基于物理化學理論與實驗課程有機統一的幾點淺見

安會琴 賀曉凌 余建國 曲玉寧 王麗麗

（天津工業大學 化學與化工學院，天津 300387）

1 引言

物理化學課程是高等院校化學化工類專業的一門重要專業基礎課，具有承上啟下的重要作用。物理化學課程包括理論課和實驗課兩大部分，如何將理論課知識與實驗課程有機結合，利用實驗課程加深學生對理論知識的理解度和認知度，是培養學生實際動手能力及實際應用研究的興趣和提升學生創新能力的關鍵。基于此，本文以物理化學課程中克拉佩龍方程知識點體系為例，結合對應物理化學實驗“純液體的飽和蒸氣壓測定”，講授如何將理論知識有效應用到實驗課程中，將二者有機統一，以加強學生對知識的接收度和認知度。

2 克拉佩龍方程推導

克拉佩龍方程講授的是純物質兩相平衡時，系統的溫度和壓力之間的函數關系。現在我們以純物質B的任意兩相平衡為例，推導克拉佩龍方程。

如上圖所示，當純物質B在溫度T，壓力P時，處于兩相平衡時，根據吉布斯函數判據，始末態的吉布斯函數相等，即 Gm(β)=Gm(α)。

現將兩相平衡的溫度由T變至T+dT，則平衡壓力隨之變為p+dp，在新的溫度及壓力下，純物質B達到新的兩相平衡。根據吉布斯函數判據，在新的狀態下系統始末態的吉布斯函數又相等，即Gm(β)+dGm(β)=Gm(α)+dGm(α)。其中dGm(β)和dGm(α)分別為新、舊兩個平衡之間摩爾吉布斯函數的增量。聯立兩式，可以得到dGm(β)=dGm(α)。

將熱力學基本方程dG=-SdT+Vdp應用于dGm(β)=dGm(α)，可以得到：

2 純液體的飽和蒸氣壓測定實驗

單組分物系氣液兩相平衡時，飽和蒸汽壓與溫度的關系，可用克拉佩龍方程來表示。當溫度變化不大時，摩爾汽化焓ΔlgHm可近似看作常數。設乙醇蒸汽為理想氣體，并忽略液體的體積，將上式積分可得克勞修斯-克拉佩龍方程：

本實驗以無水乙醇為被測液體，在不同溫度下待無水乙醇氣液平衡時，實驗測得各溫度下的飽和蒸汽壓，之后以lnp對1/T作圖，得一直線，直線的斜率m為-ΔlgHm/R，進而通過斜率可以將-ΔlgHm/R求解。

本實驗采用動態法利用等壓計測定無水乙醇在不同外界壓力下的沸點，即可得到該溫度時的飽和蒸汽壓。實驗裝置如下圖所示。

3 基于克拉佩龍方程理論知識的深度實驗解析

根據克勞修斯-克拉佩龍方程不定積分式lnp=-ΔlgHm/R?1/T+C可知，lnp與1/T呈直線性關系。而繪制線性關系的前提是需要獲得一系列不同溫度下的飽和蒸氣壓數值，即系列(T，p)值。因此，教師需要啟發學生如何獲取這一系列(T，p)值。溫度的設置可以通過控溫裝置調變，而不同溫度下的壓力是需要借助數字壓力計讀取的。但是本實驗中數字壓力計讀取的壓力是圖中a管上部分的壓力，而需要測試的無水乙醇蒸汽存在于b管上部分。那么，如何借助于2管上部的壓力求得b管上部分的無水乙醇蒸汽壓力呢？由于盛放無水乙醇的裝置左側是一個U形管結構，而U形管的一個顯著特性就是如果液面相平，則U形管內左右兩側部分的壓力相等，此時無水乙醇的飽和蒸氣壓可以借助于數字壓力計的示數讀取。另外，由于實驗開始前，反應裝置內有空氣存在，為避免誤差，需要通過真空泵將無水乙醇液體上方空間的空氣排空，使之為真空狀態。最后，由于無水乙醇為易揮發性液體，實驗過程中必須打開冷凝水，確保無水乙醇液體在實驗過程中不會被揮發。

本文以物理化學課程中克拉佩龍方程為例，結合物理化學實驗“純液體的飽和蒸氣壓測定”，講授如何將理論知識有效應用到實驗課程中，將二者有機統一，以加強學生對知識的接收度和認知度。