1、實(shí)驗(yàn)4液體飽和蒸氣壓的測定叢樂 2005011007 生 51實(shí)驗(yàn)日期：2007年11月24日星期六 提交報(bào)告日期：2007年12月8日星期六 助教老師：葉逢春1引言1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 運(yùn)用克勞修斯-克拉貝龍方程，求出所測溫度范圍內(nèi)平均摩爾氣化焓及正常沸點(diǎn)。2 .掌握測定飽和蒸汽壓的方法。1.2實(shí)驗(yàn)原理在通常溫度下（距離臨界溫度較遠(yuǎn)時(shí)），純液體與其蒸氣達(dá)平衡時(shí)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(fā)1摩爾液體所吸收的熱量稱為該溫度下液體的摩爾 氣化熱。液體的蒸氣壓與液體的本性及溫度等因素有關(guān)。隨溫度不同而變化，溫度升高時(shí)，蒸氣壓增大；溫度降低時(shí)，蒸氣壓降低，這主要與分子的動能

2、有關(guān)。當(dāng)蒸氣壓等于外界壓力時(shí)， 液體便沸騰，此時(shí)的溫度稱為沸點(diǎn)，外壓不同時(shí)，液體沸點(diǎn)將相應(yīng)改變，當(dāng)外壓為?p?（101.325kPa）時(shí)，液體的沸點(diǎn)稱為該液體的正常沸點(diǎn)。液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系用克勞修斯（Clausius）-克拉貝龍（Clapeyron）方程式表示：淤In F口艸H勲dT ST2式中，R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；A/apHm為在溫度T時(shí)純液體的摩爾氣化熱。假定AvapHm與溫度無關(guān)，或因溫度變化范圍較小，A/apHm可以近似作為常數(shù)，積分上式，得：A ln pBT或AIn pBTvapH m = Rm式中：B積分常數(shù)。從上式可知：若將ln p對1/T作圖應(yīng)得一直線，

3、斜率m= -A二-=vapH m / R由此可得apH-Rm，同時(shí)從圖上可求出標(biāo)準(zhǔn)壓力時(shí)的正常沸點(diǎn)。2實(shí)驗(yàn)操作2.1實(shí)驗(yàn)藥品、儀器型號及測試裝置示意圖1儀器等壓管1支、穩(wěn)壓瓶1個、負(fù)壓瓶1個、恒溫槽1套、冷凝管1個、真空泵1臺、自耦 調(diào)壓變壓器1臺（TDG1/250型）、攪拌器1個、壓力計(jì)1臺（LZ-PI型）、溫度測量控制儀1 臺（CK-1B 型）。2藥品無水乙醇（分析純；20 C 時(shí)密度：; M=46.07）2.2實(shí)驗(yàn)條件表1實(shí)驗(yàn)條件記錄實(shí)驗(yàn)前溫度（C）實(shí)驗(yàn)前大氣壓（kPa）實(shí)驗(yàn)前空氣濕度15.8102.5935%2.3實(shí)驗(yàn)操作步驟及方法要點(diǎn)1. 裝置與裝樣按圖1安裝好整套裝置，并把乙醇裝入

4、等壓管中，使液面在等壓管的三分之二處。2. 檢漏圖i純液體飽和蒸氣壓測定裝置1、等壓管，2、冷凝管，3、攪拌器，4、加熱器，5、1/10 C溫度計(jì)，6、輔助溫度計(jì),7、穩(wěn)壓瓶，8、負(fù)壓瓶，9、干燥管。將H活塞關(guān)上，打開活塞I、F和G,用真空泵抽氣到壓力計(jì)顯示的氣壓為2530kPa時(shí)，關(guān)上I、F和G。等片刻后，利用壓力計(jì)分段檢查系統(tǒng)是否漏氣。3. 升溫開動攪拌器，調(diào)節(jié)加熱器電壓在 160V左右。4. 排氣當(dāng)水浴溫度超過 50C時(shí)，等壓管內(nèi)液體開始沸騰，即大量氣泡通過液柵由C管排出。沸騰3-5分鐘（每秒鐘約排出 3-4個氣泡）就可以除去 AB間的空氣及溶在液體中 的空氣。注意調(diào)節(jié)加熱器電壓，控制恒

