7物理化學實驗教案(王素娜)實驗一 液體飽和蒸氣壓的測定【目的要求】1. 掌握靜態法測定液體飽和蒸氣壓的原理及操作方法。學會由圖解法求其平均摩爾氣化熱和正常沸點。2. 了解純液體的飽和蒸氣壓與溫度的關系、克勞修斯-克拉貝龍(Clausius- Clapeyron)方程式的意義。3 . 了解真空泵、玻璃恒溫水浴，緩沖儲氣罐及精密數字壓力計的使用及注意事項。【實驗原理】通常溫度下(距離臨界溫度較遠時)，純液體與其蒸氣達平衡時的蒸氣壓稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓，簡稱為蒸氣壓。蒸發1mol液體所吸收的熱量稱為該溫度下液體的摩爾氣化熱。液體的蒸氣壓隨溫度而變化，溫度升高時，蒸氣壓增大；溫度降低時，蒸氣壓降低，這主要與分子的動能有關。當蒸氣壓等于外界壓力時，液體便沸騰，此時的溫度稱為沸點，外壓不同時，液體沸點將相應改變，當外壓為1atm（101.325kPa）時，液體的沸點稱為該液體的正常沸點。液體的飽和蒸氣壓與溫度的關系用克勞修斯-克拉貝龍方程式表示： (1) 式中，R為摩爾氣體常數；T為熱力學溫度；vapHm為在溫度T時純液體的摩爾氣化熱。假定vapHm與溫度無關，或因溫度范圍較小，vapHm可以近似作為常數，積分上式，得： (2) 其中C為積分常數。由此式可以看出，以lnp對1/T作圖，應為一直線，直線的斜率為 ，由斜率可求算液體的vapHm。測定通常有靜態法和動態法，靜態法：把待測物質放在一個封閉體系中，在不同的溫度下，蒸氣壓與外壓相等時直接測定外壓；或在不同外壓下測定液體的沸點。動態法：常用的有飽和氣流法，即通過一定體積的已被待測物質所飽和的氣流，用某物質完全吸收。然后稱量吸收物質增加的質量，求出蒸汽的分壓力即為該物質的飽和蒸氣壓。靜態法測定液體飽和蒸氣壓，是指在某一溫度下，直接測量飽和蒸氣壓，此法一般適用于蒸氣壓比較大的液體。靜態法測量不同溫度下純液體飽和蒸氣壓，有升溫法和降溫法二種。本次實驗采用升溫法測定不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓，所用儀器是純液體飽和蒸氣壓測定裝置，如圖2-3-1所示： 平衡管由A球和U型管B、C組成。平衡管上接一冷凝管，以橡皮管與壓力計相連。A內裝待測液體，當A球的液面上純粹是待測液體的蒸氣，而B管與C管的液面處于同一水平時，則表示B管液面上的(即A球液面上的蒸氣壓)與加在C管液面上的外壓相等。此時，體系氣液兩相平衡的溫度稱為液體在此外壓下的沸點。【儀器試劑】 恒溫水浴；平衡管；精密數字壓力計；真空泵及緩沖儲氣罐。無水乙醇(A.R)圖2-3-1 液體飽和蒸氣壓測定裝置圖1.平衡管；2.攪拌器；3.溫度計；4.緩沖瓶；5.恒溫水浴；6.三通活塞；7.直通活塞；8.精密數字壓力計【實驗步驟】1. 裝樣從加樣口注入乙醇，關閉平衡閥1，打開進氣閥。啟動油泵，抽至氣泡成串上竄，可關閉進氣閥，打開平衡閥1漏入空氣，使乙醇充滿試樣球體積的三分之二和U型管雙臂的大部分。2. 檢漏，系統氣密性檢查接通冷凝水，關閉平衡閥1，打開進氣閥使真空油泵與緩沖儲氣罐相通。啟動油泵，使壓力表讀數為某一數值（可60，70kPa左右），關閉進氣閥，停止抽氣，檢查有無漏氣（看壓力表示數在35min內是否變化），若無漏氣即可進行測定。（注意：在停止抽氣前，應先把真空泵與大氣相通，否則會造成泵油倒吸，造成事故。）3. 飽和蒸氣壓的測定調節恒溫水浴溫度30，開動油泵緩緩抽氣，使試樣球與U型管之間空間內的空氣呈氣泡狀通過U型管中的液體而逸出。如發現氣泡成串上竄，可關閉進氣閥，緩緩打開平衡閥1漏入空氣使沸騰緩和。如此慢沸35min，可認為試樣球中的空氣排除干凈，關閉平衡閥2。小心開啟平衡閥1緩緩漏入空氣，直至U型管兩臂的液面等高為止，在壓力表上讀出壓力值。調節恒溫水浴溫度33，小心開啟平衡閥1緩緩漏入空氣，直至U型管兩臂的液面等高為止，在壓力表上讀出壓力值。依次測定36，39，42，45，48，51時乙醇的蒸汽壓。測定過程中如不慎使空氣倒灌入試樣球，則需重新抽真空后方可繼續測定。如升溫過程中U型管內液體發生暴沸，可開啟平衡閥1漏入少量空氣，以防止管內液體大量揮發而影響實驗進行。實驗結束后，慢慢打開進氣閥，使壓力表恢復零位。關閉冷卻水，關閉壓力表、恒溫控制儀、恒溫水浴電源，并拔下電源插頭。