实验名称:液体饱和蒸汽压的测定
报告人:曾辉 实验时间20##年05月04日一、实验目的:
(1)明确液体饱和蒸汽压的定义,熟悉纯液体的饱和蒸汽压与温度的关系,即克劳休斯-克拉贝农方程。
(2)了解静态法测定液体饱和蒸汽压的原理。
(3)学习用图解法求解被测液体在试验温度范围内的平均摩尔蒸发焓与正常沸点。
二、实验原理:
1、热力学原理
在远低于液体临界温度下,处于密闭的真空容器中的液体,一些动能较大的液体分子可从液相进入气相,而动能较小的蒸汽分子因碰撞而凝结成液相,当这两个过程的速度相等时,气液两相建立动态平衡,此时液面上的蒸汽压力就是该温度下该液体的饱和蒸汽压,简称为蒸汽压。蒸发1mol液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔蒸发焓,用ΔvapH*m表示。
纯液体的蒸气压随温度的变化而变化,当温度升高,分子运动加剧,更多的高动能分子由液相进入气相,因而蒸气压增大;反之,温度降低,则蒸气压减小。当蒸气压等于外界压力时,液体更沸腾,此时的温度称为沸点,所以,外压不同时,液体的沸点也不同,当外压为101.325kPa时,液体的沸点称为该液体的正常沸点。
液体的饱和蒸气压与温度的关系用克劳休斯-克拉贝农方程式表示为
Dlnp/dT=ΔvapH*m/RT2 (1)
式中,R为摩尔气体常数;T为热力学温度;ΔvapH*m为在温度T时纯液体的摩尔蒸发焓。
若在实验温度范围内将ΔvapH*m视为常数,对式(1)积分的:
lnp=-ΔvapH*m/RT+C (2)
其中C为积分常数。可以看出,实验测量出液体在一系列温度之下的饱和蒸气压,以lnp对1/T作图,得一直线,直线的斜率为 由斜率可求算液体的ΔvapH*m。
2、实验方法
静态法是将待测物质放在一个密闭的系统中,在不同温度下直接测量其饱和蒸气压。通常是用平衡管(又称等位计)进行测定。 平衡管由一个球管与一个U形管连接而成(如图1(b)所示),待测物质置于球管A内,U形管中也放置被测液体,将平衡管和抽气系统、压力计连接,在一定温度下,当U形管中的液面在同一水平时(B,C处),表明U形管两臂液面上方的压力相等,即AB段的蒸气压与C到压力计的压力相等,记下此时的温度和压力,则压力计的示值就是该温度下液体的饱和蒸气压,或者说,所测温度就是该压力下的沸点。可见,利用平衡管可以获得并保持系统中为纯试样时的饱和蒸气,U形管中的液体起液封和平衡指示作用。
(a) (b)
图1、液体饱和蒸气压测定装置图
1-平衡管;2-搅拌器;3-温度计;4-恒温水浴
静态法常用于易挥发液体饱和蒸气压的测量,也可用于固体加热分解的平衡压力的测量。
三、仪器和试剂:
恒温水浴;平衡管,温度计,冷凝管,真空泵,数字式低真空测压仪;无水乙醇,
四、实验步骤
1、安装仪器
将待测液体(本实验为无水乙醇)装入平衡管,A球内约占4/5体积额,此时U形管内不能有液体。再按图1装妥各部分。
2、抽真空、系统检漏
如图1所示,将进气阀、阀2打开,阀1关闭。开动真空泵,抽气减压至压力计显示压差为-80KPa时关闭进气阀和阀2,使系统与真空泵、大气皆不相同。观察压力计的示数,如果压力计示数能在3-5min内维持不变,则表明系统不漏气;否则应逐段检查,排除漏气原因。
3、排除AB弯管空间内的空气和形成液封
读出当日大气压力。打开阀1,将系统接通大气,接通冷凝水,恒温槽温度调节至此大气压下待测液沸点高3-5℃,是液体轻微沸腾,此时AB弯管内的空气不断随蒸气经C管逸出,如此沸腾3-5min,可认为空气被排除干净,停止加热,关闭阀1。
4、乙醇饱和蒸气压的测定
随着系统温度逐渐下降,气泡逸出逐渐减慢。当温度降低到一定程度时,气泡逐渐消失,AB管内压力逐渐降低,B管液面开始上升,同时C管液面下降。当B,C两管的液面达到同一水平面时,立即记录此时的温度和压力,并打开阀2,使测量系统的压力减小5-7kPa(此步要快,否则空气会进入A球,实验需要重做),液体将重新沸腾,又有气泡从平衡管冒出,关闭阀2,继续降低水温。当温度降到一定程度时,B,C液面又处于同一水平面,记录此时的温度及压力计读数。
重复上述操作,每次使系统减压5-7kPa,共测8组数据。
实验完毕后必须使系统和真空泵与大气相通才能关闭真空泵。
