液体饱和蒸汽压的测定.doc

2003010353 环32 廖程浩
实验三 液体饱和蒸汽压的测定

实验人姓名：廖程浩 系别：环境系 班级：环32 学号2003010353
同组实验者姓名：张玉云 实验日期：2005年4月26日 地点：化学馆103

实验目的
1． 用等压管法测定不同温度下乙醇的饱和蒸气压，并求出所测温度范围内的平均摩尔气化焓及正常沸点。
2． 学会使用温度计与气压计及其校正方法，近一步熟悉恒温槽的构造和真空泵的使用。

实验原理
在一定温度下，与纯液体处于平衡态时的蒸气压力，称为该温度下的饱和蒸气压。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，液体分子中表面逃逸成蒸气，同时蒸气分子因碰撞而凝结成液相，当两者的速率相等时，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。
纯液体的蒸气压是随温度变化而变化的，它们之间的关系可用克劳修斯—克拉贝龙方（Clausius—Clapeyron）方程来表示：
dln(p/Pa)/dT=△vapHm/RT2
式中p为纯液体温度T时的饱和蒸气压；T为热力学温度；△vapHm为液体摩尔气化热；R为气体常数。如果温度变化的范围不大，△vapHm视为常数，可当作平均摩尔气化热。积分上式得：
lnp=-△vapHm/RT + A
式中A为积分常数，此数与压力p有关。
由上式可知：一定温度范围内，测定不同温度下的饱和蒸气压，以lnp对1/T作图，可得一条直线。由该直线的斜率可求得实验范围内液体的平均摩尔气化热。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。从图中也可求得其正常沸点。计算时：斜率=-△vapHm/R so△vapHm=-Rm
测定饱和蒸气压常用的方法有动态法、静态法和饱和气流法等。本实验采用静态法，即被测物质放在一个密闭的体系中，在不同温度下直接测量其饱和蒸气压，在不同外压下测量相应的沸点。此法适用于蒸气压比较大的液体。

仪器与药品
等压管1支、稳压瓶1个、负压瓶1个、恒温槽1套、真空泵1台、测压装置1台、测温装置一台。乙醇（分析纯）

实验装置图
1.等压管2.冷凝管3.搅拌器
4.加热器5.温度计6.稳压瓶
7.水银温度计8.负压瓶
实验步骤
1．装置与装样：按装置图安装，把乙醇装入等压管中，使液面在等压管的三分之二处。
2．检漏：利用测压装置分段检查系统是否漏气。
3．升温：开动搅拌器，调节加热器电压在160V左右，同时开冷却水。
4．排气：当水浴温度超过50℃时，等压管内液体开始沸腾，即大量气泡通过液栅由C排出。沸腾3－5分钟（每秒约排出3－4个气泡）就可以除去AB间的空气及溶在液体里的空气。
5．蒸气压的测定：排气完毕，缓慢打开活塞H，使体系通过毛细管慢慢吸入空气逐渐升高压力，直到稳压瓶中的压力快接近蒸气压时为止。然后调节调压器，改变加热电压，直到BC液面相对不变，此时表示温度已恒定。然后调节稳压瓶压力使BC液面基本调平，稳定一分钟左右，分别记录测压装置与测温装置的读数。
继续加热水浴，加热过程中适当调节活塞H，使液体不激烈沸腾，当温度升高3－4℃时重复上述步骤。一直升温至75℃附近。总共测6－7个点即可。
6．结束：实验完毕，将系统与大气相通，关闭调压器，整理实验台。将所测数据输入计算机相应程序进行运算并记录结果。

注意事项
1．等压管中AB液面间的空气必须排净
2．在操作过程中要防止液体倒吸，即C处气体通过液栅吸入AB间。一旦倒吸，重新排气。
3．在升温时，随时调节活塞H，避免液体激烈沸腾。

实验条件
气温：20.5℃ 气压：99.82kPa 测定蒸汽压仪器：1号
初始压力：29.74kPa

实验操作
1检漏后，打开安全瓶通大气，稳定后开泵抽气减压。
2抽至略低于30KPa开安全瓶通大气，关泵。
3开搅拌器，通冷却水，同时开始加热。
4加热至约50℃，排气3-5分钟。
5打开活塞H吸入空气是BC液面相平，调温使稳定一段时间，读数。重复几次直至测完。
6关闭各仪器，数据输入提交验证。

