40乜，达到既定温度后，慢慢打开三通活塞，使测压 仪示数为-720mmHg左右。此时A、B管内的空气会随着气泡逸出。持续35 分钟后可认为排气完全，随即关闭三通活塞。4.5 不同温度下纯水饱和蒸汽压的测定排气操作后，由于管A内的蒸汽经B、C逸出，导致U形管的水面左边高 右边低。旋转直通活塞，调节液面相平，迅速记下此时的压力和温度。设置水浴温度为45C,达到既定温度后，调节U形管页面。液面相平时迅 速记录温度和压力。重复上述操作，每隔5C测量一组数据，直至水温升至70C。最后打开直 通活塞，关闭三通活塞，整理实验仪器，关闭会流水、真空泵和电源。五、实验数据及数据处理5.1 压力校正大气压的温度影响校正公式为1 -F|3tct-pP厂亍厂旷卩卞七表 1.相关参数说明物理量ptapoP大较水银柱在气压计读035C间的 膨胀系数黄铜的线膨胀系数读数校正到0C时的气压值经温度校正后的大气压值物理意义数室温实验前为实验前为102.44KP102.10KP数值a20.09C0.00018180.0000184a102.05KP实验后实验后a102.32KP101.99KPaa5.2不同温度下纯水饱和蒸汽压记录表 2.不同温度下纯水饱和蒸汽压值测压仪测压仪次温度蒸汽压序温度 t/CT/K1/T / K-1示数/mmHg示数lnp/Pap/Pa140.00313.150.003193-705.4-94045.38004.6618.988245.00318.150.003143-689.0-91858.910191.149.229349.99323.140.003095-668.8-89165.812884.259.464455.00328.150.003047-643.7-85819.416230.639.695559.98333.130.003002-612.5-81659.720390.289.923665.00338.150.002957-574.3-76566.825483.1810.1467 69.98 343.13 0.002914 -528.1 -70407.3 31642.65 10.3621mmHg=133.322Pa)5.3作Inp-1/T图，求纯水的正常沸点l/T； xlOK19.409.209.GO8.802.9002.9503.0003.0503.1003.1503.2003.250图2 lnp-l/T 图 V.9264x 1 24J129R2- 0.999510.bO10.4010.2010.00a 9.809.60标准压力下，纯水的饱和蒸汽压等于标准压力，pe=p =101.325KPa,根 饱和据直线方程，求得T=373.58K。即纯水的正常沸点T=373.58K正常5.4求平均摩尔汽化热A Hvap m根据图2所得的lnp-1/T曲线图，直线的斜率m=-4.9264,根据式求得纯水在实验温度区内的平均摩尔汽化热A H =40.96K J/molvap m5.5误差分析实验所得纯水的正常沸点为T =373.58K，与文献值T=373.15K相比，相 正常对误差为 0.12%。实验求得纯水在实验温度区内的平均摩尔汽化热A H =40.96K J/mol，与 vap m文献值 40.63KJ/mol 相比，相对误差为 0.81%。从以上数据来看，本次实验所得的数据准确度较高。本实验的误差来源很多，包括测压仪和水浴装置的精密度、系统气密性、当地大气压、判断液面是否相平的标准、液面相平时温度和压力数据的采集情况等。为了尽可能地减少误差，首先我们采用了 精密数字压力计和数字式温度计，使用精密度较高的仪器，以及用读数显示输出 来代替人工读数，很大程度上增加了实验的准确性。第二，我们对系统的气密性 进行了检查，确保仪器正常无故障才开始实验。