纯液体饱和蒸汽压的测定-大万科教饱和蒸气压的测定实验装置

实验三   纯液体饱和蒸汽压的测定

一．目的要求

1、明确纯液体饱和蒸气压的定义和气液两相平衡的概念，深入了解纯液体饱和蒸气压和温度的关系——克劳修斯—克拉贝龙方程式

2、用精密数字压力计测定不同温度下乙醇的饱和气压。初步掌握真空实验技术

3、学会用图解法求被测液体在实验温度范围内的平均摩尔气化热与正常沸点

二．基本原理

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，液体分子从表面逃逸成蒸气，同时蒸气分子因碰撞而凝结成液体，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（Clausius—Clapeyron）方程来表示：

式中p*为纯液体温度T时的饱和蒸气压；T为热力学温度；ΔvapHm为液体摩尔气化热；R为气体常数 8.314J·K-1·mol-1。如果温度变化的范围不大，ΔvapHm视为常数，可当作平均摩尔气化热。将(Ⅱ-3-1)式积分得：

式中C为积分常数，此数与压力p*有关。由(Ⅱ-3-2)式可知，在一定温度范围内，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lnp*对1/T的图中也可求得其正常沸点。

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。（1）动态法：在不同外界压力下，测定液体的沸点。（2）静态法：在某一温度下，直接测量饱和蒸气压。测量方法是调节外压并使外压与饱和蒸气压相等。此法一般适用于蒸气压比较大的液体。（3）饱和气流法：在一定温度和压力下，把干燥气体缓慢地通过被测液体，使气流为该液体的蒸气所饱和。然后可用某物质将气流吸收，知道了一定体积的气流中蒸气的质量，便可计算蒸气的分压，这个分压就是该温度下被测液体的饱和蒸气压。此法一般使用于蒸气压比较小的液体。本实验采用静态法，既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。

三．仪器和试剂

蒸气压测定装置                                      1套

精密数字气压计                                      1台

玻璃恒温水浴                                        1台

抽气泵                                              1台

缓冲储气罐                                          1台

水银温度计（分度值0.1℃及1℃）                    各一支

乙醇（分析纯）

四．操作步骤

本实验采用升温法测定不同温度下无水乙醇的饱和蒸气压。

1、按图Ⅱ-3-1用橡胶管将各仪器连接成饱和蒸气压实验装置。所有接口必须严密封闭。等位计由三根相连通的玻璃管a，b和c组成，a管中存储被测液体，b和c中也有液体在底部相连。当a、b管的上部纯粹是待测液体的蒸气，b与c管中的液面在同一水平时，则表示在b管液面上的蒸气压与加在c管液面上的外压相等，此时液体的温度即体系的气液平衡温度，亦即沸点。

图Ⅱ-3-1纯液体饱和蒸汽压测定装置图

平衡管中的液体可用下法装入：拔下等位计磨口连接管，用滴管向等压计内加入无水乙醇，再用吸耳球挤压进样品池a内，使乙醇充满试液球a体积的2/3和U型等位计的大部分，盖上磨口连接管。

2、系统检漏

关闭缓冲储气罐上的空气活塞阀1，打开阀2使系统与真空泵接通，开动真空泵，抽气减压至负压计显示屏数值为80～90kpa时，关闭进气阀，停止真空泵工作。同时关闭阀2，使系统与真空泵、大气皆不通。观察数字压力计的数值，如压力计的数值在数分钟内维持不变或变化≤0.01Kpa/4S，则表明系统不漏气。否则应逐段检查，排除漏气故障。

3、排除系统内的空气

系统内的压力包括两部分：一是待测液的蒸气压；另一部分是空气的压力。测定时，必须将其中的空气排除后，才能保证待测液面上的压力为液体的蒸气压。排除方法为：接通冷凝水，接通恒温水浴，调节水浴温度为指定温度，抽气降压至液体轻微沸腾，此时系统内的空气不断随蒸气逸出，如此沸腾数分钟，可认为空气被排除干净。

4、饱和蒸气压的测定

待空气排除干净且体系温度恒定后，打开空气活塞阀1缓缓放入空气（切不可太快，以免空气倒灌入平衡管中，如果发生空气倒灌，则须重新排除空气)，直至等位计中的U型部分液面平齐，关闭活塞阀1，立即记录温度与负压计显示的数值（如果放入空气过多，则须先抽气，再调平齐）。重复操作一次，压力计上的读数与前一次相差应不大于+67pa，此时即认为试液球与U型等位计上的空间全部为乙醇的蒸气所充满。

