液体饱和蒸汽压的测定
黄汉弘 PB09206262
摘要: 本实验是对液体饱和蒸汽压与温度的关系作实验上的研究，然后根据建立起的经验方程式，求算液体的平均摩尔汽化热。通过本实验我们要明确蒸气压、正常沸点、沸腾温度的含义；了解动态法测定蒸气压的基本原理；了解真空泵、气压计的使用及注意事项；了解如何检漏及实验操作时抽气、放气的控制。
关键词：饱和蒸汽压，压力差，液面相平，
引言：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：
DH：摩尔汽化热(J·mol-1) R：气体常数(8.314J·mol-1·K-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：
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。
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。
实验仪器与设备： 液体饱和蒸汽测定仪，抽气泵，福廷式压力计，加热电炉，搅拌马达，温度计，气压计。
实验装置图：
图2--1中，平衡管由三个相连通的玻璃球构成，顶部与冷凝管相连。冷凝管与U形压力计6和缓冲瓶7相接。在缓冲瓶7和安全瓶11之间，接一活塞9，用来调节测量体系的压力。安全瓶中的负压通过真空泵抽真空来实现。安全瓶和真空泵之间有一三通阀，通过它可以正确地操作真空泵的启动和关闭。A球中装待测液体，当A球的液面上纯粹是待测液体的蒸汽，并且当B管与C管的液面处于同一水平时，表示B管液面上的蒸汽压(即A球面上的蒸汽压)与加在C管液面上的外压相等。此时体系汽液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。用当时读得的大气压减去压差计两水银柱的高度差，即为该温度下液体的饱和蒸汽压。
图2-1 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
实验过程：
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20—40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80°C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。
数据记录：
1，温度校正表
线性拟合的结果如下
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 0.36 0.07036
B 0.993 1E-3
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
1 0.01581 5 <0.0001
------------------------------------------------------------
考虑到温度计的精确度，基本上两个温度结果相等。
2，压力差与沸腾温度的关系表
数据处理：
外压=大气压--两Hg柱的压力差
Hg柱的压力差=ρ*g*ΔH
合肥当地重力加速度为9.7933m/s2 ， 水银的密度为13.6Kg/m3
第一组：
蒸汽压对温度T作图：
Linear Regression for Data1_B:
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A -734.39683 21.60194
B 2.35604 0.06286
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
0.99681 1.46064 11 <0.0001
------------------------------------------------------------
对的直线图：
Linear Regression for Data1_B:
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 15.4646 0.03259
B -3836.75419 11.1917
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-0.99996 0.00221 11 <0.0001
------------------------------------------------------------
直线的斜率L1为-3836.75
则ΔH=R*（-L1）=8.314*3836.75=31.899KJ/mol
第二组：
蒸汽压对温度T作图：
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A -727.88677 20.90348
B 2.33729 0.06083
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
0.99697 1.43398 11 <0.0001
------------------------------------------------------------
对的直线图：
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 15.37037 0.02808
B -3804.08066 9.64032
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-0.99997 0.00194 11 <0.0001
