液体饱和蒸汽压的测定

液体饱和蒸汽压的测定
【摘要】
本实验根据克拉贝龙-克劳修斯方程,运用动态法研究环己烷的饱和蒸气压与温度的关系，并计算其摩尔汽化热。

在实验中了解了真空泵、气压计的使用方法及注意事项。

【关键词】
饱和蒸气压 摩尔汽化热 动态法 克拉贝龙-克劳修斯方程 一、前言
本实验研究的是单组分体系气-液相平衡:定温下把液体放在真空容器中，液体开始蒸发变成气体态，气态物质又可重新回到液体中。

达到平衡时，通过液体表面进出的分子数相等，定温下液体与其自身的蒸气达到平衡时的蒸气压就是液体的饱和蒸气压;蒸发1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∆H ;饱和蒸汽压与摩尔汽化热之间的关系可以用克拉贝龙-克劳修斯方程表示:
d d v a p m l n p T H R T =
∆2
当液体与外界大气压相通，并且液体的饱和蒸气压与外界压强相等时，液体沸腾，此时的温度称为沸点.沸点是随着外压的改变而变化的。

若温度改变的区间不大，∆H 可视为为常数。

积分上式得：
ln 'P A H
RT =-∆
或 lo g P A B
T
=-
常数A A ='.2303，B H R =∆vap m 2303..log P 与1
T 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 。

∆v a p m
H R B =2303. 本实验采用的是在不同外部压力下测定液体沸点的动态法。

即测量多组不同
气压下的沸点，并通过直线拟和计算出纯水的摩尔汽化热。

本实验操作较为复杂，应注意保证体系中不要混入空气，以免影响实验结果。

二、实验部分
（一）仪器
DTC-2AI控温仪南京南大万和科技有限公司
WYB-I型真空稳压包南京南大万和科技有限公司
U型压力计江苏省常州市东风仪表厂
JJ-1型增力电动搅拌器江苏省金坛市环宇科学仪器厂
1/10℃温度计
福廷式压力计
平衡管
（二）药品
环己烷液体
（三）操作步骤
1）装置概述
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。

图2-1 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 2）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，读取实验前的气压与温度。

2、不同外部压力下环己烷沸点的测定：
A 、将平衡管浸入盛有蒸馏水的大烧杯中，并使其全部浸没在液体中。

加热，并开启搅拌马达，使水浴中的水温度均匀。

B 、关闭活塞9，使活塞8与大气相通。

此时平衡管，压力计，缓冲瓶处于开放状态。

将活塞14通大气，插真空泵电源抽气，把活塞14旋转至与安全瓶相通，抽5分钟，再将活塞14通大气。

拔下电源，此时安全瓶内为负压，待用。

C 、随着水浴中液体的温度的不断升高，A 球上面的待测液体的蒸汽压逐渐增加，使C 管中逐渐有气泡逸出。

本实验所测的液体为环己烷，所以待测水浴中的液体沸腾后仍需继续煮沸5-10分钟，把A 球中的空气充分赶净，使待测水上面全部为纯液体的蒸汽。

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。

D 、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。

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︒C 以上，压差计的水银柱相差约400mm 左右为止。

重复BCD 步骤两次，获得三组数据。

实验结束，再读取气压与温度，取前后的平均值。

三、实验结果与讨论 一）实验结果
1.在61~81℃温度范围内，环己烷的摩尔汽化热m vap H ∆=3
2.287kJ/mol 。

在20℃时，环己烷的理论摩尔汽化热为3
3.055kJ/mol ，相对误差为2.32%。

2.根据实验数据所拟合出的直线方程算得环己烷在一个标准大气压下的沸点为 353.41K 。

此时理论沸点为353.85K ，相对误差为0.1243%。

二）实验结果分析
用该实验测得的摩尔汽化热和沸点都与资料非常接近而且偏低，分析原因可能包含如下几个方面：
1. 实验理论上的误差：
克拉伯龙-克劳修斯方程推导中有多个假设：将蒸汽视为理想气体，在汽化过程前后忽略液体的体积，且在一定温度范围内认为摩尔汽化热为常数。

其中理想气体仅是理想化的模型，汽化过程之前的液体也占据一定的体积，摩尔汽化热实际上也是随温度变化而变化的。

以上都会引起lnP~1/T曲线对线性的偏离。

结合所学的物化知识可知，实际的lnP~1/T曲线应该在拟合直线的上方，这就能说明摩尔汽化热和沸点的值为什么会偏低。

2. 实验方法中引入的误差：
本实验所采用的动态法中，判断气液相平衡的标志是两边液面相平。

实际上此时并不是严格静态的平衡。

而且人眼观察液面也会引入误差。

所以实验中要分工明确，同一种数据指定一个同学完成，可以减小误差。

3. 实验仪器带来的误差：
实验中使用搅拌器加快对流以使体系温度尽量一致，但无法保证温度完全的一致，尤其在实验时采取用湿毛巾擦拭大烧杯外壁的方法略加速降温过程，提高效率，这更使温度一致很难达到。

