液体饱和蒸汽压的测定.docx
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液体饱和蒸汽压的测定
实验一液体饱和蒸气压的测定
一、实验目的
1.掌握静态法测定液体饱和蒸气压的原理及操作方法。
学会由图解法求其平均摩尔气化热和正常沸点。
2.了解纯液体的饱和蒸气压与温度的关系、克劳修斯-克拉贝龙(Clausius-Clapeyron)方程式的意义。
3.了解真空泵、恒温槽及气压计的使用及注意事项。
二、实验原理
通常温度下(距离临界温度较远时),纯液体与其蒸气达平衡时的蒸气压称为该温度下液体的饱和蒸气压,简称为蒸气压。
蒸发1mol液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔气化热。
液体的蒸气压随温度而变化,温度升高时,蒸气压增大;温度降低时,蒸气压降低,这主要与分子的动能有关。
当蒸气压等于外界压力时,液体便沸腾,此时的温度称为沸点,外压不同时,液体沸点将相应改变,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修斯-克拉贝龙方程式表示:
(1)
式中,R为摩尔气体常数;T为热力学温度;ΔvapHm为在温度T时纯液体的摩尔气化热。
假定ΔvapHm与温度无关,或因温度围较小,ΔvapHm可以近似作为常数,积分上式,得:
(2)
其中C为积分常数。
由此式可以看出,以lnp对1/T作图,应为一直线,直线的斜率为,由斜率可求算液体的ΔvapHm。
静态法测定液体饱和蒸气压,是指在某一温度下,直接测量饱和蒸气压,此法一般适用于蒸气压比较大的液体。
静态法测量不同温度下纯液体饱和蒸气压,有升温法和降温法二种。
本次实验采用升温法测定不同温度下纯液体的饱和蒸气压,所用仪器是纯液体饱和蒸气压测定装置,如图2-3-1所示:
平衡管由A球和U型管B、C组成。
平衡管上接一冷凝管,以橡皮管与压力计相连。
A装待测液体,当A球的液面上纯粹是待测液体的蒸气,而B管与C管的液面处于同一水平时,则表示B管液面上的(即A球液面上的蒸气压)与加在C管液面上的外压相等。
此时,体系气液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。
三、仪器试剂
恒温水浴1套;平衡管1只;压力计1台;真空泵及附件等。
纯水;无水乙醇(A.R.)或乙酸乙酯(A.R.)。
图2-3-1 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-缓冲瓶;5-恒温水浴;6-三通活塞;7-直通活塞
四、实验步骤
1.装置仪器
将待测液体装入平衡管,A球约2/3体积,B和C球各1/2体积,然后按图装妥各部分。
2.系统气密性检查
关闭直通活塞7,旋转三通活塞6使系统与真空泵连通,开动真空泵,抽气减压至压力计显示压差为53kPa(400mmHg)时,旋转三通活塞6停止系统抽气,使真空泵与大气相通。
观察压力计的示数,如果压力计的示数能在3~5min维持不变,则表明系统不漏气。
否则应逐段检查,消除漏气原因。
3.排除AB弯管空间的空气
将恒温槽温度调至比室温高3℃,接通冷凝水,抽气降压至液体轻微沸腾,此时AB弯管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。
4.饱和蒸气压的测定
当空气被排除干净,且体系温度恒定后,旋转直通活塞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。
然后,将恒温槽温度升高3℃,当待测液体再次沸腾,体系温度恒定后,放入空气使B、C管液面再次平齐,记录温度和压力。
依次测定,共测8个值。
五、注意事项
减压系统不能漏气,否则抽气时达不到本实验要求的真空度。
抽气速度要合适,必须防止平衡管液体沸腾过剧,致使B管液体快速蒸发。