五、数据处理:
(1)数据记录
(
2
的
(2)以lnp对1/T作图,求出直线斜率,并由斜率算出此温度范围内液体的平均摩尔汽化热△vapHm 。
△ vapHm=4990×R×10-3=41.49KJ
六、注意事项:
(1)预习时应该读懂各个阀门的作用及气路连接。
(2)实验前应检查并保证体系不漏气。
(3)减压速度要适合,必须防止平衡管内液体沸腾过于剧烈,致使管内液体快速蒸发。
(4)实验过程中,必须充分排尽AB弯管空间中的全部空气,使B管液面上方只含液体的蒸汽分子。平衡管必须放置于恒温水欲中的水面以下,否则其温度与水温不同。
七、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。
八、实验总结
这是我们最后一次物化实验,这是一个关于液体饱和蒸气压的测定的实验,在本次实验中,我们本着团结、协作的合作态度,一起在实验中同心协力的克服了各种困难,在实验中,我知晓了我们需要合作和同心才能解决一期实验中的所有困难。
华南 师 范 大学 实验 报 告
学生姓名 学 号
专 业 化学(师范) 年级、班级
课程名称 物理化学实验 实验项目纯液体饱和蒸气压的测定——静态法
实验类型 :□验证□设计□综合 实验时间 年 月 日
实验指导老师 罗琼 实验评分
【实验目的】
①明确纯液体饱和蒸气压的概念及其与温度的关系,加深对克劳修斯-克拉贝龙(Clausius-Clap-
eyron)方程的理解。
②掌握静态法(亦称等位法)测定纯液体饱和蒸气压的原理及方法,学会用图解法求纯液体的平均摩尔汽化热和正常沸点。
③了解数字式低真空测压仪,熟悉常用气压计的使用及校正方法,初步掌握真空实验技术。
【实验原理】
在一定温度下,纯液体与其自身的蒸气达到气液平衡时,蒸气的压力称为该温度下该液体的饱和蒸气压,简称为蒸气压。蒸发1mol液体所吸收的热量称为该温度下该液体的摩尔汽化热。将蒸气视为理想气体,饱和蒸气压与温度的关系可用克劳修斯一克拉贝龙方程式表示:
式中,T为热力学温度,K;p为纯液体在温度T时的饱和蒸气压,Pa;△vapHm为纯液体在温度T时的摩尔汽化热,J/mol;R为摩尔气体常数,8.314J/( mol·K)。
在温度变化范围不大时,可把△vapHm视为常数,表示此温度范围内的平均摩尔汽化热。
将式(3-12)积分得
用lnp对1/T作图,得一条直线,直线的斜率为:
于是,有
△vapHm=﹣Rm
由此可见,测得一组不同温度下纯液体的饱和蒸气压值,可求得该温度范围内该纯液体的平均摩尔汽化热△vapHm。
当液体的饱和蒸气压等于外界压力时,液体沸腾,此时的温度即为该液体的沸点。当外压为latm (101325Pa)时,液体的沸点称为正常沸点。
测定液体饱和蒸气压的具体方法很多,本实验采用静态法测定纯水的饱和蒸气压,实验装置如图3-11所示。等压计(又称平衡管)由三个相连的玻璃球A、B、C组成.图中A球中贮存待测液体(纯水),B球和C球间用U形管连通,也装上适量的纯液体(纯水)。测量时,当U形管两边液面处于同一水平面时,表示U形管两边上方的气体压力相等,迅速记下此时的温度和压力,则A球中纯液体(纯水)的饱和蒸气压等于加在C管上面的外压。
图3-11 液体饱和蒸气压测定装置图
1-平衡管;2-搅拌器;3-温度计;4-缓冲瓶;5-恒温水浴;6-三通活塞;7-直通活塞
【仪器与试剂】
液体蒸气压测定装置 1套
真空泵(共用) 1台
纯水
100℃(1/10)水银玻璃温度计 1根
【实验步骤】
(1) 装置仪器
从液体蒸气压测定装置中将等压计卸下,倒入少许纯水,倾倒等压计,并不断改变其倾斜度,使纯水由球C流经U形管、球B、最后到达A,反复上述操作次数,直至球A中装入的2/3体积的纯水为止,将等压计竖直,向球c倒入纯水,至U形管两边处同一水平时,水面接近球B的底部为止,最后将等压计小心装回装置中。
将精密数字压力计的电源接通并打开,单位选择“mmHg”一挡,并在大气压条件下置零。
(2) 检查系统是否漏气
关闭直通活塞7,开动真空泵,慢慢旋转三通活塞6使系统与真空泵连通(旋转活塞时须用力均匀,速度缓慢,同时注视真空测压仪),抽气减压至压力计示数约为﹣400mmHg左右时,关闭三通活塞6,使系统与真空泵、大气皆不相通。观察压力计示数,如果在3-5min内维持不变,则系统不漏气。否则,说明系统漏气,这时应仔细检查装置各个部分,特别注意检查各部分的连接处,设法排除漏气故障。
