物化实验报告 环己烷饱和蒸汽压的测定(3200字)

来源:m.fanwen118.com时间:2021.6.18

环己烷饱和蒸汽压的测定

摘要:为了研究液体饱和蒸汽压与温度的关系,根据已经建立起的经验方程式,求算液体的平均摩尔汽化热,本实验通过测不同压力下的沸点,得到这一温度下的饱和蒸汽压,做出相应的曲线,从而对二者的关系展开研究,并求出该温度范围内的平均摩尔汽化热。

关键词:饱和蒸汽压 温度 摩尔汽化热 沸点

前言:在一定的温度下,真空密闭容器内的液体能很快和它的蒸汽相建立动态平衡,即蒸汽分子向液面凝结和液体中分子从表面逃逸的速率相等。此时液面上的蒸汽压力就是液体在此温度下的饱和蒸汽压。其值是物质重要的物性参数,对研究气-液相变基础理论、相变热力学具有特别重要的意义。在热物理、化学物理及热力学、石油化工、分离与提纯、冶金、材料科学与工程等领域都具有广泛的应用。

纯液体的饱和蒸汽压与液体的本性(分子大小、结构、形状)和温度、外压有关。为了研究其与温度、外压的关系,德国著名的物理学家和数学家,热力学的主要奠基人之一克劳修斯,从热力学中推论出克劳修斯-克拉佩龙方程,这个关系是一种描述两态之间相变的方式,最初由埃米勒·克拉伯隆于1834年发表。它们的关系可用克拉贝龙~克劳修斯方程表示:

dlnp?vapHm (1) ?2dTRT

?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:

?H (2) RT

B或 logP?A? (3) T lnP?A'?

?vapHmA'1常数A?,B?。 (3)式表明logP与有线性关系。作图可得一直线,斜2.303T2.303R

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。

H?2.303RB ? vapm

一、实验部分

1.试剂: 本实验所测得是环己烷溶液。

2.实验装置和仪器: 本实验做搭建的装置如图一。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。

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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

实验中所使用到的仪器有:①江苏省金坛市环宇科学仪器厂 JJ-1增力电动搅拌器;②南京南大万和科技有限公司 DTC-2AI 控温仪;③南京南大万和科技有限公司 WYB-1型真空稳压包;④郑州长城科工贸有限公司 SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵;⑤江苏省常州市东风仪表厂 U型压力计。

2.试验方法:从大气压开始,不断增大U型压力计的汞柱差(每次增加4CM左右),减小待测液体上方的压力,使其在不同压力下沸腾,测出各个外压下的沸点。由于液体沸腾时的蒸汽压与外压相等,因此可得到多个温度下的饱和蒸汽压。相同条件下平行测定三次。

二、实验结果

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表一:实验原始数据

实验开始时气压为763.20mmHg,温度为26.1摄氏度。实验结束时气压为763.55mmHg,温度为25.9摄氏度。因此平均大气压为763.38mmHg。

将温度换算为开尔文单位制,并利用汞柱差及一个大气压为101325Pa将各个大气压换算出来(换算结果见附件)。由此绘制出各组的蒸汽压对温度的曲线。如下:

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图二 P-T曲线

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由此表作出Ln P-1/T 曲线,利用线性拟合求出斜率。

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物化实验报告环己烷饱和蒸汽压的测定

物化实验报告环己烷饱和蒸汽压的测定

图三、Ln p-1/T 曲线拟合

从图上可读出各拟合曲线的斜率,求出其平均值为-3831.44203.计算得在所测温度范围内,环己烷的平均摩尔汽化热为32826.28J/mol,即32.83KJ/mol。

三、分析与讨论

1、P-T 曲线较平滑,ln P-1/T曲线成直线,与实验预测一样,从而验证了用克拉贝龙~克劳修斯方程。

2、环己烷的气化热文献值为32.76 KJ/mol 。实验所测值为32.83KJ/mol. 二者相差0.07KJ/mol。

误差来源有:1.读数。(i )实验中使用的是精度为0.1度的水银温度计,在读数时会带来误差。在测量液体在不同外压下的沸点时,首先要用肉眼估测两侧液面相平,且温度是在不断变化的,这也给测量引入了误差。(ii )在读取左右汞柱水银液面的高度时,是通过距离液面有一定距离的标尺来读数的,这带来较大误差。水银有时候呈现凸液面,也给读数带来了难度和不准确。2.温度计所测点距离待测液体太远,而加热管距离待测液体太近,待测液体的温度变化很灵敏,但由于热的传递需要时间,使得温度计所测到的温度不是待测液体的实际温度。2.本次实验所使用的搅拌器不断震动,使整套仪器在一个震动的环境下工作,会引入误差。

