实验4-饱和蒸汽压的测定

饱和蒸汽压的测定摘要：封闭体系中，当液体与其蒸汽平衡时，蒸汽的压力称为饱和蒸汽压。液体的饱和蒸汽压只与液体自身的性质以及温度有关，它们的关系可以用克拉贝龙-克劳休斯方程表示。本实验利用动态法，测量不同压力下环己烷的沸点，求出平均摩尔蒸发焓，同时验证克拉贝龙-克劳休斯方程式关键词：饱和蒸汽压克拉贝龙-克劳休斯方程沸点平均摩尔蒸发焓MeasurementofSaturatedVaporPressureAbstract:Thesaturatedvaporpressureisdefinedasthepressureexertedbyavaporinthermodynamicequilibriumwithitsliquidatagiventemperatureinaclosedsystem.Thesaturatedvaporpressureonlydependsontheliquiditselfandthetemperature.TherelationbetweenthemcanbedescribedbyClapeyron-Clausiusequation.Wemeasuredtheboilingtemperaturesatdifferentpressuresbydynamicmethod,calculatedtheaveragemolalheatofvaporization,andprovedClapeyron-Clausiusequation.Keywords:SaturatedVaporPressureClapeyron-ClausiusEquationBoilingPointAverageMolalHeatofVaporization1.前言液体的沸点是指液体的饱和蒸汽压与外界压强相等时的温度。它随着外压的改变而变化，因此，液体的饱和蒸汽压与温度有着密切的关系。液体的蒸汽压与摩尔汽化热的关系可用克拉贝龙-克劳修斯方程表示。因此通过测定不同温度下的饱和蒸汽压，可以求出液体的摩尔蒸发热及其他热力学参数。液体饱和蒸汽压常用的测量方法有静态法、动态法和饱和气流法。动态法是在不同外部压力下测定液体沸点的测定方法。与其它两种相比，动态法具有操作简单方便，测量结果比较准确，且适用于蒸汽压不是太高的液体等优点。本实验用动态法通过测量环己烷在不同外压下的沸点，计算平均摩尔气化热，找出液体的饱和蒸汽压与温度之间的关系，并验证克拉贝龙-克劳修斯方程。2.实验部分2.1.实验目的1.对液体饱和蒸汽压与温度的关系作实验上的研究。根据建立起的经验方程式，求算液体的平均摩尔汽化热。2.明确蒸气压、正常沸点、沸腾温度的含义；了解动态法测定蒸气压的基本原理。3.了解真空泵、气压计的使用及注意事项。2.2.实验原理在封闭体系中，液体很快和它的蒸汽达到平衡。这时的蒸汽的压力称为液体的饱和蒸汽压。蒸发一摩尔液体需要吸收的热量，即为该温度下液体的摩尔汽化热。它们的关系可用克拉贝龙～克劳修斯方程表示：ddvapmlnpTHRT2(2－1)H：摩尔汽化热(J·mol-1)R：气体常数(8.314J·mol-1·K-1)若温度改变的区间不大，H可视为为常数(实际上H与温度有关)。积分上式得：ddvapmlnpTHRT2ln'PAHRT(2－2)或logPABT(2－3)常数AA'.2303，BHRvapm2303.。(3)式表明logP与1T有线性关系。作图可得一直线，斜率为－B。因此可得实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热H。vapmHRB2303.(2－4)当外压为101.325kPa(760mmHg)时，液体的蒸汽压与外压相等时的温度称为液体的正常沸点。在图上，也可以求出液体的正常沸点。液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种：123、饱和气流法：在液体表面上通过干燥的气流，调节气流速度，使之能被液体的蒸汽本实验利用第二种方法。此法基于在沸点时液体的饱和蒸汽压与外压达到平衡。