附緩沖儲氣罐的使用說明：1安裝： 用橡膠管或塑料管分別將進氣閥與氣泵、裝置l接口，裝置2接口與數字壓力表連接。安裝時應注意連接管插入接口的深度要15mm，并扣緊，否則會影響氣密性。2首次使用或長期未使用而重新啟用時，應先作整體氣密性檢查 (1)將進氣閥、平衡閥2打開，平衡閥1關閉(二閥均為順時針關閉，逆時針開啟)。啟動油泵加壓（或抽氣）至100KPa200KPa，數字壓力表的顯示值即為壓力罐中的壓力值。 (2)關閉進氣閥，停止抽氣，檢查平衡閥2是否開啟，平衡閥l是否完全關閉。觀察數字壓力表，若顯示數字降值在標準范圍內(小于0.01Kpa秒)，說明整體氣密性良好。否則需查找并清除漏氣原因直至合格。(3)再作微調部分的氣密性檢查：關閉平衡閥1，開啟平衡閥2調整微調部分的壓力，使之低于壓力罐中壓力的1/2，觀察數字壓力表，其變化值在標準范圍內(小于0.01Kpa4秒)，說明氣密性良好。若壓力值上升超過標準，說明平衡閥2泄漏；若壓力值降超過標準，說明平衡閥1泄漏。3與被測系統連接進行測試：(1)用橡膠管將裝置2接口與被測系統連接、裝置1接口與數寧壓力計連接。打開進氣閥與平衡閥2，關閉平衡閥1，啟動氣泵，加壓(或抽氣)，從數字壓力計即可讀出壓力罐中的壓力值。(2)測試過程中需調整壓力值時，使壓力表顯示的壓力略高于所需壓力值，然后關閉進氣閥，停止氣泵工作，關閉平衡閥2，調節平衡閥1使壓力值至所需值。采用此方法可得到所需的不同壓力值。4測試完畢，打開進氣閥、平衡閥均可釋放儲氣管中的壓力，使系統處于常壓下備用。5操作注意事項閥的開啟不能用力過強，以防損壞影響氣密性。由于閥的閥芯未設防脫裝置，關閉閥門時嚴禁將閥上閥體旋至脫離狀態，以免閥在壓力下造成安全事故。維修閥必須先將壓力罐的壓力釋放后，再進行拆卸。連接各接口時，用力要適度，避免造成人為的損壞。壓力罐的壓力使用范圍為-100KPa250Kpa，為了保證安全，加壓時不能超出此范圍。使用過程中調節平衡閥1、平衡閥2時壓力表所示的壓力值有時跳動屬正常現象，待壓力穩定后方可作實驗。【注意事項】 減壓系統不能漏氣，否則抽氣時達不到本實驗要求的真空度。 抽氣速度要合適，必須防止平衡管內液體沸騰過劇，致使B管內液體快速蒸發。 實驗過程中，必須充分排除凈AB彎管空間中全部空氣，使B管液面上空只含液體的蒸氣分子。AB管必須放置于恒溫水浴中的水面以下，否則其溫度與水浴溫度不同。 測定中，打開進空氣活塞時，切不可太快，以免空氣倒灌入AB彎管的空間中。如果發生倒灌，則必須重新排除空氣。 在停止抽氣前，應先把真空泵與大氣相通，否則會造成泵油倒吸，造成事故。 平衡閥2容易出現問題，一直保持打開狀態，不用再調節。思 考 題1. 試分析引起本實驗誤差的因素有哪些？答：空氣排除不干凈；溫度的波動；不能絕對調平。2. 為什么AB彎管中的空氣要排干凈？怎樣操作？怎樣防止空氣倒灌？答：為了保證A球上方全是乙醇的蒸氣，測定的是乙醇的飽和蒸汽壓，所以AB彎管中的空氣要排干凈。開動油泵抽氣，使試樣球與U型管之間空間內的空氣呈氣泡狀通過U型管中的液體而逸出，沸騰后慢沸35min，可認為試樣球中的空氣排除干凈。測定中，打開進空氣活塞時，切不可太快，以防止空氣倒灌。3. 本實驗方法能否用于測定溶液的飽和蒸汽壓？為什么？答：分情況，測定過程中溶液的濃度會發生變化的不能測，但是對于難溶物的飽和溶液或者恒沸物例外可以測定。4. 試說明壓力計中所讀數值是否是純液體的飽和蒸氣壓？答：不是，實驗當時的大氣壓對于壓力計來說為零，所以壓力計中所讀數值為大氣壓與該溫度下的飽和蒸汽壓之差。5. 為什么實驗完畢后必須使體系和真空泵與大氣相通才能關閉真空泵？答：在停止抽氣前，應先把真空泵與大氣相通，否則會造成泵油倒吸，造成事故。【討論】降溫法測定不同溫度下純水的飽和蒸氣壓 接通冷凝水，調節三通活塞使系統降壓13kPa(約100mm汞柱)，加熱水浴至沸騰，此時A管中的水部分氣化，水蒸氣夾帶AB彎管內的空氣一起從C管液面逸出，繼續維持10min以上，以保證徹底驅盡AB彎管內的空氣。停止加熱，控制水浴冷卻速度在1/min內，此時液體的蒸氣壓(即B管上空的壓力)隨溫度下降而逐漸降低，待降至與C管的壓力相等時，則B、C兩管液面應平齊，立即記下此瞬間的溫度（精確至1/100攝氏度）和壓力計之壓力，同時讀取輔助溫度計的溫度值和露莖溫度，以備對溫度計進行校