为了使实验结果更加准确,除了要更加认真地做实验外,还得从仪器上入手。首先,应该保证整个实验环境是比较稳定的。其次,可以使用一些先进的仪器,或者对现有的仪器做一些改进。比如,可以在平衡管上安装一个温度传感器,这样可以减少读数带来的误差。同时,加热器距离平衡管远一些,也可以提高测量的准确度。使用直接刻有刻度的玻璃管装水银,也可以减少误差。

四、结论

本次实验通过测不同外压下的沸点,从而得到不同温度下液体的饱和蒸汽压,作出的ln p-1/T 曲线为以直线,验证了克拉贝龙-克劳修斯方程,并由其斜率得到环己烷在所测温度范围内的平均摩尔汽化热为32.83KJ/mol,比理论值稍稍偏高0.07KJ/mol。

参考资料:1.物理化学实验教材 基础实验部分

2.《液体饱和蒸汽压和摩尔汽化热的测定》

3.《液体饱和蒸气压测定装置的改进与实验》 周进康 贵州教育学院学报

Abstract: In order to study the relationship between the liquid saturated vapor pressure and temperature and calculate an average molar heat of vaporization of the liquid according to the empirical equation that has been established, this experiment by measuring the boiling point under the different pressures to obtain the saturated vapor pressure in this temperature, and make corresponding curves to study the relationship between the two.


第二篇:环己烷饱和蒸汽压的测定 5900字

环己烷饱和蒸汽压的测定

【摘要】本实验测定了在不同外压下环己烷的沸点,沸腾时饱和蒸汽压与外压相等,也就测定了环己烷在不同温度时的饱和蒸汽压。然后作lnP-1/T曲线图,并求出了曲线的斜率,由此计算出环己烷的摩尔蒸发热为32.49±0.32??/???。而且由曲线也可求出环己烷的正常沸点为353.45K

【关键字】环己烷、饱和蒸汽压、沸点、摩尔蒸发热

Measurementof Saturated Vapor Pressure of Cyclohexane

Xinghao Zhou

(Department of Materials Science & Engineering, USTC)

Abstract:In this experiment, the boiling point of cyclohexane is measured under a series of external pressure. Since saturated vapor pressure equals external pressure when liquid is boiling, the saturated vapor pressure of cyclohexane is known in different temperature. Then the graph of lnP-1/T is plotted and the slope of the curve is calculated with origin. So we obtain the molar enthalpy of vaporization of cyclohexane, which is 32.49±0.32??/??? . The normal boiling point could also be known from the curve, which is 353.45K.

Key Words: Cyclohexane, Saturated Vapor Pressure, Boiling Point, Molar Enthalpy of Vaporization

1. 前言:

液体饱和蒸汽压是液体的一个重要物理性质,液体的沸点、液体混合物的相对挥发度都和饱和蒸汽压相关。液体饱和蒸汽压不仅在化学、化工领域,而且在无线电、电子、冶金、医药、环境工程乃至航天航空领域都具有重要的地位,因而在工程计算中是必不可少的数据

[1][2],所以测定液体的饱和蒸汽压是一个十分有意义的工作。除了中国科学技术大学物理化学实验讲义介绍的静态法、动态法、饱和气流法可以测定饱和蒸汽压之外,还有拟静态法、knudsen隙透法、蒸发率法、雷德法、色谱法、热重法、差示扫描量热法等等[]。 3

2. 实验部分

① 实验原理

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。

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:

dlnp?vapHm? (2-1) dTRT2

?H:摩尔汽化热(J/mol)

R:气体常数(8.314J·mol-1K-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: lnP?A'?

或 ?H (2-2) RT

B (2-3) TlogP?A?

?vapHmA'常数A?,B?。 2.3032.303R

(3)式表明logP与1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T

液体的平均摩尔汽化热?H。

?vapHm?2.303RB (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。

本实验使用的液体为环己烷,并通过作图求出平均摩尔汽化热和液体的正常沸点。

② 实验仪器和药品

WYB-I型真空稳压包南京大学应用物理研究所监制(教学用) 2台

SHB-III型循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司 1台

DTC-2AI型控温仪南京南大万和有限公司 1台

JJ-I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型压力机江苏省常州市钢仪表厂 1台

水浴锅 1个

冷凝管 1个

搅拌器 1个

环己烷若干

加热电炉(有控温显示大概温度功能) 1个

搅拌马达 1台 1/10?C温度计2支

③ 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;9-三通活塞;10-放空活塞;11-安全瓶;12、13-橡皮管; 14-抽气活塞

以上用的是简化模型,虽然实际上用的仪器形状上不一样,但是原理是一模一样的。 比如用更加安全的真空稳压包代替具有保护罩的缓冲瓶和安全瓶。

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,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。

以上步骤均由实验老师完成。

3、系统检漏:关闭活塞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,一直抽气。

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,

环己烷饱和蒸汽压的测定

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。

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。

⑤ 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、 读测完温度和压差的数据以后,赶快给体系加热,或减小环境的压力,以免环境的空气

进入到体系中。

3. 结果与讨论

① 实验结果

环己烷饱和蒸汽压的测定

? =1.0163×105??