只要测得在不同外压下的沸点，也就测得在这一温度下的饱和蒸汽压。实验装置图图1纯液体饱和蒸汽压测定装置图1-盛水大烧杯;2-温度计(分度值为0.1°);3-搅拌;4-平衡管;5-冷凝管;6-开口U形水银压力计;7-具有保护罩的缓冲瓶;8-进气活塞;9-抽气活塞;10-放空活塞;11-安全瓶;12、13-橡皮管14-三通活塞图1中，平衡管由三个相连通的玻璃球构成，顶部与冷凝管相连。冷凝管与U形压力计6和缓冲瓶7相接。在缓冲瓶7和安全瓶11之间，接一活塞9，用来调节测量体系的压力。安全瓶中的负压通过真空泵抽真空来实现。安全瓶和真空泵之间有一三通阀，通过它可以正确地操作真空泵的启动和关闭。A球中装待测液体，当A球的液面上纯粹是待测液体的蒸汽，并且当B管与C管的液面处于同一水平时，表示B管液面上的蒸汽压(即A球面上的蒸汽压)与加在C管液面上的外压相等。此时体系汽液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。用当时读得的大气压减去压差计两水银柱的高度差，即为该温度下液体的饱和蒸汽压。2.3.实验仪器与试剂表1实验仪器及试剂2.4.实验步骤1．熟悉实验装置，掌握真空泵的正确使用，了解系统各部分及活塞的作用，读当日大气压。2．取下平衡管4，洗净、烘干，装入待测液。使A球内有2/3体积的液体。并在B，仪器名称生产厂家数量SHB-III循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司1台MKT50高精度温度计奥地利安东帕公司1台D25-2型电动搅拌机杭州仪表电机厂1台JJ-1增力电动搅拌器江苏省金坛市环宇科学仪器厂1台BY型U形压力计江苏常州市东风仪表厂1台DCT-2AI控温仪南京南大万和科技有限公司1台WYB-I型真空稳压包南京南大万和科技有限公司2台橡皮管/若干平衡管/1个冷凝管/1个放大镜/1个环己烷(分析纯)//C管中也加入适量液体，将平衡管接在冷凝管的下端。平衡管中液体的装法有两种：一是把A管烘烤，赶走空气，迅速在C管中加入液体，冷却A管，把液体吸入。二是将C管中加入液体，将平衡管与一水泵相连接，抽气，并突然与水泵断开，让C管的液体流入A管。（实验中心已准备好，液体为环己烷）3．系统检漏：管闭活塞8和9，将三通活塞14旋转至与大气相通，关闭活塞10，插上真空泵电源，启动真空泵，将活塞14再转至与安全瓶11相通，抽气5分钟，再将活塞14旋至与大气相通，拔掉真空泵电源，停止抽气。这样做是为了防止真空泵油倒吸。用活塞9调节缓冲瓶的真空度，使U形压力计两臂水银柱高低差为20—40毫米，关闭活塞9。仔细观察压力计两臂的高度，在10分钟内不变化，证明不漏气，可开始做实验。否则应该认真检查各接口，直到不漏气为止。（实验中不必进行检漏）4．用循环水泵对真空包进行抽真空，打开搅拌器，将控温仪温度设置为82℃，开始加热，观察平衡管中气体冒泡情况。当达到控制温度时，停止加热，让水浴温度在搅拌中缓缓下降，C管中的气泡逐渐减少直至消失，液面开始下降，B管液面开始上升，认真注视两管液面，一旦处于同一水平，立即读取此时的温度。这个温度便是实验大气压条件下液体的沸点。重复测量三次。5．关闭活塞8，用活塞9调节缓冲瓶7中的真空度，从而降低平衡管上端的外压，U形压力计两水银柱相差约40mm左右，这时A管中的待测液又开始沸腾，C管中的液面高于B管的液面，并有气泡很快逸出，随着温度的不断下降，气泡慢慢消失，B管液面慢慢升高，在B、C两管液面相平时，说明A、B之间的蒸汽压与外压相等。立即记下此时的温度和U形压力计上的读数。此时的温度即外压为大气压减去两汞柱差的情况下液体的沸点。6．继续用活塞9调节缓冲瓶的压力，体系产生新的沸腾，再次测量蒸汽压与外压平衡时的温度，反复多次，约10个点。温度控制在80℃以上，压差计的水银柱相差约400mm左右为止。7．为了测量的准确性，将缓冲瓶放空，重新加热，按上述步骤继续重复测量两次。8．实验结束时，再读取大气压，把两次记录的值取平均。2.5.注意事项1.