中国科大物化实验4 液体饱和蒸汽压的测定报告

三、实验总结与讨论
1、本实验要能够得到较精确的结果，需要多人配合默契，能够迅速准确地读取每个数据。 因此通过这个实验， 不但能够掌握用动态法测定液体饱和蒸气压与温度关系的方法， 并对克 拉贝龙-克劳修斯方程有了更加深入的理解，还可以培养实验中的团结精神和合作意识。 B 2、在一定误差范围内， log p A 可以较好的描述液体饱和蒸汽压与温度间的关系，在 T 精确程度要求不高时，可通过此公式来求算液体在一定外压时的沸点及液体的摩尔蒸发焓。
实验四
【摘要】
液体饱和蒸汽压的测定
PB14207067 张镇
本实验采用动态分析法， 通过在不同的外部压力下测定液体的沸 点，对液体饱和蒸汽压与温度的关系作实验上的研究，并根据建立的 经验公式克拉佩龙-克劳修斯方程（在实验温度范围内，lnP 与 1/T 之间近似为线性关系），求算环己烷的平均摩尔汽化热。
四、实验注意事项
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。
【Key words】
Dynamic analysis method Saturated vapor pressure Molar heat of vaporization Boiling temperature Clapeyron-Clausius equation
【前言】
本实验研究气液间的相平衡问题。 在密闭体系中，在一定温度下，与固体或液体处于相平衡的蒸气 所具有的压力称为饱和蒸气压。 同一物质在不同温度下有不同的蒸气 压，并随着温度的升高而增大。蒸发 1mol 液体需要吸收的热量即为 该温度下液体的摩尔汽化热。 在沸点时液体的饱和蒸汽压与外压达到平衡， 因此只要测得在不 同外压下的沸点，其对应的外压也就是在这一温度下的饱和蒸汽压。 体系中应包含液体部分和气体部分， 因此本实验的体系是液体和 液面之间的气体。在不同外部压力下测定液体沸点的方法称动态法， 此外，还有静态法和饱和气流法等一系列方法，本实验采用的是动态
法。
【实验部分】
一、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：
d ln p vap H m dT RT 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：
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纯净的水， 所以待测水浴中的水沸腾后仍需继续 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 80C 以上，压差计的水银柱相差约 400mm 左右 为止。 为了测量的准确性，可将缓冲瓶放空，重新加热，按上述步骤继续重复测量两次。 实验结束时，再读取大气压，把两次记录的值取平均。
【关键词】
动态分析法 饱和蒸汽压 克拉贝龙-克劳修斯方程 摩尔汽化热 沸点
【Abstract】
This experiment adopts dynamic analysis method, through the determination of boiling point of liquid in different external pressures, as the experiment study on the relationship between liquid saturated steam pressure and temperature, and according to the experiential formula of Clapeyron Clausius equation (In the experimental temperature range, between lnP and 1/T is approximately linear relationship), calculating the average molar heat of vaporization of cyclohexane.
二、实验仪器与实验试剂 1、仪器：
液体饱和蒸汽测定仪 福廷式压力计 搅拌马达 1套 1支 1台 抽气泵 加热电炉 1/10C 温度计 1台 1个 2支
2、试剂：
环己烷 附：装置简介 图 2--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
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： 1、静态法：在某一固定温度下直接测量饱和蒸汽的压力。 2、动态法：在不同外部压力下测定液体的沸点。 3、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 所饱和，然后进行气体分析，计算液体的蒸汽压。 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。
【实验结果与讨论】
一、实验结果与误差
1、环己烷的平均摩尔汽化热：
△vap H m 31.838kJ / mol
查阅资料，环己烷的摩尔汽化热为 33.055kJ/mol, 相对误差：
δ
33.055 - 31.838 100％ 3.68％ 33.055
2、环己烷在不同外压下的沸点及误差：
外压 P/kPa 102.545 环己烷理论沸点 Tb/K 355.229 环己烷实验沸点 T/K 353.85 相对误差δ/% 0.388
二、误差原因分析
1、系统误差： 克拉贝龙-克劳修斯方程成立是有条件的： ①所测液体应为纯物质，不含杂质。实验中，平衡管内部不可能绝对没有空气，由
ln
pg pg
'

Vm (l ) ' ( p p g ) 可知，会导致环己烷的饱和蒸汽压升高。 RT
②蒸气符合理想气体状态方程。实际上，环己烷蒸汽不是完全理想气体。 ③液体体积变化忽略不计，而实际过程中液体存在一定体积变化。 ④假设 vap H m 为常数，与温度无关。实际上 vap H m 是温度的函数，只有在温度改变不大 时可近似的认为是一个常数。在 58℃到 81℃这段区间内， vap H m 的值改变约 2%左右，因 此要想实验更精确，不应把 vap H m 看为常数,需要对公式作相应修正。
ln P A'
或
H RT B log P A T
(2－2) (2－3)
常数 A
vap H m A' 1 ，B 。 (3)式表明 log P 与 有线性关系。作图可得一直线，斜 2.303 T 2.303R vap H m 2.303RB
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。 (2－4)
102.555 355.233 353.84 0.392
102.565 355.236 354.09 0.323
查阅资料，环己烷在 101.325kPa 下的沸点为 354.85K，根据克劳修斯-克拉佩龙方程
ln
△ H 1 1 P 1 vap m ( ) P2 R T2 T1
修正得不同外压下的理论沸点 Tb。
【参考资料】
《物理化学实验》 《物理化学》 崔献英 等编著 傅献彩 等编 中国科学技术大学出版社 高等教育出版社
【附件：数据处理】
1、数字温度计与水银温度计温度校准 表 1 温度校准数据处理
数字温度计读数 T'/℃ 81.00 79.38 77.53 75.59 73.53 71.18 68.93 66.58 64.20 60.95 58.28
三、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，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 管的水流 入 A 管。 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。 4、不同温度下液体饱和蒸汽压的测定： 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。插上电炉加热， 同时开冷却水，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
2、随机误差： ①无法做到完美的同时读数。要同时读取温度和压差，而且取样点时间比较短，采取多人配 合操作只能一定程度上减小误差。 ②由于人眼的局限性，在人为判断两液面相平时会引入较大的误差。 3、仪器误差： ①在加热过程中，使用了电动搅拌器，但传热仍然不均匀，无法保证体系温度均匀。 ②温度计的读数存在一定的滞后性，测得的温度与实际水温有一定的差距。
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。
Fra Baidu bibliotek
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; 的缓冲瓶;8-进气活塞;9-抽气活塞; 6-开口 U 形水银压力计;7-具有保护罩 10-放空活塞;11-安全瓶;12、13-橡皮管 14-三通活塞