液體飽和蒸汽壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)條件初探

肖文敏，鄭玉敏，趙千惠，趙 波，楊 靜

（1.赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.內(nèi)蒙古光電功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

在密閉條件中，在一定溫度下，與液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓強(qiáng)稱為飽和蒸氣壓[1-4].同一物質(zhì)在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓，并隨著溫度的升高而增大.純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮捍笥谌芤旱娘柡驼魵鈮?液體飽和蒸汽壓可用于計(jì)算空氣中的相對(duì)濕度，也是測(cè)定摩爾汽化熱所必須測(cè)定的數(shù)據(jù)[5].同時(shí)也是化學(xué)相關(guān)專業(yè)本科生在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中必做的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)[3].液體飽和蒸汽壓的測(cè)量方法主要有三種[4]：動(dòng)態(tài)法，在不同外部壓力下測(cè)定液體的沸點(diǎn)；飽和氣流法，在液體表面上通過(guò)干燥的氣流，調(diào)節(jié)氣流速度，使之能被液體的蒸汽所飽和，然后進(jìn)行氣體分析，計(jì)算液體的蒸汽壓；靜態(tài)法測(cè)定液體飽和蒸氣壓，是指在某一溫度下，直接測(cè)量飽和蒸氣壓，此法一般適用于蒸氣壓比較大的液體.靜態(tài)法測(cè)量不同溫度下純液體飽和蒸氣壓，有升溫法和降溫法二種[6].本次實(shí)驗(yàn)采用升溫法測(cè)定不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓，根據(jù)近幾年學(xué)生液體飽和蒸汽壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，誤差都相對(duì)較大.本文通過(guò)對(duì)不同樣品，不同溫度，不同抽氣時(shí)間的測(cè)定，預(yù)期尋找出誤差來(lái)源，以其對(duì)液體飽和蒸汽壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所幫助.

1 實(shí)驗(yàn)原理[3-4]

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(jiǎn)稱為蒸氣壓.蒸發(fā)1mol液體所吸收的熱量稱為該溫度下液體的摩爾汽化熱.

液體的蒸氣壓隨溫度而變化，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(dòng)能有關(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-克拉貝龍方程式表示：

式中，R為摩爾氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；ΔvapHm為在溫度T時(shí)純液體的摩爾氣化熱.

假定ΔvapHm與溫度無(wú)關(guān)，或因溫度范圍較小，ΔvapHm可以近似作為常數(shù)，積分上式，得：

其中C為積分常數(shù).由此式可以看出，以lnp對(duì)1/T作圖，應(yīng)為一直線，直線的斜率為由斜率可求算液體的ΔvapHm.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

飽和蒸氣壓測(cè)量裝置教學(xué)試驗(yàn)儀1套（包括恒溫水槽1臺(tái)、等壓計(jì)1支、數(shù)字壓力計(jì)1臺(tái)）真空泵1臺(tái)及附件

精密溫度溫差測(cè)量?jī)x（JTD-2A）1臺(tái)

乙醇（AR）環(huán)己烷（AR）異丙醇（AR）甲醇（AR）

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1 液體飽和蒸氣壓測(cè)定裝置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

2.3.1 安裝儀器 取下平衡管8，洗凈、烘干，裝入待測(cè)液.使A球內(nèi)有2/3體積的液體.并在B，C管中也加入適量液體，將平衡管接在冷凝管的下端.

2.3.2 抽真空、系統(tǒng)檢漏 將進(jìn)氣閥2打開(kāi)，閥1關(guān)閉.抽氣減壓至壓力計(jì)顯示壓差為-80KPa時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥和閥2，如壓力計(jì)示數(shù)能在3-5min內(nèi)維持不變，則系統(tǒng)不漏氣.

2.3.3 打開(kāi)飽和蒸氣壓測(cè)定教學(xué)試驗(yàn)儀電源開(kāi)關(guān)，預(yù)熱5min后，調(diào)量綱旋鈕至“kpa”檔.使飽和蒸氣壓測(cè)定教學(xué)試驗(yàn)儀通大氣，再按下“清零”鍵.

2.3.4 關(guān)閉大氣閥，打開(kāi)減壓閥，設(shè)定溫度25℃，進(jìn)行加熱.當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣泡成串冒出時(shí)，乙醇開(kāi)始沸騰，關(guān)閉減壓閥，沸騰一會(huì)后，緩慢開(kāi)啟大氣閥（增壓閥），直至等壓計(jì)U型管兩端液面平齊，迅速關(guān)閉增壓閥，記錄此時(shí)飽和蒸汽壓教學(xué)以上的壓差值△p.

2.3.5 調(diào)節(jié)恒溫水浴槽的溫度，每次升溫5℃，待系統(tǒng)恒溫后，液體將再次沸騰；在緩慢開(kāi)啟增壓閥，緩緩放入空氣，直至等壓計(jì)U型管倆端液面平齊.迅速關(guān)閉旋塞，記錄此時(shí)飽和蒸氣壓教學(xué)試驗(yàn)儀上的壓差值△p.

2.3.6 重復(fù)4中的操作，直至溫度上升至50℃，則停止加熱.

2.3.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)減壓閥和增壓閥，關(guān)閉教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，恒溫水浴槽的開(kāi)關(guān)，將系統(tǒng)排空，然后關(guān)閉真空泵，切斷電源.