5、溫槽溫度在52 C附近。5. 蒸汽壓的測定排氣完后，打開活塞H ,使體系通過毛細(xì)管緩慢吸入空氣逐漸升高壓力，直到穩(wěn)壓瓶中的壓力快接近蒸氣壓時(shí)為止。然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器，改變加熱電壓，直到BC液面相對位置不變，此時(shí)表示溫度己恒定。最后將BC液面基本調(diào)平，穩(wěn)定一分鐘左右，迅速記下溫度t，壓力計(jì)P的讀數(shù)。繼續(xù)用加熱器加熱水浴，加熱過程中適當(dāng)調(diào)節(jié)活塞 H ,使液體不激烈沸騰，當(dāng)溫度升高3 4C時(shí)再重復(fù)上述步驟。一直升溫到75C附近。總共測67個點(diǎn)即可。6. 結(jié)束實(shí)驗(yàn)完后，將系統(tǒng)與大氣相通，關(guān)閉調(diào)壓器，整理實(shí)驗(yàn)臺。最后，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入 計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。7. 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1）等壓管中AB液面間的空氣必須排凈。2

6、） 在操作過程中要防止液體倒吸，即c處氣體通過液柵吸入 AB的空間。一旦倒吸，重 新排氣。3） 在升溫時(shí)，需隨時(shí)調(diào)節(jié)活塞H，避免液體激烈沸騰。3結(jié)果與討論3.1原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1）原始實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)下表中數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)中測定的溫度及與之對應(yīng)的飽和蒸氣壓：（見表2）表2實(shí)驗(yàn)測定溫度與對應(yīng)飽和蒸氣壓序號溫度t (C)壓力P (Pa)151.8832930253.0334020354.3636230455.7538490557.1841120662.0651630768.1467280874.18867302）原始計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果：方程 In （P/Pa） = B/T + A ; A = 14.31695

7、; B = 5026.281 ; 相關(guān)度 R = 1.000015乙醇沸點(diǎn)：Tb=78.24526 C,相對誤差 5 = 0.00606% ;摩爾蒸發(fā)焓： vapH m = 41788.5 J/mol,相對誤差 U2 = 3.33458%3）實(shí)驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)值（無水乙醇） vapHm= 42.6 kJ mol- ； Tb= 351.54K（78.34 C ）摘自本實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)33.2計(jì)算的數(shù)據(jù)、結(jié)果1）對原始數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理實(shí)驗(yàn)中測定的溫度及與之對應(yīng)的飽和蒸氣壓如下表2所示：表2實(shí)驗(yàn)測定溫度與對應(yīng)飽和蒸氣壓序號溫度t (C )溫度T (K)-11/T (K 1)壓力P (Pa)ln (P/Pa)151

8、.88325.030.00307663293010.402253.03326.180.00306583402010.435354.36327.510.00305333623010.498455.75328.900.00304043849010.558557.18330.330.00302734112010.624662.06335.210.00298325163010.852768.14341.290.00293016728011.117874.18347.330.00287918673011.3712)進(jìn)行In ( P/Pa) 1/T作圖和正常沸點(diǎn)的計(jì)算利用表2中數(shù)據(jù)(由于表2中數(shù)據(jù)點(diǎn)1在擬

9、合中明顯偏離其他數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此舍 去此點(diǎn)，即舍去溫度51.88 C時(shí)測定的數(shù)據(jù))，在Origin Pro中作In (P/ Pa) 1/T圖，并進(jìn)行線性擬合。結(jié)果如下圖2所示：11/T (K-)圖3無水乙醇ln(P/Pa) 1/T圖通過回歸分析，可得標(biāo)準(zhǔn)曲線的方程為：Y = A + B * X;其中 A = 25.84191; B = 5025.907;R = -0.9999778782根據(jù)此式可以從直線斜率求得平均摩爾蒸發(fā)焓：斜率 m = B = vapHm/R = 5025.907 ; vapHm= m -R = 5025.907 8.314472 = 41785.39 J/mol其中R為摩爾