而且搅拌器引起的晃动也会影响液面相平的观察。

测量的环己烷纯度有限，其中的少量杂质引起沸点上的偏差。

另外，实验中需要直接读取的数据是U形气压计的刻度、温度计的读数。

压差计的精度较低，只能分辨到1mm，而要读两个液面的刻度，因此会产生2mm的误差，换算成压力就是266.6Pa。

因此所算得的液体饱和蒸汽压有一定偏差是很正常的。

温度计的最小分度值ΔT = 0.05℃，实验者以及眼睛的视觉差异都会带来读数误差。

4.实验操作引起的误差：
实验中排净体系空气很重要，每次测量前一定要充分煮沸并持续5~10分钟排净空气。

若体系中空气没有排净，由公式可知位排净的空气也会对实验结果产生影响，则测量的值并非饱和蒸汽压。

煮沸时间不够或减压不及时，都会造成体系中混有空气。

实验要求读取平衡瞬间的压力和温度，应尽量做到迅速读取，以保证一致性。

【参考文献】
[1] 孙尔康徐维清邱金恒物理化学实验南京大学出版社 1998年4月第1版
[2] 付献彩沈文霞等物理化学(第五版) 下册高等教育出版社 2006 年1月第5版
Measurement of the saturated vapor pressure of
cyclohexane
【Abstract 】
We apply dynamic method to research the relationship between saturate vapor pressure of liquid and temperature. To measure different saturate vapor pressure under different temperature, we calculated the molar heat of vaporization of the liquid according to Clapeyron-Clausius equation, and learn some technology about barometer and vacuum pump.
【Key words 】
saturate vapor pressure molar heat of vaporization
dynamic method Clapeyron-Clausius equation
【附件】
一、原始数据与处理：
初始结束平均
大气压(mmHg) 760.6 760.6 760.6
外压，即饱和蒸汽压=(76.06-△h)/76.00*101.325 kPa
①现由所得数据作出P-T曲线如下：
第一组：
左侧水银柱高度右侧水银
柱高度
水银柱高度
差
饱和蒸汽压
沸点
（℃）
沸点（k)
-3.5 cm -3.5 cm 0 cm 101.405 kPa 80.51 353.66 -5.2 cm -1.8 cm 3.4 cm 96.87203 kPa 78.4 351.55 -7.8 cm 0.9 cm 8.7 cm 89.80595 kPa 75.99 349.14 -9.3 cm 2.3 cm 11.6 cm 85.9396 kPa 75.05 348.2 -11.1 cm 4.1 cm 15.2 cm 81.13999 kPa 73.2 346.35 -13 cm 6.1 cm 19.1 cm 75.94042 kPa 71.18 344.33 -15.1 cm 8.1 cm 23.2 cm 70.4742 kPa 68.97 342.12 -16.9 cm 9.8 cm 26.7 cm 65.80792 kPa 66.49 339.64 -19 cm 11.9 cm 30.9 cm 60.20838 kPa 64.35 337.5 -20.8 cm 14.2 cm 35 cm 54.74216 kPa 61.89 335.04 P-T曲线如下：
335
340
345
350
355
50
60
70
80
90
100
110
第一组实验数据p-T 图线 第二组：
左侧水银柱高度 右侧水银柱高度 水银柱高
度差 饱和蒸汽压
沸点（℃） 沸点（k) -3.5 cm -3.5 cm 0 cm 101.405 kPa 80.5
353.65 -5.6 cm -1.3 cm 4.3 cm 95.67213 kPa 78.55 351.7 -7.6 cm 0.7 cm 8.3 cm 90.33924 kPa 76.7 349.85 -9.5 cm 2.5 cm 12 cm 85.40631 kPa 74.89 348.04 -11.7 cm 4.7 cm 16.4 cm 79.54013 kPa 72.57 345.72 -13.4 cm 6.5 cm 19.9 cm 74.87384 kPa 70.71 343.86 -15.5 cm 8.6 cm 24.1 cm 69.2743 kPa 68.39 341.54 -17.4 cm 10.5 cm 27.9 cm 64.20805 kPa 66.08 339.23 -19.9 cm 12.4 cm 32.3 cm 58.34187 kPa 63.6 336.75 -21.3 cm 14.4 cm 35.7 cm 53.80891 kPa
61.08
334.23
335
340
345
350
355
50
60
70
80
90
100
110
第二组实验数据p-T 图线
第三组： 左侧水银柱高度 右侧水银
柱高度 水银柱高度差 饱和蒸汽压 沸点（℃） 沸点（k) -3.5 cm -3.5 cm 0 cm 101.405 kPa 80.49
353.64 -5.5 cm -1.4 cm 4.1 cm 95.93878 kPa 78.66 351.81 -7.6 cm 0.3 cm 7.9 cm 90.87253 kPa 76.7 349.85 -9.4 cm 2.5 cm 11.9 cm 85.53963 kPa 74.82 347.97 -11.4 cm 4.4 cm 15.8 cm 80.34006 kPa 72.85 346 -13.4 cm 6.5 cm 19.9 cm 74.87384 kPa 70.19 343.34 -15.3 cm 8.4 cm 23.7 cm 69.80759 kPa 68.65 341.8 -17.1 cm 10.2 cm 27.3 cm 65.00799 kPa 66.45 339.6 -19 cm 12.1 cm 31.1 cm 59.94174 kPa 64.11 337.26 -21 cm
14.1 cm 35.1 cm
54.60884
kPa
61.39
334.54
335
340
345
350
355
50
60
70
80
90
100
110
第三组实验数据p-T 图线
②绘制lnP~1/T 曲线：
由做出的三个图可看出，曲线基本光滑，实验数据点基本均匀，因此可以直使用测得的原始数据作为处理对象，得出lnP 与1/T 的值并绘制曲线如下： 第一组：
饱和蒸汽压 沸点（k) lnP 1/T(1/k)