实验现象简述及简要解释
1检漏时压力值不变，因为系统气密性良好。
2调节加热电压后，BC液面变化有延迟，因为水传热的问题，温度改变有延迟。
3BC液面相平后，温度和压力值稳定，因为此时系统平衡。

实验数据记录
T/℃
53.24
56.95
60.00
63.20
66.99
69.85
73.00
P/ kPa
35.56
41.22
47.83
54.92
64.98
73.16
83.44
乙醇沸点Tb/℃
78.15023
摩尔蒸发热Hm/(J/mol)
40954.51
偏差U1/%
-0.1275
偏差U2/%
1.27228
计算机处理结果
（上述为实验室程序验证结果）
Lnp/Pa
10.47897669
10.62668
10.77541
10.91363
11.08183
11.2004
11.33188
T/K
326.39
330.1
333.15
336.35
340.14
343
346.15
1/T
0.003063819
0.003029
0.003002
0.002973
0.00294
0.002915
0.002889

So: R=0.9998 数据线性较好
Ln101325=11.526088 对应得1/T=0.0028492
T=350.9757K t=77.8257℃即为所求乙醇正常沸点
偏差U`1/%=0.66%
摩尔蒸发热Hm/(J/mol)=40953.9
偏差U2/%=3.86%
计算结果与程序验证有一定偏差,而与文献值偏差更大了些，可能是计算过程中尾数的忽略和实验条件在自行计算中未对实验数据进行修正的结果。且验证程序与所查到的文献参考值不同。
So：Lnp/Pa= -4925.91/T + 25.561

数据处理
1．将所测数据列表。
2．作lnp/Pa－1/T，从直线斜率求平均摩尔蒸发焓。将直线延长到p＝101.325kPa处，求无水乙醇的正常沸点。
3．列出无水乙醇蒸气压和温度的关系式。

实验结论
程序处理结果为：乙醇沸点Tb/℃ 78.15023
摩尔蒸发热Hm/(J/mol) 40954.51
自行画图计算结果为：T=350.9757K t=77.8257℃（所求乙醇正常沸点）
摩尔蒸发热Hm/(J/mol)=40953.9
程序处理验证结果的偏差很小，而自行画图的结果的偏差要大些。

预习思考
1．饱和蒸气压、正常沸点、沸腾温度的含义：
液体在密闭的真空容器中蒸发，当液体上方蒸气的浓度不变时 ，即气液两相平衡时的压力，称为/饱和蒸气压或液体的蒸气压(vaporpressure)。当液体的饱和蒸气压与大气压相等时，液体就会沸腾，此时的温度就叫该液体的正常沸点(normal boiling point)。而液体在其它各压力下的沸腾温度称为沸点。
2．克－克方程的应用条件？为什么本实验测得的是平均摩尔蒸发焓？
当在讨论蒸气压小于101.325kPa范围内的气液平衡时，可以引进两个合理的假设：一是液-体的摩尔体积V与气体的摩尔体积Vg相比可略而不计，则△g；二是蒸气可看成是理想气体，则△v与温度无关，在实验温度范围内可视为常数。气液达到平衡，温度变化不大的条件下，焓变△H可以视为不变，从而可以应用克－克方程。
3．稳压瓶、负压瓶的作用是什么？什么时候需用活塞H和G？
稳压瓶起缓冲作用，防止乙醇倒流入气压计中，同时缓冲开关H阀门时的气流；负压瓶用来储气，同时缓冲作用。
当C管中液面明显高出B很多时，应该开大H阀门，使得稳压瓶内气压增大，B和C的液面差减少；当C管的液面低于B管时，是比较危急的，因为一旦液体倒吸，实验就必须重测了。此时，可以打开G阀门，因为负压瓶中气压小，使得空气流入负压瓶中一部分，C管内压力减少，BC管液面差又可以趋平。
4．为什么要避免无水乙醇的激烈沸腾？
激烈沸腾则气体也被加热，所测不是正好的沸腾状态。

