液體飽和蒸氣壓的測(cè)定預(yù)習(xí)思考題及答案一、基本概念相關(guān)問(wèn)題問(wèn)題1：什么是液體的飽和蒸氣壓？答案：在一定溫度下，當(dāng)液體與其蒸氣達(dá)到平衡時(shí)，蒸氣所具有的壓力稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓。所謂平衡是指在密閉容器中，液體分子不斷地從液相表面逸出形成蒸氣，同時(shí)蒸氣分子也不斷地回到液相中。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)從液相逸出的分子數(shù)與從氣相回到液相的分子數(shù)相等時(shí)，體系就達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)氣相的壓力就是該液體在該溫度下的飽和蒸氣壓。它是液體的一個(gè)重要物理性質(zhì)，與液體的本性和溫度有關(guān)。問(wèn)題2：飽和蒸氣壓與溫度有什么關(guān)系？答案：飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系可以用克勞修斯-克拉佩龍方程來(lái)描述，即$\frac{d\lnp}{dT}=\frac{\Delta_{vap}H_{m}}{RT^{2}}$。其中$p$是飽和蒸氣壓，$T$是熱力學(xué)溫度，$\Delta_{vap}H_{m}$是液體的摩爾蒸發(fā)焓，$R$是摩爾氣體常數(shù)。從該方程可以看出，飽和蒸氣壓隨溫度的升高而增大。對(duì)克勞修斯-克拉佩龍方程進(jìn)行不定積分可得$\lnp=-\frac{\Delta_{vap}H_{m}}{RT}+C$（$C$為積分常數(shù)），若以$\lnp$對(duì)$\frac{1}{T}$作圖，可得一條直線，直線的斜率為$-\frac{\Delta_{vap}H_{m}}{R}$，通過(guò)斜率可以計(jì)算出液體的摩爾蒸發(fā)焓。問(wèn)題3：什么是沸點(diǎn)？正常沸點(diǎn)和沸點(diǎn)有什么區(qū)別？答案：沸點(diǎn)是指液體的飽和蒸氣壓等于外界壓力時(shí)的溫度。當(dāng)液體受熱時(shí)，其飽和蒸氣壓逐漸升高，當(dāng)飽和蒸氣壓等于外界壓力時(shí)，液體就會(huì)沸騰。正常沸點(diǎn)是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（$101.325kPa$）下，液體的飽和蒸氣壓等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的溫度。而一般所說(shuō)的沸點(diǎn)是指液體在某一特定外界壓力下的沸騰溫度。例如，在高原地區(qū)，外界大氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，水的沸點(diǎn)就會(huì)低于$100^{\circ}C$，此時(shí)的沸點(diǎn)就不是正常沸點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)原理相關(guān)問(wèn)題問(wèn)題4：本實(shí)驗(yàn)測(cè)定液體飽和蒸氣壓的基本原理是什么？答案：本實(shí)驗(yàn)通常采用靜態(tài)法測(cè)定液體的飽和蒸氣壓。其基本原理是在一定溫度下，將待測(cè)液體置于一個(gè)封閉的體系中，使液體與其蒸氣達(dá)到平衡狀態(tài)，然后測(cè)量此時(shí)蒸氣的壓力，即為該溫度下液體的飽和蒸氣壓。通過(guò)改變溫度，測(cè)量不同溫度下的飽和蒸氣壓，利用克勞修斯-克拉佩龍方程，以$\lnp$對(duì)$\frac{1}{T}$作圖，得到一條直線，根據(jù)直線的斜率可以計(jì)算出液體的摩爾蒸發(fā)焓，同時(shí)還可以通過(guò)外推法得到液體的正常沸點(diǎn)。問(wèn)題5：為什么要對(duì)測(cè)量的壓力進(jìn)行校正？答案：在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量的壓力值往往會(huì)受到一些因素的影響，需要進(jìn)行校正。一方面，壓力測(cè)量?jī)x器本身可能存在一定的誤差，例如壓力計(jì)的零點(diǎn)可能不準(zhǔn)確，或者壓力計(jì)的精度有限等。另一方面，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響也可能導(dǎo)致測(cè)量誤差，如溫度對(duì)壓力計(jì)的影響等。此外，大氣壓力本身也會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生變化。因此，為了得到準(zhǔn)確的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，需要對(duì)測(cè)量的壓力進(jìn)行校正。通常的校正方法包括對(duì)壓力計(jì)進(jìn)行零點(diǎn)校正，以及根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓力對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。