水的飽和蒸氣壓測定新方法
——綠色化教學(xué)改革研究

喬艷紅 孫玉繡

(天津師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 天津 300387)

在物理化學(xué)實驗改革實踐中，可以通過對實驗中的裝置、藥品、操作步驟等的改進，減少環(huán)境污染、降低成本，提高安全性，使學(xué)生認識到綠色化學(xué)的重要性，既增加學(xué)生的環(huán)保意識，激發(fā)學(xué)生對物理化學(xué)實驗的興趣，又有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)他們的實驗技能[1-4]。綠色化教學(xué)改革研究正在成為物理化學(xué)實驗改革的熱點之一[5-6]。

液體飽和蒸氣壓的測定是基礎(chǔ)物理化學(xué)實驗之一，常用的試劑是苯，而苯易揮發(fā)，且具有致癌性。雖有人將試劑改為乙醇，但依然存在實驗成本高，真空操作過于繁雜且難控制的缺點[7]。一些針對實驗裝置的改進也沒有得到非常理想的實驗結(jié)果[8-9]。

我們采用的是非真空系統(tǒng)、不用有機溶劑、以水為待測物質(zhì)的實驗方法，可以達到同樣的教學(xué)目的和實驗效果。新的被測物質(zhì)水對人體無害，對環(huán)境無污染，價格便宜，使實驗費用大大降低。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

一定量的空氣被封閉于量氣管頂端(圖1)。量氣管上端的空氣為水蒸氣所飽和，在水蒸氣與空氣的氣體混合物中，水蒸氣的量隨溫度而變化，而空氣的量不變。

圖1 水的飽和蒸氣壓簡易測定裝置

顯然，在一定溫度下，兩管液面平齊時，有：

p大氣=p空氣+p水蒸氣

(1)

(2)

其中，T、V分別為測量溫度和空氣體積；n空氣是空氣的物質(zhì)的量。

假設(shè)在5℃時，p水蒸氣可以忽略，則有：

(3)

其中T0、V0分別為5℃以下測量空氣的溫度和體積。

將測量值T0、V0代入式(3)便可求得n空氣。將n空氣代入式(1)，即可算出各測量溫度下空氣的分壓p空氣；將p空氣代入式(2)，即可算出各測量溫度下水的飽和蒸氣壓。將各溫度下水的飽和蒸氣壓代入克勞修斯-克拉貝龍方程：

(4)

(5)

1.2 實驗儀器與藥品

U型量氣管一支，恒溫槽一套，塑料冰槽一個，精密溫度計(0～100℃)一支，長滴管一支，蒸餾水，冰，自來水。

1.3 實驗步驟

① 在U型量氣管中加入適量的蒸餾水，使管中封閉3～4mL空氣。

② 把U型量氣管放入冰槽中，調(diào)節(jié)冰槽溫度為3～5℃，用長滴管調(diào)節(jié)量氣管兩液面平齊后，讀取T0、V0。

③ 把U型量氣管放入恒溫槽中，調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為75℃，恒溫后，用長滴管調(diào)節(jié)量氣管兩管液面平齊，讀取氣體體積。

④ 用上述方法每隔2℃左右測定一個量氣管中被封氣體的體積，分別記下數(shù)據(jù)。

⑤ 采取低溫到高溫的實驗方案重復(fù)以上實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

每個實驗數(shù)據(jù)均按上述方法處理，將計算結(jié)果列于表2。

表1 數(shù)據(jù)記錄及計算

p大氣=1.0217×105Pa，冰槽溫度T0=277.55K，氣體體積V0=0.00340dm3。

圖2 經(jīng)Orgin軟件處理得到的線性關(guān)系圖

實驗方案序號水的摩爾氣化熱/J·mol-1相關(guān)系數(shù)相對誤差/%高溫到低溫13.98×104-0.99931.9023.95×104-0.99902.7134.12×104-0.99921.48低溫到高溫14.56×104-0.962512.3224.65×104-0.941314.5334.78×104-0.959517.73

近兩年本校學(xué)生約400人做了降溫法測定水在不同溫度下的飽和蒸氣壓的實驗，所求出的水的摩爾氣化熱與文獻值比較，相對誤差在2%之內(nèi)的學(xué)生大約占總?cè)藬?shù)的30%左右，而相對誤差在3%之內(nèi)的學(xué)生總數(shù)可以達到90%以上。統(tǒng)計結(jié)果表明，用該方法測定水的飽和蒸氣壓的精度符合實驗所允許的誤差要求(物理化學(xué)實驗要求實驗的相對誤差在3%之內(nèi))。

2.2 結(jié)果分析

用同樣的實驗方法,但采取由低溫到高溫的實驗方案,得到的結(jié)果有較大的相對誤差和較差的線性相關(guān)系數(shù)。經(jīng)過分析，認為采取降溫法得到的測量值比升溫法更準確的原因如下：由于是在常壓下測定不同溫度水的飽和蒸氣壓，因此實驗需要在較高溫度下進行，此時如采用升溫法，一方面恒溫槽的滯后性表現(xiàn)明顯，靈敏度變差，溫度梯度變大，使所測得的蒸氣壓的偏差變大；另一方面，水在升溫過程中不容易達到飽和，也會使所測蒸氣壓的偏差變大。采用降溫法有助于克服這種缺陷。在高溫情況下，水的蒸氣壓達到飽和，逐漸降溫過程中可以保持這種飽和程度，因此測量偏差較小。

3 結(jié)論

本實驗采用了一種通過測量溫度和體積來測定水的飽和蒸氣壓的實驗方法。通過對實驗裝置和試劑的改進，去掉了操作較難的真空實驗技術(shù)，同時達到了綠色環(huán)保和降低成本的目的。從實驗結(jié)果不難看出，采取高溫到低溫方案得到的實驗數(shù)據(jù)，無論從計算結(jié)果還是線性相關(guān)系數(shù)來看，都令人滿意，計算出的水的平均摩爾氣化熱與理論值相對誤差在3%之內(nèi)；而采用低溫到高溫實驗方案得到的結(jié)果相對誤差較大，線性相關(guān)系數(shù)也相對較差。因此，在實驗時，應(yīng)采取高溫到低溫的實驗方案進行操作。整個實驗大概需用3～4小時，適合物理化學(xué)實驗教學(xué)的需要。

[1] 張晉芬,黃泰山,陳良坦.大學(xué)化學(xué),2003,18(5):192

[2] 宋紅艷,蘇建茹,石秀麗.實驗技術(shù)與管理,2001(3):124

[3] 陳聯(lián)群.大學(xué)化學(xué),2005,20(10):17

[4] 金瑞娣,祁銘華.中國科技信息,2006(6):308

[5] 孟慶民,蔣應(yīng)田.實驗技術(shù)與管理,2004,21(6):1402

[6] 周蔚,段和平,李森蘭.洛陽師范學(xué)院學(xué)報，2005(5):118

[7] 應(yīng)柳枝,薛茗月.實驗科學(xué)與技術(shù),2009(3):156

[8] 張雄,冉光德,王黎,等.大學(xué)物理,1998(4):32

[9] 李惠云,郭金福,栗鴻斌,等.大學(xué)化學(xué),1998,13(5):42