------------------------------------------------------------
直线斜率L2=-3804.08
同样可得ΔH=3804.08*8.314=31.627KJ/mol
第三组:
蒸汽压对温度T作图：
Linear Regression for Data1_B:
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A -727.1534 20.24285
B 2.33489 0.0589
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
0.99715 1.37764 11 <0.0001
------------------------------------------------------------
对的直线图：
Linear Regression for Data1_B:
Y = A + B * X
Parameter Value Error
------------------------------------------------------------
A 15.38837 0.03475
B -3810.5683 11.93171
------------------------------------------------------------
R SD N P
------------------------------------------------------------
-0.99996 0.00238 11 <0.0001
------------------------------------------------------------
斜率L1=-3810.57
ΔH=3810.57*8.314=31.681KJ/mol
平均汽化热ΔH=（31.899+31.627+31.681）/3=31.736KJ/mol
理论值为33.055KJ/mol
误差百分比=( 33.055-31.736)/33.055*100%=3.99%
大气压强的数值记录：
759.70mm 759.35mm 760.40mm 760.25mm
平均值=（759.70+759.35+760.40+760.25）/4=759.93mm
P=13.6*9.7933*759.93=101.21KPa
㏑ P=4.617
在第一条曲线中对应的正常沸点为：353.69k
在第二条曲线中对应的正常沸点为：353.76K
在第三条曲线中对应的正常沸点为：353.77K
平均的正常沸点=（353.69+353.76+353.77）/3=353.74K
文献中的正常沸点为：353.85K
误差百分比: （353.85-353.74）/353.85*100%=0.31%
误差分析：
1，在实验当天大气压强有小的变化对实验有微小的影响；
2，肉眼判断两边液面是否水平不是很准确；
3，对于水银气压计的读数比较粗糙；
4，在实验过程中可能进了少量空气使得某些数据有微小偏差；
思考与讨论：
一，实验注意事项：
1、 平衡管A管和B管之间的空气必须赶净。
2、 抽气和放气的速度不能太快，以免C管中的水被抽掉或B管中的水倒流到A管。
3、 读数时应同时读取温度和压差。
4、 使用真空泵时的注意事项
使用真空泵时，特别是关真空泵时，一定要防止真空泵中的真空油被吸入大真空瓶中去，要保证真空泵的出口连通大气时才能关真空泵。就本实验而言，要保证大真空瓶上的三通活塞处于“╩”状态时才能切断真空泵的电源。
二，思考题：
1， 以本实验中的装置来说，哪一部分是体系？
答： （将装置图中的平衡管部分转化一下）
根据实验题目可知，体系中应包含液体部分和气体部分，因此本实验的体系是A中的液体和A—B液面之间的气体。
2、 体系中的气体部分含有空气等惰性气体时，是否对饱和蒸气压的测定产生影响？
3、 答： 有影响。参见【物理化学】教科书有关部分（P147～148）。公式为
ln
=
（pe—pg*）
公式中pg*为没有惰性气体存在时液体的饱和蒸气压，pg为有惰性气体存在且总压为pe时液体的饱和蒸气压
4、 怎样才能把体系中的空气排出到环境中去，使得体系的气体部分几乎全部是由被测液体的蒸气所组成？如何判断空气已被赶净？
答： 通过对体系加热或（/和）减小环境的压力，可以把体系中的空气等惰性气体排出到环境中去。刚开始时，空气比较多，通过B—C管液体冒泡排出的速度较快，后来逐步减慢。当体系温度达到液体的沸点并且空气很少时，冒泡排出气体的速度比较慢并且均匀，此时冒泡排出的气体主要是饱和蒸气。
5、 B—C之间的U形状液体所起到的作用是什么？
答： （1）起到一个液体活塞（或液封）的作用，用于分隔体系与环境。（同时通过该液体活塞，可将体系中的空气排除到环境中去；）
（2） 起到检测压力的作用。（当B、C管中的液面等高时，说明体系的压力等于环境的压力，可以通过测量环境的压力来代表体系的压力；）
（3） 当B、C管中的液面等高时测定温度和压力的数据，也可保持多次测量数据时体系的体积几乎相等。
6、 怎样才能使环境的空气不会进入到体系中去？
答： 读测完温度和压差的数据以后，赶快给体系加热，或减小环境 的压力。
7、 从U形水银压力计上读取压差时，需要读取的数据是其中一臂的汞高刻度还是两臂的汞高刻度？
答： 需要读取的数据是两臂的汞高刻度，因为不能保证U形管中的内径尺寸相等并均匀一致，当内径尺寸不相等并不均匀一致时，汞柱面的上升高度不能保证等于下降高度。
8、 从大气压计上读取大气压力时，应将本实验室的大气压计下端的旋钮调节到使下部玻璃管中的汞面正好接触到象牙尖的尖端位置，为什么？
答： 是为了保证当大气的压力为一个标准压力时，从象牙尖到上部汞面之间的距离正好是760.00mm。