問(wèn)題6：實(shí)驗(yàn)中如何保證氣-液兩相達(dá)到平衡？答案：為了保證氣-液兩相達(dá)到平衡，需要采取以下措施。首先，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，要對(duì)體系進(jìn)行充分的抽氣，排除體系中的空氣，使體系中只存在液體及其蒸氣。然后，將體系置于恒溫水浴中，保持溫度恒定，讓液體有足夠的時(shí)間進(jìn)行蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程，直到單位時(shí)間內(nèi)從液相逸出的分子數(shù)與從氣相回到液相的分子數(shù)相等，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。一般來(lái)說(shuō)，需要等待一段時(shí)間，例如$10-15$分鐘，讓體系充分達(dá)到平衡狀態(tài)。在調(diào)節(jié)壓力時(shí)，也要緩慢進(jìn)行，避免因壓力變化過(guò)快而破壞氣-液平衡。三、實(shí)驗(yàn)裝置相關(guān)問(wèn)題問(wèn)題7：本實(shí)驗(yàn)所使用的主要儀器有哪些？各有什么作用？答案：本實(shí)驗(yàn)所使用的主要儀器包括：-恒溫水?。浩渥饔檬翘峁┮粋€(gè)恒定的溫度環(huán)境，使液體在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持在設(shè)定的溫度下，以保證測(cè)量的飽和蒸氣壓是對(duì)應(yīng)于該溫度的值。恒溫水浴通常由加熱器、攪拌器、溫度計(jì)和控溫裝置組成，通過(guò)控溫裝置可以精確控制水溫。-等壓計(jì)：等壓計(jì)是用于測(cè)量液體飽和蒸氣壓的關(guān)鍵裝置。它由U形管和盛有液體的球管組成，U形管中裝有封閉液（通常是一種與待測(cè)液體不互溶的液體）。當(dāng)氣-液達(dá)到平衡時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)壓力使U形管兩臂的液面平齊，此時(shí)所測(cè)壓力即為液體的飽和蒸氣壓。-壓力計(jì)：用于測(cè)量體系的壓力。常見(jiàn)的壓力計(jì)有數(shù)字壓力計(jì)，它可以直接顯示壓力值，具有測(cè)量精度高、讀數(shù)方便等優(yōu)點(diǎn)。-真空泵：其作用是對(duì)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行抽氣，排除體系中的空氣，使體系達(dá)到一定的真空度，以便準(zhǔn)確測(cè)量液體的飽和蒸氣壓。問(wèn)題8：等壓計(jì)中封閉液的作用是什么？對(duì)封閉液有什么要求？答案：等壓計(jì)中封閉液的作用主要有兩個(gè)方面。一是起到密封作用，防止外界空氣進(jìn)入體系，保證體系的密封性。二是通過(guò)觀察U形管兩臂封閉液液面的高度差來(lái)判斷氣-液是否達(dá)到平衡以及測(cè)量體系的壓力。當(dāng)U形管兩臂液面平齊時(shí)，說(shuō)明體系內(nèi)的壓力與外界壓力相等，此時(shí)所測(cè)壓力即為液體的飽和蒸氣壓。對(duì)封閉液的要求如下：首先，封閉液應(yīng)與待測(cè)液體不互溶，否則會(huì)影響待測(cè)液體的性質(zhì)和飽和蒸氣壓的測(cè)量。其次，封閉液的蒸氣壓要盡可能低，以減少其自身蒸發(fā)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此外，封閉液的化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，不易與體系中的其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常用的封閉液有硅油、石蠟油等。問(wèn)題9：實(shí)驗(yàn)裝置為什么要密封良好？如果裝置漏氣會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生什么影響？答案：實(shí)驗(yàn)裝置密封良好是保證實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是測(cè)量液體在封閉體系中與其蒸氣達(dá)到平衡時(shí)的飽和蒸氣壓，如果裝置漏氣，外界空氣會(huì)進(jìn)入體系，導(dǎo)致體系中不僅存在液體的蒸氣，還混有空氣，這樣測(cè)量的壓力就不是液體的飽和蒸氣壓，而是液體蒸氣和空氣的總壓力，從而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。此外，漏氣還會(huì)影響氣-液平衡的建立，使實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。如果裝置漏氣，可能會(huì)出現(xiàn)壓力不穩(wěn)定、測(cè)量值波動(dòng)較大等現(xiàn)象，無(wú)法得到準(zhǔn)確的飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響后續(xù)對(duì)摩爾蒸發(fā)焓和沸點(diǎn)的計(jì)算。