10、氣體常數(shù)，數(shù)值取 R = 8.314472 J mol-1K-1將直線延長到p=101.325kPa處，可求得無水乙醇的正常沸點(diǎn)：Tb = 351.0736K = 77.9236 C3)無水乙醇的蒸氣壓和溫度的關(guān)系式。根據(jù)前述計(jì)算所得的直線斜率和截距可知，無水乙醇的蒸氣壓和溫度的關(guān)系式為:In ( P/Pa) = B/T + A ; A = 25.84191 ; B = 5025.907(上式中P為無水乙醇的蒸氣壓，單位為Pa； T為溫度，單位為 K)3.3討論分析1) 測定結(jié)果與文獻(xiàn)值的比較由文獻(xiàn)值(見 3.1)可知： vapHm = 42.6 kJ mol-1; Tb= 351.54K (

11、78.34 C) 本實(shí)驗(yàn)中測得結(jié)果為 ： vapHm= 41785.39 J/mol; T b = 351.0736K (77.9236 C) 測定結(jié)果與文獻(xiàn)值的相對誤差為( vapHm) = (41785.397- 42600/41785.397)100% = -1.949492%(Tb) = (77.9236-78.34/77.9236) 100% = -0.534370%利用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的結(jié)果如下：乙醇沸點(diǎn)：Tb = 78.24526 C,相對誤差 Ui = -0.00606% ;摩爾蒸發(fā)焓： vapHm = 41788.5 J/mol, 相對誤差 U2 = 3.3

12、3458%測定值與文獻(xiàn)值之間的偏差處在合理的范圍之內(nèi)，相對較小，說明本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果 是較為可靠和準(zhǔn)確的。而考慮到本次實(shí)驗(yàn)與測定文獻(xiàn)值時(shí)所使用的儀器、 方法以及條件 (表 1)可能存在 不同，這一偏差的存在屬于正常現(xiàn)象。2) 測量過程中產(chǎn)生誤差的可能原因及分析 對各個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行分析，產(chǎn)生誤差的可能原因有以下幾點(diǎn)：(a) 溫度測定過程中產(chǎn)生的誤差： 在進(jìn)行溫度測定的過程中， 由于攪拌器的攪拌不 可能使得體系中各部分的溫度達(dá)到絕對均勻。所以，通過溫度測量儀測得的是測溫探 頭附近液體的溫度，此溫度與飽和蒸氣的溫度不一定完全一致，從而使所測數(shù)據(jù)和最 終計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值間存在誤差。(b) 實(shí)驗(yàn)中環(huán)境條件改

13、變產(chǎn)生的誤差： 在測量過程中，雖然采用恒溫槽使得體系 的溫度處于恒定狀態(tài)，但仍然不能完全保證測定條件沒有發(fā)生變化。同時(shí)，由于實(shí)驗(yàn) 中測定儀器直接與外界環(huán)境接觸，所以當(dāng)外界環(huán)境溫度、大氣壓力和濕度改變時(shí)，測 量儀器所處狀態(tài)的不同可能影響其測得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。特別是考慮到實(shí)驗(yàn)中使用了較多的數(shù)字式電子測定儀器，當(dāng)溫度和濕度改變時(shí)， 電子元件的物理化學(xué)特性(如 電阻、電容、化學(xué)勢 等)很可能發(fā)生改變，從而導(dǎo)致所 測得數(shù)據(jù)的誤差。(c) 測量體系的改變： 在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為測量體系的組成沒有變化，始終為無水乙醇。但是在實(shí)際情況下，體系組成改變的可能也是存在的。具體而言，如果排氣或升溫過 程中液體沸騰過于劇烈，可

14、能使蒸發(fā)出的液體將儀器磨口密封用的甘油溶解，之后混 有甘油的蒸汽返回體系時(shí)就可能改變體系組成，從而使體系飽和蒸氣壓發(fā)生變化，引 入誤差。為避免這一現(xiàn)象，升溫時(shí)需隨時(shí)調(diào)節(jié)活塞H，防止液體劇烈沸騰。(d) 測量儀器的系統(tǒng)誤差 ：由于測溫儀器本身不可能絕對精確， 實(shí)驗(yàn)測量過程中也 可能存在由此導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。3) 對實(shí)驗(yàn)中異常現(xiàn)象的分析和討論液面不穩(wěn)定現(xiàn)象：測量中當(dāng)體系升至較高溫度時(shí)(約65C以上)，兩側(cè)液面會長時(shí)間出現(xiàn)小范圍波動。 這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是： 當(dāng)體系溫度較高時(shí)， 液體(包括體系和恒溫槽介質(zhì)) 蒸發(fā)速度較快，恒溫槽內(nèi)的溫度也遠(yuǎn)高于室溫。這使得整個體系很難繼續(xù)保持各部

