1、液体饱和蒸汽压的测定1液体饱和蒸汽压的测定【摘 要】 根据克拉贝龙-克劳修斯方程，在一定温度范围内，对于纯液体的炮和蒸汽压 P 与温度 T，lnP 与 1/T 之间存在线性关系。利用动态法测定不同温度 T 下环己烷的饱和蒸汽压 p，得出克拉贝龙-克劳修斯方程，从而求算环己烷的摩尔气化热、环己烷在大气压下的正常沸点。【关键词】 饱和蒸汽压 克拉伯龙-克劳修斯方程 温度 摩尔汽化热1.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。摩尔汽化热是在一定的温度、压力下，1mol纯液体在平衡过程中变为蒸汽所吸收的热。液体的沸点则是当液体的饱和蒸汽压等于外界压强时的温度
2、。液体的沸点随着外界压强的增大而增大，当液体处于沸点时，若将蒸汽视为理想气体，在汽化过程前后忽略液体的体积，且在一定温度范围内认为摩尔汽化热为常数，则可由气相和液相化学势相等推得克拉伯龙-克劳修斯方程，以及液体的摩尔蒸发热和其他热力学常数。本实验中通过测量环己烷在不同压强下的沸点来验证克拉贝龙-克劳修斯方程，并根据建立起来的经验方程求算环己烷的平均摩尔汽化热。2.实验2.1 实验原理液体饱和蒸气压与摩尔汽化热的关系可用克拉贝龙克劳修斯方程表示： (1)H：摩尔汽化热(Jmol -1) R：气体常数(8.314Jmol -1K-1)若温度改变的区间不大， H 可视为为常数(实际上 H 与温度有关
3、)。积分上式得(2)常数 ， 。 (2)式表明 与 有线性关系。作图可得一A.230BRvapm230. logP1T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 H。=2.303RB (3)因此，只要测得某液体不同温度下的液体饱和蒸汽压，即可通过作图得到该液体的平均摩尔汽化热。液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种：静态法，在某一固定温度下直接测量饱和蒸汽的压力；动态法，在不同外部压力下测定液体的沸点；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液体饱和蒸汽压的测定2和，然后进行气体分析，计算液体的蒸汽压。本实验利用动态法，此法基于在沸点时液体的饱
4、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。2.2 实验仪器与试剂SHB-型 循环水式多用真空泵 郑州长城科工公司WYB-型 真空稳压包 南京大学物理应用研究所监制（教学用）JJ-1型 增力电动搅拌器 金坛市环宇科学仪器厂6511型 电动搅拌机调速器 转速200-4000转/分 上海标本模型厂DTC-2AI 控温仪 南京南大万和科技有限公司 南京大学物理应用研究所监制（教学用）BY型 U型压力计 江苏省常州市东风仪表厂5000ml烧杯 1/100水银温度计 玻璃仪器（详见装置图）蒸馏水 正己烷2.3实验装置图与装置简介图一 实验装置图1-盛水大烧杯;2
5、-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。以此作为判断读数时刻的标准。2.4.实验步骤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.（未做）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
6、，将平衡管接在冷凝管的下端。液体饱和蒸汽压的测定3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2040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，
7、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：(1)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,开启搅拌马达，使水浴中的水温度均匀。(2)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。(3)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环己烷，在A球中液体沸腾后仍需继续煮沸5-10分钟，
8、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(可接通冷凝水)，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。(4)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
9、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。(5)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，每次U型压力计两水银柱相差增加约40mm，共测10个点，压差计的水银柱相差约400mm左右为止。(6)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。5.实验结束时，再读取大气压，把两次记录的值取平均。3.实验结果与分析3.1实验结果1.实验温度范围内环己烷的平均摩尔汽化热 =31.99 kJmol-1K-12.环己烷的正常沸点为：公式计算 T=353.66K 即t=80.51 (实际测量值平均 T=353.8