四、實(shí)驗(yàn)操作相關(guān)問(wèn)題問(wèn)題10：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前為什么要對(duì)體系進(jìn)行抽氣？抽氣的目的是什么？答案：實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前對(duì)體系進(jìn)行抽氣有兩個(gè)主要目的。一是排除體系中的空氣。如果體系中存在空氣，那么測(cè)量的壓力就是液體蒸氣和空氣的總壓力，而不是液體的飽和蒸氣壓，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏高。通過(guò)抽氣，可以將體系中的空氣盡可能地排除，使體系中只存在液體及其蒸氣，從而準(zhǔn)確測(cè)量液體的飽和蒸氣壓。二是使體系達(dá)到一定的真空度，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造條件。在一定的真空度下，液體更容易蒸發(fā)，能夠更快地達(dá)到氣-液平衡狀態(tài)，提高實(shí)驗(yàn)效率和測(cè)量的準(zhǔn)確性。問(wèn)題11：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如何調(diào)節(jié)體系的壓力？調(diào)節(jié)壓力時(shí)需要注意什么？答案：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通常通過(guò)調(diào)節(jié)真空泵的抽氣速率或向體系中緩慢充入空氣來(lái)調(diào)節(jié)體系的壓力。當(dāng)需要降低體系壓力時(shí)，開(kāi)啟真空泵進(jìn)行抽氣；當(dāng)需要升高體系壓力時(shí)，可以緩慢打開(kāi)進(jìn)氣閥，讓少量空氣進(jìn)入體系。調(diào)節(jié)壓力時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。首先，調(diào)節(jié)要緩慢進(jìn)行，避免壓力變化過(guò)快而破壞氣-液平衡。如果壓力變化過(guò)快，液體的蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程來(lái)不及達(dá)到平衡，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。其次，在調(diào)節(jié)壓力的過(guò)程中，要密切觀察等壓計(jì)U形管兩臂液面的變化情況。當(dāng)接近平衡時(shí)，更要小心調(diào)節(jié)，使U形管兩臂液面盡可能平齊，以保證測(cè)量的壓力是液體的飽和蒸氣壓。此外，在調(diào)節(jié)壓力時(shí)，要注意壓力計(jì)的讀數(shù)，避免壓力超過(guò)儀器的量程，損壞壓力計(jì)。問(wèn)題12：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果等壓計(jì)U形管兩臂液面高度差一直無(wú)法達(dá)到平衡，可能是什么原因造成的？應(yīng)該如何解決？答案：如果等壓計(jì)U形管兩臂液面高度差一直無(wú)法達(dá)到平衡，可能有以下幾種原因及相應(yīng)的解決方法：-體系漏氣：如前面所述，漏氣會(huì)導(dǎo)致外界空氣不斷進(jìn)入體系，使壓力不穩(wěn)定，無(wú)法達(dá)到平衡。解決方法是檢查實(shí)驗(yàn)裝置的各個(gè)連接部位，如橡膠管的連接是否緊密、接口處是否有裂縫等，對(duì)漏氣部位進(jìn)行密封處理。-溫度不穩(wěn)定：恒溫水浴的溫度如果不穩(wěn)定，會(huì)影響液體的蒸發(fā)和凝結(jié)速率，導(dǎo)致氣-液平衡難以建立。此時(shí)需要檢查恒溫水浴的控溫裝置是否正常工作，確保水溫恒定在設(shè)定值。-體系中有空氣殘留：如果抽氣不徹底，體系中殘留有空氣，也會(huì)影響平衡的建立?？梢栽俅螌?duì)體系進(jìn)行抽氣，延長(zhǎng)抽氣時(shí)間，確保將體系中的空氣盡可能排除。-等壓計(jì)中有堵塞現(xiàn)象：等壓計(jì)的管道可能被雜質(zhì)堵塞，影響液體的流動(dòng)和壓力的傳遞。可以檢查等壓計(jì)，如有堵塞，進(jìn)行清洗或更換等壓計(jì)。五、數(shù)據(jù)處理相關(guān)問(wèn)題問(wèn)題13：如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算液體的摩爾蒸發(fā)焓和正常沸點(diǎn)？答案：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到不同溫度$T$下的飽和蒸氣壓$p$，首先將溫度$T$轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)溫度（$T(K)=t(^{\circ}C)+273.15$），然后計(jì)算$\frac{1}{T}$和$\lnp$。