101.405 kPa 353.66 4.619122 0.002828 96.87203 kPa 351.55 4.573391 0.002845 89.80595 kPa 349.14 4.497651 0.002864 85.9396 kPa 348.2 4.453645 0.002872 81.13999 kPa 346.35 4.396176 0.002887 75.94042 kPa 344.33 4.329949 0.002904 70.4742 kPa 342.12 4.255247 0.002923 65.80792 kPa 339.64 4.18674 0.002944 60.20838 kPa 337.5 4.097812 0.002963
54.74216 kPa 335.04 4.002634 0.002985
0.002820.002840.002860.002880.002900.002920.002940.002960.002980.00300
4.0
4.14.24.34.4
4.54.6 4.7Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------A 15.798560.15993B -3948.7584555.11224
------------------------------------------------------------R SD N P
-------------------------------------------------------------0.999220.0085610<0.0001-----------------------------------------------------------
第一组实验数据lnP~1/T 图
第二组：
饱和蒸汽压 沸点（℃） 沸点（k) lnP
1/T(1/k) 101.405 kPa 80.5 353.65 4.619122 0.002828 95.67213 kPa 78.55 351.7 4.560927 0.002843 90.33924 kPa 76.7 349.85 4.503572 0.002858 85.40631 kPa 74.89 348.04 4.44742 0.002873 79.54013 kPa 72.57 345.72 4.376262 0.002893 74.87384 kPa 70.71 343.86 4.315805 0.002908 69.2743 kPa 68.39 341.54 4.238074 0.002928 64.20805 kPa 66.08 339.23 4.162129 0.002948 58.34187 kPa 63.6 336.75 4.06632 0.00297 53.80891 kPa 61.08 334.23 3.985439 0.002992
0.002820.002840.002860.002880.002900.002920.002940.002960.002980.00300
3.9
4.04.14.24.34.4
4.54.64.7Y = A + B * X Parameter Value Error
------------------------------------------------------------A 15.547720.07311B -3863.5765625.16911
------------------------------------------------------------R SD N P
-------------------------------------------------------------0.999830.0041610<0.0001------------------------------------------------------------
第二组实验数据lnP~1/T 图 第三组：
饱和蒸汽压 沸点（℃） 沸点（k) lnP 1/T(1/k) 101.405 kPa 80.49 353.64 4.619122 0.002828 95.93878 kPa 78.66 351.81 4.56371 0.002842 90.87253 kPa 76.7 349.85 4.509458 0.002858 85.53963 kPa 74.82 347.97 4.44898 0.002874 80.34006 kPa 72.85 346 4.386268 0.00289 74.87384 kPa 70.19 343.34 4.315805 0.002913 69.80759 kPa 68.65 341.8 4.245743 0.002926 65.00799 kPa 66.45 339.6 4.17451 0.002945 59.94174 kPa 64.11 337.26 4.093373 0.002965 54.60884 kPa 61.39 334.54 4.000196 0.002989
0.002820.002840.002860.002880.002900.002920.002940.002960.002980.00300
4.0
4.14.24.34.4
4.54.64.7Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------A 15.477510.13584B -3838.0269546.78693
------------------------------------------------------------R SD N P
-------------------------------------------------------------0.999410.0075510<0.0001------------------------------------------------------------
第三组实验数据lnP~1/T 图
③计算摩尔汽化热
B=-Slope= -(-3948.75845-3863.57656-3838.02695)/3=3883.45399
计算中使用ln 而不是log ， m vap H ∆=RB
m vap H ∆=RB=8.314*3883.45399
=32.287kJ/mol
环己烷在20℃下的理论摩尔汽化热为33.055kJ/mol 相对误差为|32.287-33.055|/33.055=2.32% ④计算液体正常沸点
正常情况下，P=101.325kPa
由第一个线性拟合结果lnP= - 3948.75845 1/T +15.79856得T=353.28K 由第二组线性拟合结果lnP= - 3863.57656 1/T +15.54772 得T=353.50K 由第三组线性拟合结果lnP= - 3838.02695 1/T +15.47751 得T=353.44K 因而标准大气压下，环己烷沸点T=(353.28+353.50+353.44)/3=353.41K 环己烷理论沸点为(80.7+273.15)=353.85K 相对误差为|353.41-353.85|/353.85=0.1243%。