10、8K 即t=80.73)查阅资料得，环己烷在实验温度下的平均摩尔汽化热为： 29.97kJ/mol,环液体饱和蒸汽压的测定4己烷的正常沸点： 80.74 C (354K) 实验所得环己烷沸点偏低，平均摩尔汽化热比理论值偏大。（具体数据处理过程，请见附录）3.2实验结果分析测得沸点与资料相比偏低，而平均摩尔汽化热却偏高，分析误差来源如下：1. 理论因素：克拉伯龙-克劳修斯方程建立过程中有多个条件：将蒸汽视为理想气体，在汽化过程前后忽略液体的体积，且在一定温度范围内认为摩尔汽化热为常数。而理想气体仅是理想化的模型，汽化过程之前的液体也占据一定的体积，而且摩尔汽化热实际上是随温度变化而变化的。这些理
11、想与现实的差距都会反映在实验所得结果上面。2.实验操作因素：在读数方面，对于平衡点的判断是靠目测B、C两球液面相平，相平时刻较短，人眼观察液面会引入一定误差。另外，对于U型气压计、温度计的度数都是靠人眼在短时间内读取，且由于仪器本身精度限制，会存在一定的误差。在散热方面，实验中采用了通冷凝水及湿抹布降温的方式，由于冷凝水未持续接通、搅拌器转速不够等因素，使得降温过程不稳定，导致lnP-1/T关系偏离线性。3.实验样品因素：在最初沸腾排气阶段,可能有未除尽的空气。就算除尽了，但在平衡后的再加热、降压过程中，可能由于操作不及时（两个人分工较紧张）而引入空气。另一方面,环己烷的纯度有限,可能存在部分
12、杂质引起沸点偏差。4.实验仪器因素：在实验过程中，电子控温仪的示数与温度计显示值有三度左右偏差，且测量比较发现：随着温度改变，二者温度不呈线性关系。故操作时，只能读取温度计示数。与正常情况下读取电子显示示数相比，读数本身误差变大，且容易造成时间上的耽误。对于沸点测量值与公式计算值的不同，实测值更接近于理论值，这也印证了拟合公式在一定程度上偏离了真实值。总之，我认为本实验误差主要来源于现实条件与理想化假设的矛盾以及读数误差。4.结论本实验通过动态法测定了不同温度T下环己烷的饱和蒸汽压P，验证了克拉贝龙-克劳修斯方程，并求算环己烷的摩尔气化热及在大气压下的正常沸点。但由于实验条件所限，实验精度有限
13、，所得数据与理论值有较大偏差，实验仍有改进空间。参考文献：物理化学实验崔献英等编著中国科学技术大学出版社物理化学傅献彩等编高等教育出版社液体饱和蒸汽压的测定5Measurement of Saturated Vapor PressureAbstract According to the Claperon-Clasius Equation, there is a linear relation between T, the temperature of a fluid and p, the saturated vapor pressure of it. By measuring the satu
14、rated vapor pressure of cyclohexaneunder different temperatures, we could verify the linear relation, and furthermore, calculate the molar heat of vaporization along with the boiling point of cyclohexane. Key words Saturated vapor pressure Claperon-Clasius Equation temperature Molar Heat of vaporiza
15、tion液体饱和蒸汽压的测定6【附录：实验数据处理】一.实验条件记录：1.大气压： 表一 实验室大气压记录表2.室温 T0=26.20二.实验数据记录：换算公式： 气压换算：101.325kPa=760mmHg温度换算：T=273.15K+t1.第一组实验数据：表二 第一组实验数据原始值及计算值U 型计左高h1/cmU 型计右高 h2/cmU 型计液面差h/cmp/cmHg P/kPa t/ T/K-3.67 -3.42 0.25 76.182 101.550606 80.7 353.85-5.67 -1.34 4.33 72.102 96.111966 78.6 351.75-7.62 0.
16、62 8.24 68.192 90.899936 76.45 349.60-9.83 2.80 12.63 63.802 85.048066 74.30 347.45-11.36 4.35 15.71 60.722 80.942426 73.12 346.27-13.42 6.18 19.60 56.832 74.758906 71.10 344.25-15.65 8.43 24.08 52.352 69.785216 68.07 341.22-17.45 10.20 27.65 48.782 65.026406 66.52 339.67-19.79 12.52 32.31 44.122 58
17、.814626 63.50 336.65-21.62 14.50 36.12 40.312 53.735896 60.88 334.03以测得的蒸汽压 p 对温度 T 作图实验前(cmHg) 试验后(cmHg) 平均值(cmHg)76.435 76.400 76.418液体饱和蒸汽压的测定7从图中均匀地读取十个点的坐标，整理得表三 第一组数据 lnP-1/T 数值表序号 参数 P/kPa T/K 1/T(1/K) Ln(P/kPa)1 55.61619 335 0.002985 4.0184742 59.53453 337 0.002967 4.0865563 63.6483 339 0.00
18、295 4.1533734 69.10977 341 0.002933 4.2356965 72.70705 343 0.002915 4.2864386 77.05477 345 0.002899 4.3445167 83.48236 347 0.002882 4.4246358 89.26686 349 0.002865 4.491639 94.29382 351 0.002849 4.54641610 99.34925 353 0.002833 4.598641由上表作图得：第一组数据所拟合得到的直线方程为：lnP=-3858.8156/T+15.53932.第二组实验数据：表四 第二组