以$\lnp$為縱坐標(biāo)，$\frac{1}{T}$為橫坐標(biāo)作圖，得到一條直線。根據(jù)克勞修斯-克拉佩龍方程$\lnp=-\frac{\Delta_{vap}H_{m}}{RT}+C$，直線的斜率$m=-\frac{\Delta_{vap}H_{m}}{R}$，其中$R$是摩爾氣體常數(shù)（$R=8.314J\cdotmol^{-1}\cdotK^{-1}$），通過(guò)斜率可以計(jì)算出液體的摩爾蒸發(fā)焓$\Delta_{vap}H_{m}=-mR$。對(duì)于正常沸點(diǎn)的計(jì)算，由于正常沸點(diǎn)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（$p=101.325kPa$）下的沸點(diǎn)，即$\lnp=\ln(101.325\times10^{3})$。將其代入上述直線方程$\lnp=-\frac{\Delta_{vap}H_{m}}{RT}+C$，可以求出對(duì)應(yīng)的溫度$T$，再將熱力學(xué)溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度，即可得到液體的正常沸點(diǎn)。問(wèn)題14：在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，作圖時(shí)需要注意什么？如果作圖不準(zhǔn)確會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生什么影響？答案：在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，作圖時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)。首先，要選擇合適的坐標(biāo)紙和比例尺。坐標(biāo)紙的大小要能夠容納所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，比例尺要選擇得當(dāng)，使圖形能夠清晰地展示數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，要使數(shù)據(jù)點(diǎn)盡可能均勻地分布在整個(gè)坐標(biāo)平面上。其次，數(shù)據(jù)點(diǎn)要準(zhǔn)確標(biāo)注，用清晰的符號(hào)表示，如圓點(diǎn)、三角等。連線時(shí)要根據(jù)數(shù)據(jù)的分布情況進(jìn)行擬合，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，應(yīng)該用直線進(jìn)行擬合，盡量使直線通過(guò)或接近大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并且使數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻分布在直線兩側(cè)。此外，要標(biāo)注好坐標(biāo)軸的名稱和單位，以及圖形的標(biāo)題。如果作圖不準(zhǔn)確，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。例如，如果直線擬合不準(zhǔn)確，得到的斜率就會(huì)有偏差，從而導(dǎo)致計(jì)算出的摩爾蒸發(fā)焓不準(zhǔn)確。同樣，在計(jì)算正常沸點(diǎn)時(shí)，由于是根據(jù)直線方程進(jìn)行外推，如果直線不準(zhǔn)確，外推得到的正常沸點(diǎn)也會(huì)有較大誤差。因此，準(zhǔn)確作圖是保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)。六、誤差分析相關(guān)問(wèn)題問(wèn)題15：本實(shí)驗(yàn)可能存在哪些誤差來(lái)源？如何減小這些誤差？答案：本實(shí)驗(yàn)可能存在以下誤差來(lái)源及相應(yīng)的減小方法：-溫度測(cè)量誤差：恒溫水浴的溫度可能存在一定的波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量的溫度不準(zhǔn)確?？梢赃x擇精度較高的溫度計(jì)，并定期對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。同時(shí)，要確保恒溫水浴的控溫裝置正常工作，減少溫度波動(dòng)。-壓力測(cè)量誤差：壓力計(jì)本身可能存在誤差，以及壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中可能導(dǎo)致壓力測(cè)量不準(zhǔn)確?？梢赃x擇精度高的壓力計(jì)，并在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)。在調(diào)節(jié)壓力時(shí)要緩慢進(jìn)行，避免壓力變化過(guò)快影響測(cè)量結(jié)果。-體