思考与讨论
1实验仪器讨论
等压管的作用：加热时，管A、B、C的温度同时上升，B管中的压力增大，当压力增到与等压管中的蒸气压相等时，B、C管中的液面完全水平。所以用作估测稳压瓶的压力计相当于测得了饱和蒸气压。
负压瓶的作用：负压瓶起到保护作用。当用油泵抽气时，稳压瓶、负压瓶中的压力相等。当H阀门打开时，稳压瓶的压力大于负压瓶中的压力，出现倒吸前打开阀门可以降低压力，起到保护作用。
油泵的作用：用油泵抽空时，应先将安全瓶通大气，将第一个阀门打开，稳定后关闭抽气。
安全瓶的作用：油泵用油和系统蒸汽不能混合，否则对两者都不利，故中间加有安全瓶隔离。
BC管：个人觉得，可以对BC管作少许改动：加上高度刻度。这样在实验中，可以较易得到BC不完全相平的稳定状态，处理中可以用高度液体产生的压力差来修正。虽然处理时麻烦一些，但应该可以提高实验精度。
2实验操作讨论
抽气：抽气时应尽可能将体系中的压力降低，因为由克克方程，压力与温度成正比，如果体系中的压力太高，则相应温度下的乙醇沸点也会升高，实验困难。
调节电压：调节电压加热时应先将电压调大，约180V，到液体快要沸腾时，将电压降低，使体系在较短的时间内达到温度的稳定。不过本次实验中所用的调压器可能有点问题，难以调节稳定。（相对于其他两组的似乎滞后性更大）
调节液面的水平：调节阀门H比调节电压更容易达到目的，在调节B、C液面水平时，应先小心地调节阀门H，使B、C液面缓慢变化直至基本达到水平，然后关闭阀门H，将电压调至先前调节好的稳定状态，我们实验的稳定状态约为60—80V之间，此时再小心地调节阀门H，使B、C液面最终达到水平。而且对于稳定时间也不应有过高要求。本次实验就是因为对稳定时间要求过长而导致实验时间过长。

参考
1文献值：△vapHm=42.6kJ/mol
Tb=351.54K(78.34℃)

2测定液体饱和蒸气压还常用以下方法：
（1）饱和气流法
在一定的温度和压力下，让一定体积的空气或惰性气体以缓慢的速率通过一个易挥发的待测液体，使气体被待测液体的蒸气所饱和。分析混合气体中各组分的量以及总压，再按道尔顿分压定律求算混合气体中蒸气的分压，即是该液体在此温度下的蒸气压。该法的缺点是：不易获得真正的饱和状态，导致实验值偏低。
（2）动态法
当液体的蒸气压与外界压力相等时，液体就会沸腾，沸腾时的温度就是液体的沸点。即与沸点所对应的外界压力就是液体的蒸气压。若在不同的外压下，测定液体的沸点，从而得到液体在不同温度下的饱和蒸气压，这种方法叫做动态法。该法装置较简单，只需将一个带冷凝管的烧瓶与压力计及抽气系统连接起来即可。实验时，先将体系抽气至一定的真空度，测定此压力下液体的沸点，然后逐次往系统放进空气，增加外界压力，并测定其相应的沸点。只要仪器能承受一定的正压而不冲出，动态法也可用以在101.325KPa以上压力下的实验。动态法较适用于高沸点液体蒸气压的测定。

参考文献：
《物理化学实验》清华大学化学系物理化学实验编写组 清华大学出版社
《物理化学》 王军民等编 清华大学出版社

实验小结
本次实验原理比较简单，操作过程也不复杂。相对于其他实验，是较易完成的。但由于对实验条件要求过高，造成测量过程太慢，花了不少时间。不过幸而数据都是合理的，一次就完成了实验内容。
实验结果的比较中出现了比较奇怪的现象：程序处理结果和计算处理结果有偏差。原因分析上面已经描述。不过都在误差允许范围之内。
谢谢老师指导。
环32 廖程浩
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