純液體飽和蒸氣壓測定實驗中的關鍵點分析

鐘欣欣

摘 要：本文對靜態升溫法測定純液體飽和蒸氣壓實驗中的關鍵點進行了分析探討，重點強調了排盡空氣且維持氣液兩相平衡的重要性，以期學生在充分掌握實驗測定原理的基礎上，把握好所有的關鍵性步驟，進而保證高效率且準確地測定純液體的飽和蒸氣壓。

關鍵詞：靜態升溫；飽和蒸氣壓；氣液兩相平衡

中圖分類號：TK123文獻標志碼：A文章編號：2095-9214（2016）09-0142-02

一、引言

“純液體飽和蒸氣壓的測定實驗”是眾多高校大學生必做的物理化學實驗之一，通常的測定方法有靜態法、動態法與飽和氣流法等，在現有的教材中，均采用靜態法[1-5]。但是對于初次接觸該實驗的學生來說，靜態升溫法中液體易暴沸、靜態降溫法會出現空氣倒灌等降低測量準確性的問題，而降溫法比升溫法耗時長且更難控制[6]，因此，我校開設的物理化學基礎實驗中采取靜態升溫法測定無水乙醇的飽和蒸氣壓。

二、基本原理

在真空狀態下，一定溫度的純液體與其蒸氣達到氣液兩相平衡時，此時氣體的壓力稱為該溫度下該液體的飽和蒸氣壓。純液體的飽和蒸氣壓與溫度相關聯，在將氣體視為理想氣體的前提下，純液體飽和蒸氣壓隨溫度的變化關系可用Clausius-Clapeyron方程表示：

dln（p*/[p]）dT=ΔvapH*mRT

式中T為熱力學溫度（K），ΔvapH*m為溫度T時純液體的摩爾汽化熱（1mol液汽化為氣體時所吸引的熱量，J/mol），p*為溫度T時純液體的飽和蒸氣壓（Pa，p*/[p]為無單位的純數），R為氣體常數（8.314J/（mol·K））。在溫度變化不大時，將ΔvapH*m用一定溫度范圍內的平均摩爾汽化熱Δvap*m（與溫度無關的常數）來代替，此時可將上式積分得到：

ln（p*/[p]）=-Δvap*mR×1T+C（常數）

由此可知，如果通過實驗測定得到了一系列溫度下純液體的飽和蒸氣壓值，就可以作ln（p*/[p]）～1/T圖，并進行數據擬合得到一條直線方程，此時直線的斜率為：

k=-Δvap*mR

于是我們就可以得到一定溫度范圍內純液體的平均摩爾汽化熱Δvap*m=-kR。

三、實驗中的關鍵點

在實驗測定中，我們要得到不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓，溫度可以通過SWQ智能數字恒溫控制器直接讀出，而A球純液體上方氣體的壓力則由U形管中B、C端液面相平時DP-A精密數字壓力計給出（U形管的純液體與A球中相同，置于SYP玻璃恒溫水浴中），簡易裝置圖如下：

根據飽和蒸氣壓的定義，實驗成功的關鍵在于A球液面到B端液面之間無空氣殘留（當有惰性氣體，如空氣存在時，在理想氣體近似下，由lnpgp*=Vm，lRT（p外-p*）及p外>p*可知，此時純液體蒸氣的壓力pg將大于其飽和蒸氣壓p*），因此，學生在做實驗的過程中需要注意以下幾個重要步驟：

1.抽氣——排盡AB間的空氣。打開真空泵、抽氣閥和平衡閥2后，C端的氣體將不斷被抽出導致其壓力變小，進而B端氣體壓力高于C端，于是U形管中的液體會從B管移向C管，直到B端液面到達U形管底部，AB中的空氣方可逐漸排出。隨著AB間空氣越來越少，壓力減小速率逐漸變慢，此時從AB中抽走一個氣泡后，C端的瞬時壓力卻維持不變，于是U形管中的液體就會朝B端移動，注意：U形管中液面回落并非抽氣步驟的終點！仍需持續對U形管進行減壓，當AB間空氣已被全部排盡后，A球中的純液體與上方的蒸氣達到氣液兩相平衡，此時從B端抽走一個氣泡，A球中就會產生一個氣泡，即B端壓力恒定不變，為一定溫度下純液體的飽和蒸氣壓，而C端壓力還在緩慢減小，于是U形管中的液體會不斷沸騰以期達到相平衡的狀態。因此，當U形管中的液體持續沸騰2～3分鐘后，可認為AB間的空氣已排盡，此時可終止抽氣操作。