平衡管A管和B管之间的空气必须赶净。2.抽气和放气的速度不能太快，以免C管中的水被抽掉或B管中的水倒流到A管。3.读数时应同时读取温度和压差。4.使用真空泵时的注意事项：使用真空泵时，特别是关真空泵时，一定要防止真空泵中的真空油被吸入大真空瓶中去，要保证真空泵的出口连通大气时才能关真空泵。就本实验而言，要保证大真空瓶上的三通活塞处于“”状态时才能切断真空泵的电源。2.6.数据处理方法1.自行设计实验数据记录表格，正确记录全套原始数据并填入演算结果。2.以测得的蒸汽压对温度T作图。3.由P－T曲线均匀读取10个点，列出相应的数据表，然后给出lnP对1T的直线图，由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。4.由曲线求得待测液体的正常沸点，并与文献值比较。3.实验数据记录与处理详见“附录”4.实验结果及讨论4.1.实验结果由实验数据处理后可得三次实验中环己烷的摩尔蒸发焓vHm和沸点Tb，取平均值后与标准值比较，结果见表2。123平均值理论值相对误差△vHm/(kJ/mol)31.8431.7831.6931.7733.053.9%Tb/℃80.9280.9781.0180.9780.740.3%4.2.结果分析表2环己烷的△vHm和Tb结果实验测得，在56℃到81℃之间，环己烷的平均摩尔汽化热为31.77KJ/mol，正常沸点为80.97℃。查阅文献，可得环己烷在20℃下理论摩尔汽化热为33.05KJ/mol，正常沸点为80.74℃。则忽略温度影响条件下，摩尔汽化热的相对误差为3.9%，正常沸点的相对误差为0.3%从结果上来看，本实验中计算出环己烷的摩尔蒸发焓vHm和沸点Tb都与标准值误差较小，且三组平行实验所得结果都比较接近，故认为此次实验结果较为准确，具有一定可信度。本实验中，三次测量所得到的lnp与1/T的线性关系均比较好，这间接证明了克拉贝龙-克劳休斯方程的合理性，也说明了采用动态法测量环己烷的摩尔汽化热与标准大气压下的沸点是可行合理的。此法操作简便，分析精简，而且所得结果相对也比较准确，所以也是测量摩尔汽化热以及饱和蒸汽压不错的选择。4.3.误差分析1．实验计算时利用了克拉贝龙-克劳修斯方程时本身就引入了近似，其忽略了液体的体积，认为气体为理想气体，并且认为焓变是不随温度变化的常数。实际上液体体积不应忽略不计，分体分子之间也存在相互作用力，而且，考虑到ΔH=ΔU+Δ(pV)，非理想气体的U与Δ(pV)都与T有关，焓变不是不随温度变化的常数，使得本实验在原理上有系统误差。2．实验测量蒸发焓计算式的前提条件是过程可逆，ΔG=0，实际无法达到绝对的可逆过程，从而造成一定误差。3．虽然使用了电动搅拌器，并不能保证整个水浴池内每一处温度相等，可能仍存在温度分布不均匀的现象。而且温度计壁使得传热减慢，内部液体上升也需要时间，而控温仪电流传导虽然较快，但是其程序响应也有一定滞后性，所以测量的物理量都可能不为测量时刻体系真实的物理量。并且温度计测量的是水浴池内水的温度，而不是环己烷的温度，也存在一定误差。4．使用冷凝水使体系降温时，可能降温速率较快使得气液平衡未达到，也将存在误差。5．从我们记录的数据中可以看到，一开始Hg柱的高度就不一致，而且没左臂与右臂变化的高度的绝对值也相等，会导致误差。6．在实验减压过程中，可能有少部分的小水滴存在于Hg柱和管壁之间，会影响Hg柱高度差的测量。7．Hg柱上方为凸液面，而在实验过程中，可能会由于管壁不洁净，导致不同位置对Hg的浸润情况不一致，可能会导致Hg柱上端液面为不水平的倾斜液面，使得测量时有较大误差。8．U型压力计的刻度读数也有误差。9．为防止Hg挥发使人中毒，Hg上方有一定量的水，而水的高度可能不一致，也可能对压强测量有影响，引起误差。10．实验中，理论上应同时读取Hg柱高度差并判断液面相平并快速读取温度示数，由于还要减压，故操作不能达到同时，所以要提前读取Hg的高度，可能会带来一些误差。11．判断液面水平的过程中存在着较大的人的主观因素，可能会造成较大误差。由人眼读取汞柱高度时也存在