第三，我们在实验前和实验后一 共读取了两次大气压值，并且根据实际温度进行校正，取平均值。第四，至于判 断液面相平和读数，整个实验过程中均由同一位同学负责，避免个体读数差异。 把握读数时间，在液面相平时，及时记下温度和压力。六、讨论与思考6.1 实验改进思考实验过程中，需要反复调节直通活塞和三通活塞来调节U形管的液面相平， 此操作在实验中耗费时间较多。实验过程中就遇到因调节不慎，空气倒灌的情况， 导致实验失败。在调节液面过程中，系统尚未充分恒温并达到气液平衡就匆忙读 数记录实验数据。我们可以考虑在 U 形管上标上刻度，方便判断液面是否平衡。或者直接读出 U 形管两液面的高度，通过计算的方法求得饱和蒸汽压。计算公式为p =p +pg (h -h )饱和 压力计B c参考相关文献，有研究者提出使用单液管装置，通过管内液体高度修正数字 压力表读数得到纯水的饱和蒸汽压。6.2 实验思考题(1) 什么是液体的饱和蒸汽压？什么叫正常沸点？液体的沸点与外压有何关系？在一定温度下，纯液体与其自身的蒸汽达到气压平衡时，蒸汽的压力成为该 温度下的该液体的饱和蒸汽压。而当液体的饱和蒸汽压等于外界压力时，液体沸 腾，此时的温度即为该液体的沸点。当外压为1atm (101325Pa)时，液体的 沸点称为正常沸点。液体的沸点跟外部压强有关。当液体所受的压强增大时，它 的沸点升高；压强减小时；沸点降低。(2) 本实验方法能否用于测定溶液的蒸汽压？为什么？ 本实验方法只能用于测定纯液体的蒸汽压，纯液体有恒定的沸点，实验过程中容易判断是否达到沸腾状态。而溶液为混合物，不一定有恒定的沸点，难以测 定出溶液的蒸汽压。(3) 等压计 U 形管中的液体起到什么作用？冷凝器起什么作用？U型管液面相平时，表示两侧压力相等。U形管两侧分别连接待测液体(纯 水)以及压力计，那么我们通过压力计的读数就可以求得某一温度下对应的饱和 蒸汽压。冷凝器起到了冷凝回流的作用。U形管内的水并不多，该实验又必须在水沸 腾的状态下进行，如果不将蒸发的水蒸气冷凝回 U 形管，里面的水很快就会完 全蒸发，实验难以进行。(4) 怎样从数字式低真空测压仪的示数得到纯液体的饱和蒸汽压？ 在测量前，我们在大气压条件下对仪器实施了置零操作，在测量时测压仪所显示的示数为相对大气压的差值。因此，我们要用大气压值加上测压仪的示 数，才可以得到对应温度下的实际饱和蒸汽压值。(5) 能否在加热情况下检查是否漏气？我们是在使系统与真空泵和大气均不相通的情况下，观察压力计的示数是否 变化，如果在35min内示数稳定，贝U系统气密性良好。但温度的改变，会导致 纯水表面上的蒸汽压的改变，此时测压仪的示数将有变化。（6）实验过程中为什么要防止空气倒灌？我们的目的是要测量纯液体的饱和蒸汽压，即要保证纯水表面的空间全部被 液体蒸汽所充满。假若空气倒灌，空气混在液体蒸汽里头，所测出来的数值就不 是液体的蒸汽压。（7）实验时抽气和漏入空气的速度应如何控制？为什么？ 抽气和漏入空气的速度一定不能够过快，稍微旋开活塞即可。假若抽气过快，可能导致 U 形管里面的水被抽走；假若漏入空气过快，贝可能导致空气倒灌。（8）实验时大烧杯中的水为什么一定要淹没等压计球 A 和球 B 间的 U 形管？U 形管内的水是跟本次测定的纯液体相连通的，要保证他们在同一个系统里 面，保持温度相同，才可以保证实验数据的准确性。七、参考文献1何广平，南俊民等物理化学实验M.北京:化学工业出版社，2008,85-89. 汪永涛，刘卉等.利用Excel软件处理饱和蒸汽压数据J.安徽大学学报， 1999,23（1）：91-95.3 周蔚，段和平等 . 纯液体饱和蒸汽压测定实验改进 J. 洛阳师范学院学报， 2005：118-120.4 林敬东，闫石等 . 液体饱和蒸汽压测定实验改进 J. 实验室研究与探索，2012,31（3）：19-20.