19、实验数据原始值及计算值U 型计左高h1/cmU 型计右高 h2/cmU 型计液面差h/cmp/cmHg P/kPa t/ T/K-3.71 -3.56 0.15 76.282 101.683906 80.68 353.83-5.88 -1.46 4.42 72.012 95.991996 78.52 351.67-7.60 0.30 7.9 68.532 91.353156 76.15 349.3-9.62 2.32 11.94 64.492 85.967836 74.1 347.25-11.50 4.21 15.71 60.722 80.942426 73.22 346.37-13.82 6
20、.46 20.28 56.152 74.850616 70.8 343.95-15.67 8.40 24.07 52.362 69.798546 68.45 341.6液体饱和蒸汽压的测定8-17.73 10.48 28.21 48.222 64.279926 66.2 339.35-19.45 12.22 31.67 44.762 59.667746 64.18 337.33-21.76 14.50 36.26 40.172 53.549276 61 334.15以测得的蒸汽压 p 对温度 T 作图从图中均匀地读取十个点的坐标，整理得表五 第二组数据 lnP-1/T 数值表序号 参数 P/k
21、Pa T/K 1/T(1/K) Ln(P/kPa)1 55.18472 335 0.002985 4.0106862 59.46038 337.2222 0.002965 4.085313 64.51157 339.4444 0.002946 4.1668454 69.94187 341.6667 0.002927 4.2476645 74.71924 343.8889 0.002908 4.3137386 80.29073 346.1111 0.002889 4.3856547 88.38935 348.3333 0.002871 4.4817518 93.81068 350.5556 0.
22、002853 4.5412799 98.99069 352.7778 0.002835 4.59502610 105.0061 355 0.002817 4.654019由上表作图得：液体饱和蒸汽压的测定9第二组数据所拟合得到的直线方程为：lnP=-3906.6300/T+15.67593.第三组实验数据：表六 第三组实验数据原始值及计算值U 型计左高h1/cmU 型计右高 h2/cmU 型计液面差h/cmp/cmHg P/kPa t/ T/K-3.7 -3.6 0.1 76.332 101.750556 80.8 353.95-5.35 -2.05 3.3 73.132 97.484956
23、79.4 352.55-7.4 1.02 8.42 68.012 90.659996 77.4 350.55-9.45 2.13 11.58 64.852 86.447716 75.32 348.47-11.56 4.28 15.84 60.592 80.769136 73.2 346.35-13.6 6.38 19.98 56.452 75.250516 71.02 344.17-15.6 8.35 23.95 52.482 69.958506 68.75 341.9-17.5 10.21 27.71 48.722 64.946426 66.12 339.27-19.5 12.21 31.7
24、1 44.722 59.614426 64.1 337.25-21.55 14.3 35.85 40.582 54.095806 61.28 334.43以测得的蒸汽压 p 对温度 T 作图液体饱和蒸汽压的测定10从图中均匀地读取十个点的坐标，整理得表七 第三组数据 lnP-1/T 数值表序号 参数 P/kPa T/K 1/T(1/K) Ln(P/kPa)1 55.21127 335 0.002985 4.0111672 59.12519 337 0.002967 4.0796573 64.23373 339 0.00295 4.1625284 68.24335 341 0.002933 4.
25、223085 72.52292 343 0.002915 4.2839036 77.35164 345 0.002899 4.3483627 82.51021 347 0.002882 4.4129228 87.52104 349 0.002865 4.4718799 92.19561 351 0.002849 4.52391310 98.85604 353 0.002833 4.593665由上表作图得：第三组数据所拟合得到的直线方程为：lnP=-3778.7328/T+15.29894.由直线斜率计算出被测液体在实验温度范围内的平均摩尔汽化热：三组实验数据所得拟合曲线分别为：lnP=-38
26、58.8156/T+15.5393lnP=-3906.6300/T+15.6759lnP=-3778.7328/T+15.2989故斜率平均值 K=3848.0595 截距平均值 b=15.5047最终所得关系式为 lnP=-3848.0595/T+15.5047由公式可以求出环己烷在试验温度范围内的摩尔汽化热： 3848.0595*8.314*10-3=31.99 kJ/（molK）5.由曲线求得环己烷的正常沸点：截距平均值b=15.5047 取P=101.888（实验条件）得：T=353.66K 即t=80.51而实际测量值的平均为 t=（80.80+80.68+80.70）/3=80.73液体饱和蒸汽压的测定11