15、分 的溫度和組成基本均一穩(wěn)定，而且恒溫槽調(diào)節(jié)溫度恒定的能力也有所下降。因此，在測定中我們根據(jù)助教老師的建議，在溫度低于60C的情況下多測定幾組數(shù)據(jù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中我們待溫度和液面穩(wěn)定一段時(shí)間后再讀數(shù)和記錄，從而基本避免 了此異?，F(xiàn)象對結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)室軟件與 Origin Pro 擬合結(jié)果存在微小差異： 在撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，我發(fā)現(xiàn)利用 Origin Pro 對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后所得到的結(jié)果 與實(shí)驗(yàn)室軟件的結(jié)果之間存在微小的差異。實(shí)驗(yàn)室軟件： vapHm = 41788.5 J/mol; Tb =351.39526K (78.24526 C)Origi n Pro : vapHm= 41785.39

16、 J/mol; Tb = 351.0736K (77.9236 C )兩組數(shù)據(jù) vapHm和Tb數(shù)值的相對偏差分別為 0.0074%和0.41% ,產(chǎn)生這一偏差的 主要原因可能是在擬合計(jì)算過程中，兩種軟件所采用數(shù)據(jù)的有效位數(shù)不同，從而使得 擬合出的結(jié)果有微小差異。4) 對儀器裝置、操作步驟、實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)意見及體會完成此次實(shí)驗(yàn)后，我深切地感受到蒸氣壓實(shí)驗(yàn)利用我們所掌握的物化知識，從實(shí) 驗(yàn)的角度對我們進(jìn)行了一次充分的訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是次要的，而我們所掌握的實(shí)驗(yàn)方 法和總結(jié)分析才是關(guān)鍵。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程，我對本項(xiàng)試驗(yàn)有如下幾點(diǎn)建議和體會：(a) 判斷液面相平且穩(wěn)定的輔助線： 在測定過程中的關(guān)鍵一步是調(diào)節(jié)

17、兩側(cè)液面相 平且穩(wěn)定，從而保證壓力記讀數(shù)等于測定體系內(nèi)飽和蒸汽的壓力。如果在試管中標(biāo)記 出幾條輔助線(可使用記號筆完成) ，則可以為判斷提供一個固定不動的參照物，從 而有利于通過肉眼判斷液面是否相平且穩(wěn)定。(b) 實(shí)驗(yàn)裝置和過程的設(shè)計(jì)： 實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)之一是每次升溫后需重新調(diào)節(jié)電壓使得 體系溫度再次處于恒定狀態(tài)。本小組實(shí)驗(yàn)中所得的經(jīng)驗(yàn)是：調(diào)節(jié)電壓時(shí)可以根據(jù)前面 兩次測定時(shí)的電壓差，直接確定第三次電壓的基本范圍，將電壓直接調(diào)至此范圍內(nèi)， 從而迅速找到最佳電壓，提高實(shí)驗(yàn)效率。(c) 恒溫槽的液體介質(zhì)： 在本次試驗(yàn)中恒溫槽的介質(zhì)是水， 由于測定過程中體系溫 度最高可達(dá)75C左右，而水的沸點(diǎn)約為100C

18、，因此在測定最后幾個數(shù)據(jù)時(shí)，由于水的蒸發(fā)作用較強(qiáng)，體系的穩(wěn)定程度開始下降。在今后的實(shí)驗(yàn)中如果能夠利用沸點(diǎn)更高 的介質(zhì)組成恒溫槽，則可能有助于緩解這一問題。5) 實(shí)驗(yàn)的總結(jié)與體會本次物化實(shí)驗(yàn)中， 物化實(shí)驗(yàn)室的 葉逢春 助教老師對我們進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)，給予了我們熱情的幫助。特別是在實(shí)驗(yàn)前老師為我們詳細(xì)講解了所有實(shí)驗(yàn)裝置的使用和實(shí) 驗(yàn)中容易出現(xiàn)的問題及解決辦法。因此，在隨后的實(shí)驗(yàn)中我們遇到類似問題時(shí)就能夠 從容應(yīng)對和處理。如果沒有各位老師和助教的辛勤準(zhǔn)備和付出，我們絕對無法順利的 完成本次的實(shí)驗(yàn)。非常非常感謝您，您辛苦樂！4 結(jié)論本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用克勞修斯 -克拉貝龍方程為理論依據(jù)，測定了無水乙醇的飽和蒸