然后，将恒温水浴温度升高5℃，因温度升高后，液体的饱和蒸气压增大，液体会不断沸腾。为了避免平衡管中液体大量蒸发，应随时打开小缓冲瓶上的通气活塞缓缓放入少量空气，以防止等位计平衡管中的液体暴沸。当体系温度恒定后，再次放入空气使平衡管中的U型部分液面平齐，记录温度和负压值。然后依次每升高5℃，测定一次负压，总共测6个值。

五．注意事项

1、实验系统必须密闭，一定要仔细检漏。

2、必须让U型等位计中的试液缓缓沸腾3~4分钟后方可进行测定。

3、测下一次温度时可预先漏入少量空气，以防止U型等位计中的液体暴沸，但是不能使空气进入a球，否则，必须重新排空。

4、液体的蒸气压与温度有关，所以测定过程中必须严格控制温度。

5、U型等位计必须放置于恒温水浴的液面以下，以保证试液温度的准确度。

六．数据记录和处理

1、温度的正确测量是本实验的关键之一。温度计必须作露茎校正。校正方法和公式参考下页附录部分。

2、大气压的校正公式：

3、计算乙醇在各温度下的蒸气压

为数字压力计上显示的负压值。

4、以蒸气压p*对温度T作图。

5、由p*- T曲线均匀读取10个点，列出相应的数据表，然后绘出lnp*对1/T的直线图。由直线斜率计算出被测液体在实验温度区间内的平均摩尔气化热。

6、由曲线求得样品的正常沸点，并与文献值（参考物理化学手册）比较。

七．思考题

1、压力和温度的测量都有随机误差，试导出ΔvapHm的误差传递表达式。

2、用此装置，可以很方便地研究各种液体，如苯，二氯已烯，四氯化碳，水，正丙醇，异丙醇，丙酮和乙醇等，这些液体中很多是易燃的，在加热时应该注意什么问题？

3、开启旋塞放空气入内时，放得过多应如何办？实验过程中为什么要防止空气倒灌？

4、测量中为什么要将A-B管中的空气干净？如何判断空气已经赶净？抽气和放气的速度为什么不能太快？

5、系统漏气会给实验结果带来什么影响？会使什么值偏大、什么值偏小？

6、读数时为什么应同时读取温度和压力差？

7、摩尔蒸发焓与温度有无关系？克－克方程在什么条件下才能应用？

八．讨论

1、本实验数据处理较为复杂，可用微机拟合处理，并与上述作图计算所得结果进行比较。

2、实验测得的平均摩尔气化热数据可直接用于“气-液色谱法测定非电解质溶液的热力学函数”。这样可以培养学生对自己所测数据的责任心。在实际教学安排中，由两个学生组成一组，在8小时的教学时间里合作完成这两个实验。经验证明，这将较大地激起学生学习的积极性。

九．参考文献

1、傅献彩、沈文霞、姚天扬编，物理化学（第四版），1990年，高等教育出版社，上册，第144页。

2、复旦大学，蔡显鄂等修订，物理化学实验（第二版），高等教育出版社，1996年。

3、北京大学化学学院物理化学实验教学组，物理化学实验（第四版），北京大学出版社，2002年。

附录：

水银温度计的缺点是长期使用后由于温度计玻璃的性质有所改变，因而其形状和体积也将发生变化，并且在测温时，由于温度计的玻璃各部分受热不均而使指示的温度发生偏差。所以在精密测量中需要先对温度计进行校正。

1、零点的校正：通常用待校温度计测量纯水的温度进行校正。另外，也可以用一套标准温度计进行校正。校正时，把标准温度计与待校温度计捆绑在一起，使它们的水银球一端齐平，然后浸在恒温槽中，逐渐升高槽温，同时读下二者的读数，即可作出校正曲线，进行校正。     

2、露茎部分的校正：利用水银温度计进行测温时，应使温度计全部浸没于被测介质中，但实际上不可能的，                     

所以要对温度计的露茎部分要进行校正。校正方法如图Ⅱ-3-2所示，并按下式进行计算。

式中：0.00016是水银对玻璃的相对膨胀系数；t观是测量温度计上的读数；t环是附在测量温度计上的辅助温度计的读数（辅助温度计的水银球应置于观测温度计露茎高度的中部为宜）；h是测量温度计水银柱露在空气中以温度计度数表示的的长度，称为露茎高度。利用上式可得出校正后的       图Ⅱ-3-2温度计露茎校正示意图

温度，即为：