2.系統氣密性檢查。在排盡AB間空氣步驟之前，需要對整個裝置的氣密性進行檢查，這個過程是非常重要的，原因在于：氣密性太差會導致減壓操作無法實現，則無法測定室溫下純液體的飽和蒸氣壓。很多實驗教材中對裝置氣密性要求非常嚴格，如十分鐘內保持壓力計示數不變等，而嚴格的氣密性對裝置要求極高，在大學生基礎實驗中的可行性不高；此外，我們認為只要不造成空氣倒灌的情況出現，即空氣排盡后AB間不再有空氣漏入，且在B、C端液面等高時及時記下壓力值，那么實驗測量的準確性便可得到保證[7]。因此，即使系統略有漏氣，只要1分鐘內系統壓力的改變值在1kPa之內，仍然認為系統氣密性達到要求，實驗可以正常進行。

3.減壓與加壓操作。在整個實驗測量過程中，所有的減壓（排氣）與加壓（漏入空氣）操作均需緩慢進行，否則會嚴重影響實驗。在排氣過程中，特別是最后的液體沸騰階段，若壓力減小過快，那么液體將發生暴沸，A球中的液體將不斷變成蒸氣并在U形管中冷凝，造成U形管中液體過多，不利于B、C端液面等高結果的判定，更嚴重者甚至導致A球中液體全部被抽干。在打開平衡閥1漏入空氣時，隨著C端壓力的增加，U形管中液體逐漸向B管中移動，瞬時AB間氣體體積減小，壓力增大，氣液兩相平衡被破壞，蒸氣將凝結成液體減小壓力進而重新達到兩相平衡狀態，顯而易見，漏入空氣過快且在B、C端液面相平時立刻記下壓力值，此時氣相來不及凝結而導致氣液兩相未達平衡狀態，那么壓力值會偏離飽和蒸氣壓而引起實驗測量誤差。

4.在升溫過程中，根據Clausius-Clapeyron方程可知，純液體的飽和蒸氣壓將隨溫度的升高而增大，于是升溫會導致B端壓力增加，進而造成U形管中液體沸騰，若B、C端壓力差距大則液體將暴沸，因此，升溫過程中應緩慢地打開平衡閥1漏入適量的空氣對C端進行增壓，以防止液體暴沸對實驗的影響。

5.在測量得到一個溫度下的飽和蒸氣壓，學生已熟悉整個實驗操作后，即可關閉真空泵以免其長期使用影響壽命。此外應注意，關閉真空泵前一定要先關閉抽氣閥；且真空泵關閉時要先打開三通活塞使其與大氣相連通，否則會造成真空泵油倒吸影響下次抽真空效果。

四、結論

在純液體飽和蒸氣壓的測定中，實驗成功的關鍵在于A球上方的空氣要全部排凈，且測量系統不能嚴重漏氣，因此，要嚴格把握幾個關鍵操作：系統氣密性檢查時壓力的改變值不能超過1kPa/分鐘；在排氣階段，U形管中的液體持續緩慢沸騰3分鐘左右后，終止抽氣操作；開啟平衡閥1或2時動作應緩慢，升溫時加熱檔放在“弱”位，切記不能造成空氣倒灌或液體暴沸；先關閉抽氣閥再關閉真空泵，且泵要先與大氣連通再停止油泵運轉，方可保證學生高效高質量地完成純液體飽和蒸氣壓的測定。

（作者單位：湖北大學化學化工學院）

參考文獻：

[1]復旦大學.物理化學實驗（第3版）.北京：高等教育出版社，2004.

[2]董超，李建平.物理化學實驗.北京：化學工業出版社，2010.

[3]韓國彬.物理化學實驗.廈門：廈門大學出版社，2010.

[4]夏海濤.物理化學實驗.南京：南京大學出版社，2014.

[5]馮霞，朱莉娜，朱榮嬌.物理化學實驗.北京：高等教育出版社，2015.

[6]朱平遼，劉華卿，徐景士，莫春生，羅永勝，方春仙.純液體飽和蒸氣壓測量的實驗方法.實驗室研究與探索，2006，25（7）：776.

[7]傅麗，李愛昌，吳昊，龐思勝.對“純液體飽和蒸氣壓的測量”實驗的幾點思考.廊坊師范學院學報（自然科學版），2012，12（4）：60.