四 川 理 工 学 院 实 验 报 告
系:材化 课程名称:物理化学实验 日期:2011.4.25
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华南师范大学实验报告
课程名称 物理化学实验 实验项目 饱和蒸汽压的测定
【实验原理】
在封闭体系中,当液相的蒸发速度与相应气相的凝聚速度相等时,体系达到动态平衡,此时的蒸气压为该温度下的饱和蒸气压,液体的饱和蒸气压等于外压时的温度为液体的沸点,因此沸点是随外压变化的,当外压为101325Pa时,称之为正常沸点。每蒸发1mol液体所需的热量称该温度下的摩尔汽化热。
克拉贝龙-克劳修斯方程描述了饱和蒸气压,温度与摩尔汽化热之间的关系:
它是克拉贝龙方程式的简化形式,可以根据该式测定液体的饱和蒸气压。饱和蒸汽压是液体工质最基本的物性参数之一, 是化工、生产、科研、设计过程中的重要基础数据,所以掌握通常测量饱和蒸气压的方法具有很大的实际意义。
液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种:静态法,动态法和饱和气流法。动态法是指在不同外界压力下, 测定液体的沸点, 又称沸点法。动态法与其它两种方法相比具有操作简单,结果比较准确的优点,适用于蒸气压不太高的液体。本实验采用动态法来测量水的饱和蒸气压,并由此得到水的正常沸点和摩尔汽化热。
在封闭体系中,液体很快和它的蒸气达到平衡。这时的蒸气的压力称为液体的饱和蒸气压。蒸収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:
若温度改变的区间不大,DH可视为为常数(实际上DH与温度有关)。积分上式得:
或
常数,。 (3)式表明与有线性关系。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DH。
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。
【装置】
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。
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
【仪器与药品】
JJ-1 增力电动搅拌器(40W)(江苏省金坛市环宇科学仪器厂) 1 台
方帆牌热得快(余姚市余姚镇方达电器厂) 1 台
电动搅拌器 1 台
双塔牌变压器(220V,50Hz) 1 台
1/10℃温度计 1 支
抽气泵 1 台
大气压表 1 支
气温计 1 支
U 型压力计 1 支
【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。
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。
【实验数据记录与处理】
①实验测得的数据记录
换算:1019.2hPa=764.4627 mmHg
福廷式气压计读数温度影响的校正:
②作ln p-1/T的图,求纯水的正常沸点T正常
∵标准大气压为101325Pa,则 ln p=11.5261
代入y = -5064.4x + 25.079得:
11.5261= -5064.4x + 25.079
解得:1/T= x =2.6761×10-3 K-1
∴纯水的正常沸点为:T=373.678 K
③根据ln p-1/T直线的斜率,求纯水在实验温度区内的平均摩尔汽化热ΔvapHm
ΔvapHm=-Rm=-8.314×(-5064.4) =42105.42 J/mol=42.10542 kJ/mol
④计算T正常、ΔvapHm的相对误差,并对实验结果进行讨论
查文献得:
T正常的相对误差:
ΔvapHm的相对误差:
【思考题】
(1) 为什么AB弯管中的空气要干净?怎样操作?怎样防止空气倒灌?答: AB弯管空间内的压力包括两部分:一是待测液的蒸气压;另一部分是空气的压力。测定时,必须将其中的空气排除后,才能保证B管液面上的压力为液体的蒸气压;将水浴温度升高到85°C沸腾3分钟即可;检漏之后要关闭阀1,防止外界空气进入缓冲气体罐内。
(2) 本实验方法能否用于测定溶液的饱和蒸气压?为什么?
答:溶液不是纯净物,其沸点不稳定,实验操作过程中很难判断是否已达到其沸点。
(3) 为什么实验完毕以后必须使系统和真空泵与大气相通才能关闭真空泵?
答:如果不与大气相通,球管内的液体可能会被吸入到缓冲储气罐。
(4) 如果用升温法测定乙醇的饱和蒸汽压,用该实验装置是否可行?若行,如何操作?
答:升温法可行。先打开阀2,关闭阀1,使储气管内压强达-50kPa
左右,关闭阀2,温度每升高3-5°C,打开阀1,增大压强使球形管内液面相平。
(5) 将所测摩尔汽化热与文献值相比较,结果如何?
答:由于当地大气压及实验误差,结果将偏小。
(6) 产生误差的原因有哪些?
答:当地大气压、判断液面是否相平的标准、液面相平时数据的采集都会对实验结果造成影响。
1.如果等压计的A,B管内空气未被驱除干净,对实验结果有何影响?
答:把等压计中的空气驱除干净是为了使AB上方充满异丙醇,若有空气存在则所测的饱和蒸气压不是所求压力。当观察到冷凝管壁上有液体回流时则证明空气已排净。
当体系的气体部分含有空气等惰性气体时,饱和蒸气压有以下公式:
ln=(pe—pg*)
公式中pg*为没有惰性气体存在时液体的饱和蒸气压,pg为有惰性气体存在且总压为pe时液体的饱和蒸气压。
2.本实验的方法能否用于测定溶液的蒸气压?为什么?
答:分情况,测定过程中若溶液的浓度发生变化,则不能测;但是对于难溶物的饱和溶液或者恒沸物等可以使用本方法测定。
3.U型管B中封闭液体所起到的作用是什么?
答:有以下三点作用:
①起到一个液体活塞(或液封)的作用,用于分隔体系与环境;同时通过该液体活塞,可将体系中的空气排除到环境中去)
②起到检测压力的作用。(当A,B管中的液面等高时,说明体系的压力等于环境的压力,可以通过测量环境的压力来代表体系的压力)
③当A,B管中的液面等高时既可测定温度和压力的数据,也可保持多次测量数据时体系的体积几乎相等。
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