实验过程中,必须充分排除净AB弯管空间中全部空气,使B管液面上空只含液体的蒸气分子。
AB管必须放置于恒温水浴中的水面以下,否则其温度与水浴温度不同。
测定中,打开进空气活塞时,切不可太快,以免空气倒灌入AB弯管的空间中。
如果发生倒灌,则必须重新排除空气。
温度计读数须作露茎校正。
六、数据处理
1.数据记录表
自行设计数据记录表,包括室温、大气压、实验温度、温度计露茎校正值及对应的压力差等。
室温气压(毫米汞柱)
T(℃)
T(K)
1/T
P(Pa)
P(Pa)
Lnp
2.绘出被测液体的蒸气压-温度曲线,并求出指定温度下的温度系数dp/dT。
3.以lnp对1/T作图,求出直线的斜率,并由斜率算出此温度围水的平均摩尔气化热ΔvapHm,由图求算纯液体的正常沸点。
七、讨论与质疑
用降温法测定不同温度下纯液体饱和蒸气压的方法如下:
接通冷凝水,调节三通活塞使系统降压13kPa,加热水浴至沸腾,此时A管中的待测液体部分气化,其蒸气夹带AB弯管的空气一起从C管液面逸出,继续维持10min以上,以保证彻底驱尽AB弯管的空气。
停止加热,控制水浴冷却速度在1℃/min,此时待测液体的蒸气压(即B管上空的压力)随温度下降而逐渐降低,待降至与C管的压力相等时,则B、C两管液面应平齐,立即记下此瞬间的温度(精确至1/100℃)和压力计之压力,同时读取辅助温度计的温度值和露茎温度,以备对温度计进行校正。
读数后立即旋转三通活塞抽气,使系统再降压10kPa并继续降温,待B、C两管液面再次平齐时,记下此瞬间的温度和压力。
如此重复10次(注意:
实验中每次递减的压力要逐渐减小,为什么?
),分别记录一系列的B、C管液面平齐时对应的温度和压力。
在降温法测定中,当B、C两管中的液面平齐时,读数要迅速,读毕应立即抽气减压,防止空气倒灌。
若发生倒灌现象,必须重新排净AB弯管之空气。
八、思考题
1.试分析引起本实验误差的因素有哪些?
2.为什么AB弯管中的空气要排干净?
怎样操作?
怎样防止空气倒灌?
3.本实验方法能否用于测定溶液的饱和蒸气压?
为什么?
4.试说明压力计中所读数值是否是纯液体的饱和蒸气压?
5.为什么实验完毕后必须使体系和真空泵与大气相通才能关闭真空泵?
实验二燃烧热的测定
一、实验目的
1.氧弹热量计测定萘的燃烧热
2.明确燃烧热的定义,了解恒压燃烧热的差别
3.了解热量计中主要部分的作用,掌握氧弹热量计的实验技术
4.学会雷诺图解法校正温度改变值
二、基本原理
1.燃烧与量热
根据热化学的定义,1mol物质完全氧化时的反应热称作燃烧热。
所谓完全氧化,对燃烧产物有明确的规定。
譬如,有机化合物中的碳氧化成一氧化碳不能认为是完全氧化,只有氧化成二氧化碳才可以认为是完全氧化。
燃烧热的测定,除了有其实际应用价值外,还可以用于求算化合物的生成热、键能等。
量热法是热力学的一个基本实验方法。
在恒容或恒压条件下可以分别测得恒容燃烧热QV和恒压燃烧热QP。
由热力学第一定律可知,QV等于体系能变化△U;QP等于其焓变△H。
若把参加反应的气体和反应生成的气体都作为理想气体处理,则它们之间存在以下关系:
(1-1a)
(1-1b)
式中,为反应物和生成物中气体的物质的量之差;为气体常数;为反应时的热力学温度。
热量计的种类很多,本实验所用氧弹热量计是一种环境恒温式的热量计。
其它类型的热量计可参阅复旦大学主编的物理化学实验教材技术部分第一章第Ⅳ节。
氧弹热量计的安装如图1-1-1和图1-1-2所示。
图1-1-1氧弹热量计安装示意图图1-1-2氧弹剖面图
2.氧弹热量计
氧弹热量计的基本原理是能量守恒定律。
样品完全燃烧所释放的能量使氧弹本身及其周围的介质的热量计有关附件的温度升高。
测量介质在燃烧前后温度的变化值,就可求算该样品的恒容燃烧热。
其关系式如下:
(1-2)
式中,W2和M分别为样品的质量和摩尔质量;QV为样品的恒容燃烧热;和是引燃用铁丝的长度和单位长度燃烧热,和是以水作为测量介质时,水的质量和比热容;称为热量计的水当量,即除水之外,热量计升高1所需的热量;为样品燃烧前后水温的变化值。
