纯液体饱和蒸汽压的测定静态法(华南师范大学物化实验).doc

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华南师范大学实验报告

纯液体饱和蒸汽压的测定——静态法

一、实验目的

（1）理解克劳修斯-克拉贝龙方程，掌握饱和蒸汽压的概念，清楚纯液体饱和蒸汽压与温度的关系。

（2）学会用静态法测定纯液体饱和蒸汽压，掌握其原理和方法，并懂得用图解法求纯液体的平均摩尔汽化热和正常沸点。

（3）学会使用数字式真空测定仪和气压计。

二、实验原理

2.1饱和蒸汽压与温度的关系

纯液体的饱和蒸汽压指的是在一定的温度条件下，纯液体与其自身的蒸汽达到平衡时的蒸汽压力。

我们将蒸汽看做理想气体，则可用克劳修斯-克拉贝龙方程式表示饱和蒸汽压与温度的关系：

①式中，T为热力学温度，单位为K；p为纯液体在温度T时的饱和蒸汽压，单位为Pa；ΔvapHm为纯液体在温度T时的摩尔汽化热，单位为J/mol；R为摩尔气体常数，其值为8.314J/（mol·K）。

在40℃~70℃范围内，我们可以把ΔvapHm看做常数，将①式积分可得

用lnp对1/T作图，得到一条直线，斜率为

则可得ΔvapHm=-Rm④

因此当测得一组不同温度下纯液体的饱和蒸汽压值时，可求得该温度范围内该纯液体的平均摩尔汽化热ΔvapHm。

2.2正常沸点

当液体的饱和蒸汽压等于外界压力时，液体沸腾，此时的温度即为该液体的沸点。

当外压为1atm（101325Pa）时，液体的沸点称为正常沸点。

2.3静态法测定纯水的饱和蒸汽压原理

如图1的实验装置图所示所示，等压计由三个相连的玻璃管A、B、C组成，A中贮存的是本次实验的待测液体纯水，B管和C管则用U形管连通。

B、C管内也装有纯水。

测量时，当Ｕ形管两边的液面在同一水平面时，表示U形管两边上方的气体压力相等。

A管中纯水的饱和蒸汽压即等于C管上面所加的外压，此时要迅速记录下温度和压力。

图1.液体饱和蒸汽压测定装置图

在测量前，我们在大气压条件下对仪器实施了置零操作，在测量时测压仪所显示的示数为相对大气压的差值。

因此，我们要用大气压值加上测压仪的示数，才可以得到对应温度下的实际饱和蒸汽压值。

三、仪器与试剂

3.1实验仪器

液体蒸汽压测定装置1套

真空泵1台

100℃水银玻璃温度计1根

3.2实验试剂

纯水

四、实验步骤

4.1读取大气压和室温

在实验前记录实验室的室温与大气压，完成实验后再读一次大气压，并做好记录。

4.2装置仪器

卸下等压计，倒入少量纯水，并使睡由管C流经U形管。

管B、最后到达管A。

不断调整，知道管A中装入2/3体积的纯水为止。

接着把等压计竖直，想管C倒入纯水，使U形管两边水面向平。

把等压计安装好，检查所有接口处要严密不漏气，启动精密数字式压力计，以mmHg作为测量单位，在大气压力下重置仪器的零点。

4.3检漏

关闭直通活塞，隔绝大气，启动真空泵，慢慢旋转三通活塞使系统与真空泵连通。

抽气减压至压力计示数为-400mmHg时，关闭三通活塞，使系统与真空泵、大气均不连通。

此时观察压力计示数，若压力机在3-5分钟内维持不变，则系统的气密性良好。

若示数变化，则说明系统漏气，要找出漏气原因，排除故障。

4.4排空气

打开直通活塞，连通大气，关闭三通活塞，接通回流水，并开始水浴加热和搅拌。

设置水浴温度升为40℃，达到既定温度后，慢慢打开三通活塞，使测压仪示数为-720mmHg左右。

此时A、B管内的空气会随着气泡逸出。

持续3—5分钟后可认为排气完全，随即关闭三通活塞。

4.5不同温度下纯水饱和蒸汽压的测定

排气操作后，由于管A内的蒸汽经B、C逸出，导致U形管的水面左边高右边低。

旋转直通活塞，调节液面相平，迅速记下此时的压力和温度。

设置水浴温度为45℃，达到既定温度后，调节U形管页面。

液面相平时迅速记录温度和压力。

重复上述操作，每隔5℃测量一组数据，直至水温升至70℃。

最后打开直通活塞，关闭三通活塞，整理实验仪器，关闭会流水、真空泵和电源。

五、实验数据及数据处理

5.1压力校正

大气压的温度影响校正公式为

表1.相关参数说明

物理量

p

t

α

β

p0

p大，较

物理意义

气压计读数

室温

水银柱在0~35℃间的

膨胀系数

黄铜的

线膨胀系数

读数校正到0℃时的气压值

经温度校正后的大气压值

数值

实验前为102.44KPa

实验后102.32KPa

20.09℃

0.0001818

0.0000184

实验前为102.10KPa

实验后101.99KPa

102.05KPa

5.2不同温度下纯水饱和蒸汽压记录

表2.不同温度下纯水饱和蒸汽压值

次序

温度t/℃

温度T/K

1/T/K-1

测压仪示数/mmHg

测压仪示数/Pa

蒸汽压p/Pa

lnp

1

40.00

313.15

0.003193

-705.4

-94045.3

8004.661

8.988

2

45.00

318.15

0.003143

-689.0

-91858.9

10191.14

9.229

3

49.99

323.14

0.003095

-668.8

-89165.8

12884.25

9.464

4

55.00

328.15

0.003047

-643.7

-85819.4

16230.63

9.695

5

59.98

333.13

