实验4 液体饱和蒸汽压的测定.docx

液体饱和蒸汽压的测定摘 要 本实验运用动态法测定液体蒸气压的原理，通过测定蒸气压与对映的温度，根据克拉贝龙-克劳修斯方程作出p与1/T的曲线（在实验范围内是近似线性关系），并计算环己烷的摩尔汽化热。AbstractThis experiment ,to which we apply the theory of dynamic method to measure the vapor pressure of liquid ,by surveying the vapor pressures and their corresponding temperature. According to Clapeyron-Clausius equation, we draw curves about logP and 1/T (in the extent of this experiment they are linear relationship),and then calculate the molar heat of vaporization of cyclohexane.关 键 词饱和蒸气压 摩尔汽化热 沸腾温度 动态法 克拉贝龙-克劳修斯方程 环己烷Keywordssaturate vapor pressure molar heat of vaporizationboiling temperature dynamic method Clapeyron-Clausius equation cyclohexane前 言本实验研究的是气液之间的相平衡问题。当定温下把液体放在真空容器中，液体开始蒸发变成气体态，气态物质又可撞击液体表面重新回到液体中。久之，达到平衡。此时，通过液体表面进出的分子数相等，定温下液体与其自身的蒸气达到平衡时的蒸气压就是液体的饱和蒸气压。蒸发一摩尔液体需要吸收的热量即为该温度下液体的饱和蒸气压。当液体与外界大气压相通，并且液体的饱和蒸气压与外界压强相等时，液体沸腾，此时的温度称为沸点，因此沸点是随着外压的改变而变化的。在不同外部压力下测定液体沸点的方法称动态法，此外，还有静态法和饱和气流法等一系列方法，本实验采用的是动态法。实验部分（一） 实验仪器（二） 实验装置 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（三） 实验原理在封闭体系中，液体很快和它的蒸汽达到平衡。这时的蒸汽的压力称为液体的饱和蒸汽压。蒸发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： (21)DH：摩尔汽化热(Jmol-1) R：气体常数(8.314Jmol-1K-1)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： (22)或 (23)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。 (24)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。 液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种： 1、静态法：在某一固定温度下直接测量饱和蒸汽的压力。 2、动态法：在不同外部压力下测定液体的沸点。 3、饱和气流法：在液体表面上通过干燥的气流，调节气流速度，使之能被液体的蒸汽所饱和，然后进行气体分析，计算液体的蒸汽压。 本实验利用第二种方法。此法基于在沸点时液体的饱和蒸汽压与外压达到平衡。只要测得在不同外压下的沸点，也就测得在这一温度下的饱和蒸汽压。（四） 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。平衡管中液体的装法有两种：一是把A管烘烤，赶走空气，迅速在C管中加入液体，冷却A管，把液体吸入。二是将C管中加入液体，将平衡管与一水泵相连接，抽气，并突然与水泵断开，让C管的水流入A管。 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2040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80C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。结果与分析1、实验结果根据实验数据得，环己烷平均摩尔汽化热vapHm=32.09KJ环己烷的正常沸点Tb=353.40K查阅资料（百度百科）知环己烷的沸点为80.7,误差%=（80.7-80.40）/80.7100%=0.37%,可见误差非常小，因此实验结果比较好。2、误差分析a）随机误差： 随机误差的产生来源于测量次数的有限性。理论上当测量次数趋于无穷多次时，随机误差会趋于零。而测量次数越少则偶然因素产生的误差也越大。b）仪器估读误差： 实验中所用的测量用仪器有U形压力计，大气压计和1/10温度计，U形压力计的估读误差为h = 0.5mm（不使用放大镜），大气压计的精确度为0.1mmHg, 1/10温度计估读误差为T = 0.05（不使用放大镜）。并且在确定液体饱和蒸汽压与外界大气压相等时，是通过观察平衡管的两端液面相平来判断的，由于视觉误差会产生一定误差。而这些因素都会对实验结果产生一定影响。c）原理误差： 实验中测定水的摩尔蒸发焓及沸点是在Clapeyron-Clausius方程基础之上，假设当温度变化区间不大时，H视为常数得到的等式，实际上由于H是温度的函数，温度的改变是一定会引起H发生变化的，并且Clapeyron-Clausius方程本身也存在假设，即实验物质纯净，忽略液体体积，蒸气为理想气体，由于假设的存在，因而得到的结果与理论值之间存在误差。d）操作误差：在实验中，很难保证平衡管内部绝对没有空气，一是由于扩散过程的不可避免，二是由于操作过程中，当平衡管两液面相平时，如果不及时降低体系压强，则空气会很容易进入体系。而一旦有空气进入，根据公式（Pg是当外压为P时，纯液体的饱和蒸汽压；Pg是当存在惰性气体时，液体的饱和蒸汽压；P为外压，R为气体常数；T为绝对温度），可知将会对结果产生很大影响。3、改进建议本实验数据处理较为复杂，可用微机拟合处理，并与上述作图计算所得结果进行比较。对常规测定纯液体饱和蒸汽压装置进行了改进,由计算机实时采集体系的压力和绝对温度,绘制相应曲线,所测数据和实验结果均以文件形式存在在磁盘上且可用打印机输结果,此装置在测量精度和数据处理自动化程度上明显提高。实验总结 1、测定前，必须将平衡管a、b段的空气驱赶净。在常压下利用水浴加热被测液体，使其温度控制在高于该液体正常沸点3至5，持续约5min。让其自然冷却，读取大气压下的沸点。