所有實(shí)驗(yàn)均在室溫為22℃，壓力94.45kpa下完成.

3 結(jié)果與討論

3.1 不同樣品對(duì)飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的影響

圖2為乙醇，甲醇，異丙醇及環(huán)己烷四個(gè)樣品的lnp—1/T線性擬合圖，并給出了四個(gè)樣品的擬合公式.表1列出了線性擬合的參數(shù)包括截距，斜率，相關(guān)系數(shù)R，通過(guò)截距和斜率，利用克勞修斯-克拉貝龍方程式計(jì)算了各個(gè)樣品的摩爾汽化熱ΔH汽化熱及沸點(diǎn)T沸點(diǎn).分析相關(guān)系數(shù)R在0.990～0.996之間，說(shuō)明我們做的線性擬合較好，處理數(shù)據(jù)的精度較高.

圖2 乙醇，甲醇，異丙醇及環(huán)己烷的lnp—1/T線性擬合圖

表1 四種樣品的線性擬合參數(shù)截距，斜率，相關(guān)系數(shù) R，ΔvapHm(KJ/mol)，T 沸點(diǎn)(℃)，T 理論值(℃)，相對(duì)誤差

分析表1的數(shù)據(jù)可知，四個(gè)樣品乙醇的相對(duì)誤差為2.5%，甲醇的相對(duì)誤差為1.0%，異丙醇的相對(duì)誤差為4.6%，環(huán)己烷的相對(duì)誤差為17.4%，分析這四個(gè)樣品的相對(duì)誤差，甲醇最小，其次為乙醇，再其次為異丙醇，最大的為環(huán)己烷.因此在實(shí)驗(yàn)室中，甲醇是做飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)的最佳樣品，其次為乙醇，因?yàn)榧状嫉亩拘砸哂谝掖迹趯?shí)驗(yàn)室普遍選取乙醇作為樣品.

3.2 不同溫度對(duì)飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的影響

表2 不同溫度下測(cè)定乙醇的飽和蒸汽壓

2為分別在 25，35，40，50℃溫度下測(cè)定的乙醇液體的飽和蒸汽壓，我們通過(guò)將其與理論值比較可知，在25℃時(shí)的飽和蒸汽壓最接近理論值，隨著溫度越來(lái)越高，和理論值的偏差越來(lái)越大，因此，對(duì)于液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)溫度從低溫開(kāi)始做，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好.

3.3 不同抽氣時(shí)間對(duì)飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的影響

本文考察了在25℃時(shí)，不同抽氣時(shí)間對(duì)液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的影響，測(cè)定方法為：先測(cè)定不同抽氣時(shí)間的飽和蒸汽壓p，求出其lnp值，在圖1乙醇的擬合曲線圖中找到lnp對(duì)應(yīng)的1/T值，求出其倒數(shù)就得出不同抽氣時(shí)間的蒸汽壓下的溫度值.再與25℃相比較，就可得出最佳抽氣時(shí)間.數(shù)據(jù)列于下表3.

表3 不同抽氣時(shí)間乙醇的飽和蒸汽壓及沸點(diǎn)

分析表3 數(shù)據(jù)可知，抽氣時(shí)間為1，2，3，4，5min時(shí)的沸點(diǎn)分別為 35.3，24.6，34.2，33.2，32.8℃，抽氣為2min中的時(shí)候沸點(diǎn)最接近于25℃，其余時(shí)間誤差都較大，因此，液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的最佳抽氣時(shí)間為2min.

4 結(jié)論

本文通過(guò)靜態(tài)法考察了不同樣品，不同實(shí)驗(yàn)溫度，不同抽氣時(shí)間對(duì)飽和蒸汽壓的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的影響，得出如下結(jié)論：

(1)四個(gè)樣品乙醇的相對(duì)誤差為2.5%，甲醇的相對(duì)誤差為1.0%，異丙醇的相對(duì)誤差為4.6%，環(huán)己烷的相對(duì)誤差為17.4%.這四個(gè)樣品的相對(duì)誤差，甲醇最小，其次為乙醇，再其次為異丙醇，最大的為環(huán)己烷.因此在實(shí)驗(yàn)室中，甲醇是做飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)的最佳樣品.

(2)25，35，40，50℃溫度下測(cè)定的乙醇液體的飽和蒸汽壓，與理論值比較可知，在25℃時(shí)的飽和蒸汽壓最接近理論值.

(3)測(cè)定不同抽氣時(shí)間發(fā)現(xiàn)，液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的最佳抽氣時(shí)間為2min.

〔1〕林敬東，閆石，韓國(guó)彬，廖代偉.液體飽和蒸汽壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012,31(3)：19～20.

〔2〕黃燕梅，余在華，周錫波.液體飽和蒸氣壓測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007，5(4)：145～147.

〔3〕南京大學(xué)，等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社,2014.21-24.

〔4〕復(fù)旦大學(xué)，等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社,1993.35-38.

〔5〕韓學(xué)孟.一種實(shí)用的水飽和蒸汽壓擬合方程[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16(3)：278-280.

〔6〕陳燕芹,等.升溫法與降溫法測(cè)定純液體飽和蒸汽壓的對(duì)比[J].山東化工，2013,42(9)：135-138.