0.003002

-612.5

-81659.7

20390.28

9.923

6

65.00

338.15

0.002957

-574.3

-76566.8

25483.18

10.146

7

69.98

343.13

0.002914

-528.1

-70407.3

31642.65

10.362

（1mmHg=133.322Pa）

5.3作lnp-1/T图，求纯水的正常沸点

标准压力下，纯水的饱和蒸汽压等于标准压力，pθ=p饱和=101.325KPa，根据直线方程，求得T=373.58K。

即纯水的正常沸点T正常=373.58K

5.4求平均摩尔汽化热ΔvapHm

根据图2.所得的lnp-1/T曲线图，直线的斜率m=-4.9264，根据式③

求得纯水在实验温度区内的平均摩尔汽化热ΔvapHm=40.96KJ/mol

5.5误差分析

实验所得纯水的正常沸点为T正常=373.58K，与文献值T=373.15K相比，相对误差为0.12%。

实验求得纯水在实验温度区内的平均摩尔汽化热ΔvapHm=40.96KJ/mol，与文献值40.63KJ/mol相比，相对误差为0.81%。

从以上数据来看，本次实验所得的数据准确度较高。

本实验的误差来源很多，包括测压仪和水浴装置的精密度、系统气密性、当地大气压、判断液面是否相平的标准、液面相平时温度和压力数据的采集情况等。

为了尽可能地减少误差，首先我们采用了精密数字压力计和数字式温度计，使用精密度较高的仪器，以及用读数显示输出来代替人工读数，很大程度上增加了实验的准确性。

第二，我们对系统的气密性进行了检查，确保仪器正常无故障才开始实验。

第三，我们在实验前和实验后一共读取了两次大气压值，并且根据实际温度进行校正，取平均值。

第四，至于判断液面相平和读数，整个实验过程中均由同一位同学负责，避免个体读数差异。

把握读数时间，在液面相平时，及时记下温度和压力。

六、讨论与思考

6.1实验改进思考

实验过程中，需要反复调节直通活塞和三通活塞来调节U形管的液面相平，此操作在实验中耗费时间较多。

实验过程中就遇到因调节不慎，空气倒灌的情况，导致实验失败。

在调节液面过程中，系统尚未充分恒温并达到气液平衡就匆忙读数记录实验数据。

我们可以考虑在U形管上标上刻度，方便判断液面是否平衡。

或者直接读出U形管两液面的高度，通过计算的方法求得饱和蒸汽压。

计算公式为

p饱和=p压力计+ρg（hB-hc）

参考相关文献，有研究者提出使用单液管装置，通过管内液体高度修正数字压力表读数得到纯水的饱和蒸汽压。

6.2实验思考题

（1）什么是液体的饱和蒸汽压？

什么叫正常沸点？

液体的沸点与外压有何关系？

在一定温度下，纯液体与其自身的蒸汽达到气压平衡时，蒸汽的压力成为该温度下的该液体的饱和蒸汽压。

而当液体的饱和蒸汽压等于外界压力时，液体沸腾，此时的温度即为该液体的沸点。

当外压为1atm（101325Pa）时，液体的沸点称为正常沸点。

液体的沸点跟外部压强有关。

当液体所受的压强增大时，它的沸点升高；压强减小时；沸点降低。

（2）本实验方法能否用于测定溶液的蒸汽压？

为什么？

本实验方法只能用于测定纯液体的蒸汽压，纯液体有恒定的沸点，实验过程中容易判断是否达到沸腾状态。

而溶液为混合物，不一定有恒定的沸点，难以测定出溶液的蒸汽压。

（3）等压计U形管中的液体起到什么作用？

冷凝器起什么作用？

Ｕ型管液面相平时，表示两侧压力相等。

U形管两侧分别连接待测液体（纯水）以及压力计，那么我们通过压力计的读数就可以求得某一温度下对应的饱和蒸汽压。

冷凝器起到了冷凝回流的作用。

U形管内的水并不多，该实验又必须在水沸腾的状态下进行，如果不将蒸发的水蒸气冷凝回U形管，里面的水很快就会完全蒸发，实验难以进行。

（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汽压？

在测量前，我们在大气压条件下对仪器实施了置零操作，在测量时测压仪所显示的示数为相对大气压的差值。

因此，我们要用大气压值加上测压仪的示数，才可以得到对应温度下的实际饱和蒸汽压值。

（5）能否在加热情况下检查是否漏气？

我们是在使系统与真空泵和大气均不相通的情况下，观察压力计的示数是否变化，如果在3~5min内示数稳定，则系统气密性良好。

但温度的改变，会导致纯水表面上的蒸汽压的改变，此时测压仪的示数将有变化。

（6）实验过程中为什么要防止空气倒灌？

我们的目的是要测量纯液体的饱和蒸汽压，即要保证纯水表面的空间全部被液体蒸汽所充满。

假若空气倒灌，空气混在液体蒸汽里头，所测出来的数值就不是液体的蒸汽压。

（7）实验时抽气和漏入空气的速度应如何控制？

为什么？

抽气和漏入空气的速度一定不能够过快，稍微旋开活塞即可。

假若抽气过快，可能导致U形管里面的水被抽走；假若漏入空气过快，则可能导致空气倒灌。

（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？

U形管内的水是跟本次测定的纯液体相连通的，要保证他们在同一个系统里面，保持温度相同，才可以保证实验数据的准确性。

七、参考文献

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化学工业出版社，2008,85-89.

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