(3) 排除球A和球B间的空气
检查不漏气后,接通冷凝水,开启搅拌装置,将恒温槽温度调至40℃左右,继续抽泣降压接近﹣710mmHg,此时AB弯管内的空气不断随蒸气经C管逸出,如此沸腾3-5min左右,可认为空气被排除干净。
(4) 不同温度下纯水饱和蒸气压的测定
当空气被排除干净,且体系温度恒定后,旋转活塞7缓缓放入空气,直至B、C管中液面平齐,关闭直通活塞7,记录温度与压力。从低温到高温依次测定,共测6组。
最后打开直通活塞7,关闭回流水、真空泵、电源。
【实验记录及数据处理】
① 将测得数据填入表3-8中。
室温:24.4℃ 气压计读数: 1025.2HPa(26.5℃) 经温度校正后的大气压值(p大,校):102103Pa
表3-8 不同温度下纯水饱和蒸气压
A. 气压计的温度校正公式为:p0= p计=p计-p计 t
式中,p计为气压计读数,Pa;t为气压计的温度,℃;α为水银柱在0~35℃之间的平均体膨胀系数,α=0.0001818;β为黄铜的线膨胀系数,β=0.0000184;p0为读数校正到0℃时的气压值,Pa。
把p计=102520Pa,t=26.5℃ 代入上式,得p大,校=102103Pa
B. 蒸气压的计算公式:
p=p计+p示
其中,p示通过公式1mmHg=133.32Pa,由mmHg转换为Pa。
② 作lnp-l/T图,求纯水的正常沸点T正常。
图1 被测纯水的lnp-l/T曲线
p=101325Pa时的沸点称为纯水的正常沸点,把p=101325Pa代入标准方程,得T正常=374.06K
③ 依据lnp-l/T直线的斜率,求纯水在实验温度区内的平均摩尔气化热△vapHm。
△vapHm=﹣Rm=﹣8.314×(﹣5003.7)=41600J/mol
④ 计算T正常、△vapHm的相对误差,并对实验结果进行讨论。
查表知
图2 理论纯水的lnp-l/T曲线
可得,△vapHm(理论)=﹣Rm=﹣8.314×(﹣5160.1)=42901J/mol
【注意事项】
①测定前必须将平衡管A、B中的空气驱净,使B管液面上方只含待测液体的蒸气分子。
②要及时开动冷凝管,保持在测定过程中被测液体在体系中处于回流平衡状态。
③精确测量时温度计读数须作露茎校正。
【提问与思考】
①什么叫液体的饱和蒸气压?什么叫正常沸点?液体的沸点与外压有何关系?
答:在一定温度下,纯液体与其自身的蒸气达到气液平衡时,蒸气的压力称为该温度下该液体的饱和蒸气压。当饱和蒸汽压等于外界压力时,液体开始沸腾,此时对应的温度称为沸点。当饱和蒸汽压恰为101.325kPa时,所对应的温度称为该液体的正常沸点。
②本实验方法能否用于测定溶液的蒸气压?为什么?
③等压计U形管中的液体起什么作用?冷凝器起什么作用?
④怎样从数字式低真空测压仪的示数得到纯液体的饱和蒸气压?
⑤能否在加热情况下检查是否漏气?
⑥实验过程中为什么要防止空气倒灌?
⑦实验时抽气和漏入空气的速度应如何控制?为什么?
⑧实验时大烧杯中的水为什么一定要淹没等压计球A和球B间的U形管?
1.在停止抽气时,若先拔掉电源插头会有什么情况出现?
答:会出现真空泵油倒灌。
2.能否在加热情况下检查装置是否漏气?漏气对结果有何影响?
答:不能。加热过程中温度不能恒定,气-液两相不能达到平衡,压力也不恒定。漏气会导致在整个实验过程中体系内部压力的不稳定,气-液两相无法达到平衡,从而造成所测结果不准确。
3.压力计读数为何在不漏气时也会时常跳动?
答:因为体系未达到气-液平衡。
4.克-克方程在什么条件下才适用?
答:克-克方程的适用条件:一是液体的摩尔体积V与气体的摩尔体积Vg相比可略而不计;二是忽略温度对摩尔蒸发热△vapHm的影响,在实验温度范围内可视其为常数。三是气体视为理想气体。
5.本实验所测得的摩尔气化热数据是否与温度有关?
答:有关。
6.本实验主要误差来源是什么? 答:装置的密闭性是否良好,水本身是否含有杂质等。
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