?=13.20℃

第一组:

环己烷饱和蒸汽压的测定

图2-2:第一组数据环己烷饱和蒸汽压-温度图

图2-3第一组数据环己烷lnP– 1/T 曲线及其线性拟合曲线

拟合曲线方程:lnP=22.591?

第二组: 3909.9T相关系数R= - 0.9997

图2-4:第二组数据环己烷饱和蒸汽压-温度图

环己烷饱和蒸汽压的测定

环己烷饱和蒸汽压的测定

图2-5:第二组数据环己烷lnP– 1/T 曲线及其线性拟合曲线

拟合曲线方程:lnP=22.740?

第三组: 3961.1T相关系数R=-0.99985

图2-6:第三组数据环己烷饱和蒸汽压-温度图

环己烷饱和蒸汽压的测定

环己烷饱和蒸汽压的测定

环己烷饱和蒸汽压的测定

图2-7:第三组数据环己烷lnP– 1/T曲线及其线性拟合曲线

拟合曲线方程:lnP=22.419?计算结果汇总:

环己烷饱和蒸汽压的测定

环己烷饱和蒸汽压的测定

??????????=32.49±0.32??/???

3853.4T

相关系数R=-0.9991

正常沸点t=80.30℃

转换为开尔文温度:353.45K (详细计算过程见附件)

② 讨论

1. 由图2-2,2-4,2-6可以看出,环己烷的饱和蒸汽压随温度的降低而减小,也就是说,外压减小,环己烷的沸点降低,与事实相符。

2. 三组数据中,lnP-1/T由此可见,在误差允许范围内,lnP与1/T呈线性关系,与理论相符。

4

3. 从本实验计算数据得到环己烷的正常沸点为80.30℃,即为353.45K,从维基百科[]中查

到环己烷正常沸点为80.74℃,即为353.89K. 比较接近。

353.45?353.89

353.89

×100%=?0.12%。

③ 误差主要来源

实验结果所得正常沸点偏低,可能是有以下几个原因:

1. 实验是从下午两点开始做的,我们组做到将近6点,这是气温下降不少,将近1℃,因

为V不变,pV=nRT,压强也降低了约0.1cmHg。实验过程中外界大气压在不断变化,这样无疑给实验引进了误差。

2. 实验仪器不是完全密封的,而且因为我们组只有两个人,不能做到在液面相平时,同时

读取压强和温度数据,所以会有一个时间差,读取完温度的数据之后,压强会有所改变,这样实验就有误差了。

3. 因为水银计U形管放置位置比较高,不能做到平视读取刻度,而且两边水银面高度不一

样高,所以两边误差程度不一样,高液面的误差要比低液面的误差要大,所以造成高度差偏大。同时要指出的是,高度差增大,高液面误差增加,低液面误差减小,这种误差也就会增加。

4. 图2-3、2-7的lnP - 1/T 曲线各有一个偏离线性的点,这也会造成误差。偏离线性可能是

当时环境不稳定等偶然因素造成的。

5. 在读压强差数据时,不是完全间隔40mm,而是有的间隔稍微多些,有的少些,这样可

能在间隔多的区域偏离真实曲线多一些。

6. 正己烷上方的空气不可能完全排干净,所以会有误差。

7. 理论推导带来的误差,在推导lnP=A′?????公式时,用到了各种近似,如液体体积忽略

不计,蒸汽压近似为理想气体,摩尔蒸发焓近似不随温度变化等

④ 实验的体会和认识

1. 通过本次实验,我掌握了一种测定饱和蒸汽压的方法,虽然原理简单,但很实用,误差

也比较小。

2. 同时我也查阅了一些资料,了解了其它的测定饱和蒸汽压的方法,如拟静态法、knudsen

隙透法、蒸发率法。

3. 本实验测定饱和蒸汽压的方法有一个不足之处,就是无法测定压强大于室压的饱和蒸汽

压。如果要测的话,可能要用气泵往体系吹气,同时要选择沸点更低的实验材料。以免水浴温度达不到沸点。

4. 以上的不足之处可能会影响正常沸点的误差,因为正常沸点时的标准大气压强非常接近

室压,所以要计算的点会落在测量曲线的一头,而不是中间,显然是计算点落在曲线中间的误差是最小的。解决这个问题的方法之一就是测定压强大于室压的饱和蒸汽压。

5. 我还通过本次实验报告学会了用word写参考文献。如果把参考文献顺序换一换,word

会重新编号。

主要参考文献

[1] 马沛生. 化工数据[M]. 北京:中国石化出版社,2003

[2]依守志,王强,马沛生. 饱和蒸汽压测定方法评述[J]. 天津轻工业学院学报,2001, 21(2): 1-4.

[3]李艳红,王升宝,常丽萍. 饱和蒸汽压测定方法的评述[J]. 煤化工,2006, 5

[4]

[5]中国科学技术大学物理化学实验讲义

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