再次加热并进行测定。如果数据偏差在正常误差范围内，可以为空气已被赶净。注意切误过分加热，否则蒸气来不及冷却就进入抽气泵，或者会因冷凝在b管中的液体过多，而影响下一步实验。 2、冷却速度不要太快，一般控制在每分钟下降0.5左右，如果冷却太快，测得的温度将偏离平衡温度。因为被测气体内外以及水银温度计本身都存在温度滞后校应。 3、整个实验过程中，要严防空气倒灌，否则，实验要重做。为了防止空气倒灌，在每次读取平衡温度和平衡压力数据后，应立即加热同时缓慢减压。 4、在停止实验时，应缓慢地先将三通活塞打开，使系统通大气，再使抽气泵通大气，然后切断电源，最后关闭冷却水，使实验装置复原。为使系统通入大气或使系统减压以缓慢速度进行，可将三通活塞通大气的管子拉成尖口。参考文献物理化学实验 崔献英等编著 中国科学技术大学出版社物理化学 傅献彩 等编 高等教育出版社普通化学原理 华彤文 等编 北京大学出版社附：数据处理1. 实验条件实验前实验后大气压（KPa）102.66102.65P=102.655KPa2. 检漏U形压力计两臂水银柱高度分别为-31.2mm和35.0mm在10分钟内不变化，证明不漏气。3. 数据处理p=gh,p=p0-pg=9.8m/s2 =13.536g/cm3第一组数据左(cm)右(cm)校正后压力(cm)压力(kPa)ln PT/T/K1/T(K-1)0.220.30102.65511.5391380.7353.850.002826-1.822.253.9997.3371311.4859479352.150.00284-3.954.38.1791.7660211.42777.1350.250.002855-6.026.2512.1986.4081711.3668475.21348.360.002871-7.958.115.9781.3701811.3067673.3346.450.002886-10.1210.2220.2675.6524711.2339171.08344.230.002905-11.911.9523.7770.9743411.1700769.07342.220.002922-13.913.9527.7765.6431411.0919966.75339.90.002942-16.216.1532.2759.6455410.9961763.84336.990.002967-18.051835.9754.7141810.9098861.35334.50.00299-20.0520.0239.9949.3563310.8068258.31331.460.003017图2:第一组数据P-T图从图中均匀读出十个点：T/K1/TP/kPaln P3320.00301250.32110.826183340.00299453.80110.893053360.00297657.58310.960983380.00295961.58411.028163400.00294165.84311.095033420.00292470.3611.161383440.00290775.1911.227773460.0028980.22811.292633480.00287485.52311.356543500.00285791.07711.41946图3：第一组数据lnP-1/T图由此，可得斜率k=-3841.24，截距b=22.394，即lnP=22.394-3841.24/TH=-kR=3841.248.3145=31.94kJ/mol并且可知，当P=760.0mmHg(101.325kPa)时，代入公式得T=353.45K第二组数据左(cm)右(cm)校正后压力(cm)压力(kPa)ln PT/T/K1/T(K-1)0.250.320102.65511.5391380.63353.780.002827-1.82.23.9397.417111.4867678.89352.040.002841-3.824.157.992.1258811.4309177.25350.40.002854-5.956.212.0886.5547811.3685375.33348.480.00287-7.827.9815.7381.6900611.3106973.5346.650.002885-9.9810.0819.9976.0123311.2386571.26344.410.002904-12.1812.2224.3370.2279811.159568.78341.930.002925-13.9513.9827.8665.5231911.0901666.7339.850.002942-16.1216.1532.259.7388410.9977463.9337.050.002967-18.318.2836.5153.9944710.8966461334.150.002993-20.1820.1540.2648.9964710.799558.09331.240.003019图4:第二组数据P-T图从图中均匀读出十个点：T/K1/TP/kPaln P3330.00300352.02910.859563350.00298555.60810.926083370.00296759.42110.99243390.0029563.55411.059653410.00293367.96611.126763430.00291572.60311.192763450.00289977.56911.258923470.00288282.81411.324353490.00286588.27511.388213510.00284994.07511.45185图5：第二组数据lnP-1/T图由此，可得斜率k=-3857.16，截距b=22.439，即lnP=22.439-3857.16/TH=-kR=3857.168.3145=32.07kJ/mol并且可知，当P=760.0mmHg(101.325kPa)时，代入公式得T=353.45K第三组数据左(cm)右(cm)校正后压力(cm)压力(kPa)ln PT/T/K1/T(K-1)0.20.30102.65511.5391380.58353.730.002827-1.822.253.9797.3637811.4862178.79351.940.002841-3.824.157.8792.1658611.4313577.18350.330.002854-5.86.0511.7586.994611.373675.24348.390.00287-7.98.0515.8581.5301211.3087373.41346.560.002886-9.89.8519.5576.5987611.2463471.49344.640.002902-12.0212.0523.9770.7077811.1663168.98342.130.0