为了保证样品完全燃烧,氧弹中须充以高压氧气或其它氧化剂。
因此氧弹应有很好的密封性能,耐高压且耐腐蚀。
氧弹放在一个与室温一致的恒温套壳中。
盛水桶与套壳之间有一个高度抛光的挡扳,以减少热辐射和空气的对流。
3.雷诺温度校正图
实际上,热量计与周围环境的热交换无法完全避免,它对温差测量值的影响可用雷诺(Renolds)温度校正图校正。
具体方法为:
称取适量待测物质,估计其燃烧后可使水温上升1.5~2.00C。
预先调节水温低于室温1.00C左右。
按操作步骤进行测定,将燃烧前后观察所得的一系列水温和时间关系作图。
得一曲线如图1-1-3。
图中H点意味着燃烧开始,热传入介质;D点为观察到GD线延长并交ab线于A、C两点,其间的温度差值即为经过校正的。
图中AA′为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间△t1,由环境辐射和搅拌引进的能量所造成的升温,故应予扣除。
CC′为由室温升高到最高点D这一段时间△t2,热量计向环境的热漏造成的温度降低,计算时必须考虑在。
故可认为,AC两点的差值较客观地表示了样品燃烧引起的升温数值。
在某些情况下,热量计的绝热性能主良好,热漏很小,而搅拌器功率较大,不断引进的能量使得曲线不出现极高温度点,如图1-1-4。
校正方法相似。
三、仪器试剂
氧弹热量计1套万用电表1个
氧气钢瓶1只温度计(0~50)1支
氧气减压阀1只托盘天平1台
压片机2台烧杯(1000mL)1只
塑料桶1个引燃专用铁丝
直尺1把苯甲酸(分析纯)
剪刀1把萘(分析纯)
图1-1-3雷诺温度校正图图1I-1-4绝热良好情况下的雷诺校正图
四、实验步骤
1.定热量计的水当量
⑴样品制作用台秤称取大约1g苯甲酸(切勿超过1.1g,),在压片机上压成圆片。
样片压得太紧,点火时不易全部燃烧;压得太松,样品容易脱落。
将样品干净的玻璃上轻击二、三次(为什么?
),再用分析天平精确称量。
⑵装样并充氧气拧开氧弹盖,将氧弹壁擦干净,特别是电极下端的不锈钢丝更应擦干净。
搁上金属小皿,小心将样品片放置在小皿中部。
剪取18cm长的引燃铁丝,在直径约3mm的玻璃棒上,将其中段绕成螺
图1-1-5样品安装示意图
旋形约5~6圈。
将螺旋部分紧贴在样片的表面,两端如图1-1-5所示固定在电极上。
用万用电表检查两电极间电阻值,一般应不大于20Ω,旋紧氧弹盖。
氧气钢瓶上装好减压阀,打开钢瓶阀门,使氧弹中充入2Mpa的氧气。
钢瓶和气体减压阀的使用方法分别参见复旦大学主编的物理化学实验教材绪论第二节和仪器二。
再次用万用表检查两电极间的电阻,如阻值过大或电极与弹壁短路,则应放出氧气,开盖检查。
⑶测量(用案秤准确称取已被调节到低于室温1.0℃的自来水3㎏于盛水桶,将氧弹放入水桶中央,装好搅拌马达,把氧弹两电极用导线与点火装置连接,细心安装温度计,盖上盖子。
打开自动控制装置的电源,在面板上按下搅拌按钮,恒温搅拌。
待温度稳定上升后(大约需要5-10分钟),按下启动按钮,此时打印机应有声音,如没有声音,重新开启控制装置。
启动后,打印机会自动收集并记录数据,启动后,前十分钟每隔1分钟打印一次温度(温差),应注意打印机是否打印,如不打印,可重新开启控制装置,若启动十分钟后发现打印机不打印,应举手报告老师,并注意不要关闭电源。
启动十分钟后,打印机每隔15秒打印一次数据,直到反应结束。
十分十五秒后,装置自动点火,点火后样品开始燃烧。
从十分十五秒开始,大概到十三分钟之间,显示温度(温差)开始迅速上升,表明样品点火成功,如果十三分钟后显示温度仍未有显著变化,表明点火失败,应关闭装置重新装样。
样品点火成功后,可以准备下一次样品,注意观察温差变化,直到温差达到最高点后又下降,温差继续下降五分钟后可以结束此次实验(结束时间因样品和量的多少而异,本实验两个样品的
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