气体扩散系数测定

气体扩散系数的测定

实验目的

1.了解和掌握气体扩散系数测定的一般方法；

2.认识菲克定律；

3.测定并计算气体扩散系数；

4.求出液体表面蒸发的气体扩散系数。

实验原理

挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann's method来检测,在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量,可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。

最小平方法或称最小平方差法 (least-squares method) 的最基础型——线型的 (linear).今有一组实验数据基本上呈现线型的态势,则若以表示直线方程式,其中代表斜率 (slope),代表截距 (intercept),则最小平方法就是在使误差的平方和达到最小,即使下式最小化(minimize)，因此将上二式常规化(normalize) 得据此可由Cramer法则求出斜率和截距。其中是的平均值,是的平均值.一般而言,线性关系的良窈可由E值的大小来判断,但要注意值本身的大小.此外,统计学家尚有一个相关系数 (correlation coefficient) 的判断法,相关系数R可由计算得到。

气体的扩散系数与系统的温度、压力以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关。测定二元气体扩散系数的常用方法有蒸发管发、双容积法、液滴蒸发法等。这里以蒸发管法为例进行说明。下图所示为蒸发管法测定气体扩散系数的装置。

将此装置置于恒温、恒压的系统内。测定时，将液体A注入圆管的底部，使气体B徐徐地流过关口。圆管中待测组分A汽化并通过气层B，组分A扩散到管口处即被气体B带走，使得管口处的浓度很低，可认为p A2为0，而液面处组分A 的分压p A1为在测定条件下的组分A饱和蒸汽压。此过程可近似看作稳态过程。若气体B不能溶解于液体A中，则该过程为组分A通过停滞组分B的稳态扩散过程。则组分A的扩散通量为

)

(21A A BM

AB A p p zp RT p D N -∆=

对组分A 物料衡算得

A A A M

Ad N dzA θρ=

整理得

θ

ρd dz

M

N A

A A =

又该过程为稳态过程则有

θ

ρd dz

M

p p zp RT p D N A

A A A BM

AB A =

-∆=

)(21

对上式积分得

⎰⎰

-=

z

z A A A

AB BM

A zdz

p p pM

D RTp

d 0

)

(210

ρθθ

得

2

)

(2

2

21z z p p pM D RTp A A A AB BM

A --=

ρθ

也即

2

)

(2

2

21z z p p M p RTp D A A A BM A AB --=

θρ

测定时，可记录一系列时间间隔与z 的对应关系，便可由上式计算出气体的扩散系数D AB 。 实验装置

加热器开关、真空泵开关、 空气泵、 水浴、 温度计 、加热器控制器、 毛

细管 、游标卡尺、 显微镜。

1-加热器开关 2-真空泵开关 3-空气泵 4-水浴 5-温度计

6-加热器控制器 7-毛细管 8-游标卡尺 9-显微镜

实验步骤

1.将甲醇溶液注入毛细管中，深度约35mm。把顶端螺母从金属接头配件上

旋下，仔细地把毛细管通过螺母内的橡胶圈，直到毛细管的顶端固定在螺母的顶端面上，缓慢地旋转螺母，使“T”严对显微镜。把真空泵管接到“T”

的一端上。

2.安装显微镜，调节物镜，使它离容器20-30mm，调整显微镜的垂直高度直

到毛细管能够看见。

3.弯月面看到后，滑动游标卡尺的滑尺，与固定尺上的相应的刻度成一直线。

4.开启真空泵，记录毛细管中弯月面的距离。

5.开启控制温度的水浴，记录毛细管中弯月面变化的距离。

6.15分钟后关掉水浴，记录毛细管中弯月面变化的距离。

7.开启水浴，重复上述6操作。

注意事项

1. 实验前先确定仪器本体垂直地面.

2. 实验毕,务必彻底清洗T型管.

参考文献

[1]蒋维钧，戴奠元 . 化工原理(上册)[M]北京:化学工业出版社出版,1992，178～223.

[2] 陈涛,张国亮.化工传递过程基础[M].北京:化学工业出版社出版社,2008