19、汽壓，并 求得所測溫度范圍內(nèi)平均摩爾氣化焓及正常沸點(diǎn)，具體結(jié)果如下：無水乙醇正常沸點(diǎn)為：Tb = 351.0736K = 77.9236 C,相對誤差 a = -1.949492%無水乙醇平均摩爾蒸發(fā)焓： vapHm= 41785.39 J/mol，相對誤差 a = -0.534370%無水乙醇飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系：In(P/Pa)= B/T + A ；A = 25.84191；B = 5025.907(上式中P為無水乙醇的蒸氣壓，單位為Pa； T為溫度，單位為 K;下同)而利用實(shí)驗(yàn)室計(jì)算軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的結(jié)果如下：乙醇沸點(diǎn)：Tb=78.24526 C,相對誤差 U1 = - 0.0

20、0606% ;摩爾蒸發(fā)焓： vapHm= 41788.5 J/mol, 相對誤差 U2 = 3.33458%方程 In(P/Pa) = -B/T + A；A = 14.31695；B = 5026.281。5 參考文獻(xiàn)1 傅獻(xiàn)彩，沈文霞，姚天揚(yáng)。物理化學(xué)上冊。第四版。北京：高等教育出版社，1990： 1442 清華大學(xué)化學(xué)系物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)編寫組 . 物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)。北京：清華大學(xué)出版社.19913 Ed. by Robert C. Weast. Handbook of Chemistry and Physics, 58 th Ed. Ohio CRC Press, 19774 朱文濤 編著 物理化

21、學(xué) 清華大學(xué)出版社6 附錄思考題：1、說明飽和蒸氣壓、正常沸點(diǎn)、沸騰溫度的含義。答： (1)在通常溫度下 (距離臨界溫度較遠(yuǎn) )，某物質(zhì)在密閉空間內(nèi)氣液兩相共存時(shí)，純液體與 其蒸氣達(dá)平衡時(shí)的蒸氣壓(氣相的壓力)稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓，簡稱為蒸氣壓。正常沸點(diǎn)是指某種物質(zhì)在外壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p?(101.325kPa)時(shí)的沸點(diǎn)。(3)沸騰溫度是指某種物質(zhì)在某一特定大氣壓力下的沸點(diǎn)。2、克克方程在什么條件下才能使用？為什么本實(shí)驗(yàn)測定的只是平均蒸發(fā)焓？答： (1)克克方程在：蒸氣可視為理想氣體，液體體積相較氣體體積可以忽略，且體系內(nèi) 氣、液兩相平衡時(shí)可以使用。(2)由于蒸發(fā)焓與測定溫度有關(guān)(即不同

22、溫度下摩爾蒸發(fā)焓不同)，而本實(shí)驗(yàn)測定中認(rèn)為蒸發(fā)焓為常數(shù)， 以方便積分運(yùn)算， 所以本實(shí)驗(yàn)是利用克克方程和一定溫度范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)進(jìn)行蒸發(fā)焓計(jì)算，所得結(jié)果只是這一溫度區(qū)間的平均蒸發(fā)焓。3、穩(wěn)壓瓶、負(fù)壓瓶的作用是什么？什么時(shí)候需用活塞H 與 G?答：(1)穩(wěn)壓瓶的作用：在實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié) G和H活塞可控制穩(wěn)壓瓶內(nèi)的氣壓。通過此調(diào)節(jié)可使 等壓管兩側(cè) BC 中的液面相平， 這樣在液面穩(wěn)定后， 壓力記所測得穩(wěn)壓瓶中的壓力與乙醇飽 和蒸氣的壓力基本相等，從而測得不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓。(2) 負(fù)壓瓶的作用是當(dāng)穩(wěn)壓瓶壓強(qiáng)過高(即B液面高于C)時(shí)，可以通過打開 G活塞來向穩(wěn)壓瓶提供負(fù)壓，降低穩(wěn)壓瓶氣壓使得 B 液面下落，調(diào)節(jié) BC 液面相平。(3) C