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1、物理化学实验教案(钟爱国) 1实验一 液体饱和蒸气压的测定适用对象 化学教育实验学时 3 学时【目的要求】1. 掌握静态法测定液体饱和蒸气压的原理及操作方法。学会由图解法求其平均摩尔气化热和正常沸点。2. 了解纯液体的饱和蒸气压与温度的关系、克劳修斯 -克拉贝龙(Clausius- Clapeyron)方程式的意义。3 . 了解真空泵、玻璃恒温水浴，缓冲储气罐及精密数字压力计的使用及注意事项。【实验原理】通常温度下(距离临界温度较远时 )，纯液体与其蒸气达平衡时的蒸气压称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称为蒸气压。蒸发 1mol 液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔气化热。液体的蒸气压随温度而
2、变化，温度升高时，蒸气压增大；温度降低时，蒸气压降低，这主要与分子的动能有关。当蒸气压等于外界压力时，液体便沸腾，此时的温度称为沸点，外压不同时，液体沸点将相应改变，当外压为 1atm（101.325kPa）时，液体的沸点称为该液体的正常沸点。液体的饱和蒸气压与温度的关系用克劳修斯-克拉贝龙方程式表示：(1) 2mvapdlnRTH式中，R 为摩尔气体常数；T 为热力学温度； vapHm 为在温度 T 时纯液体的摩尔气化热。假定 vapHm 与温度无关，或因温度范围较小， vapHm 可以近似作为常数，积分上式，得：(2) CTRp1lnvap其中 C 为积分常数。由此式可以看出，以 lnp
3、对 1/T 作图，应为一直线，直线的斜率为 物理化学实验教案(钟爱国)2，由斜率可求算液体的 vapHm。RHmvap测定通常有静态法和动态法，静态法：把待测物质放在一个封闭体系中，在不同的温度下，蒸气压与外压相等时直接测定外压；或在不同外压下测定液体的沸点。动态法：常用的有饱和气流法，即通过一定体积的已被待测物质所饱和的气流，用某物质完全吸收。然后称量吸收物质增加的质量，求出蒸汽的分压力即为该物质的饱和蒸气压。静态法测定液体饱和蒸气压，是指在某一温度下，直接测量饱和蒸气压，此法一般适用于蒸气压比较大的液体。静态法测量不同温度下纯液体饱和蒸气压，有升温法和降温法二种。本次实验采用升温法测定不同
4、温度下纯液体的饱和蒸气压，所用仪器是纯液体饱和蒸气压测定装置，如图 2-3-1 所示： 平衡管由 A 球和 U 型管 B、 C 组成。平衡管上接一冷凝管，以橡皮管与压力计相连。A内装待测液体，当 A 球的液面上纯粹是待测液体的蒸气，而 B 管与 C 管的液面处于同一水平时，则表示 B 管液面上的(即 A 球液面上的蒸气压) 与加在 C 管液面上的外压相等。此时，体系气液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。【仪器试剂】 恒温水浴；平衡管；精密数字压力计；真空泵及缓冲储气罐。无水乙醇(A.R)图 2-3-1 液体饱和蒸气压测定装置图1.平衡管；2.搅拌器；3.温度计；4.缓冲瓶；5.恒温水浴；
5、6.三通活塞；7.直通活塞；8.精密数字压力计物理化学实验教案(钟爱国) 3【实验步骤】1. 装样从加样口注入乙醇，关闭平衡阀 1，打开进气阀。启动油泵，抽至气泡成串上窜，可关闭进气阀，打开平衡阀 1 漏入空气，使乙醇充满试样球体积的三分之二和 U 型管双臂的大部分。2. 检漏，系统气密性检查接通冷凝水，关闭平衡阀 1，打开进气阀使真空油泵与缓冲储气罐相通。启动油泵，使压力表读数为某一数值（可 60，70kPa 左右） ，关闭进气阀，停止抽气，检查有无漏气（看压力表示数在 35min 内是否变化） ，若无漏气即可进行测定。 （注意：在停止抽气前，应先把真空泵与大气相通，否则会造成泵油倒吸，造成
6、事故。 ）3. 饱和蒸气压的测定调节恒温水浴温度 30，开动油泵缓缓抽气，使试样球与 U 型管之间空间内的空气呈气泡状通过 U 型管中的液体而逸出。如发现气泡成串上窜，可关闭进气阀，缓缓打开平衡阀 1漏入空气使沸腾缓和。如此慢沸 35min，可认为试样球中的空气排除干净，关闭平衡阀2。小心开启平衡阀 1 缓缓漏入空气，直至 U 型管两臂的液面等高为止，在压力表上读出压力值。调节恒温水浴温度 33，小心开启平衡阀 1 缓缓漏入空气，直至 U 型管两臂的液面等高为止，在压力表上读出压力值。依次测定 36，39，42，45，48，51时乙醇的蒸汽压。测定过程中如不慎使空气倒灌入试样球，则需重新抽真空
7、后方可继续测定。如升温过程中 U 型管内液体发生暴沸，可开启平衡阀 1 漏入少量空气，以防止管内液体大量挥发而影响实验进行。实验结束后，慢慢打开进气阀，使压力表恢复零位。关闭冷却水，关闭压力表、恒温控制仪、恒温水浴电源，并拔下电源插头。附缓冲储气罐的使用说明：物理化学实验教案(钟爱国)41安装：用橡胶管或塑料管分别将进气阀与气泵、装置 l 接口，装置 2 接口与数字压力表连接。安装时应注意连接管插入接口的深度要15mm，并扣紧，否则会影响气密性。2首次使用或长期未使用而重新启用时，应先作整体气密性检查(1)将进气阀、平衡阀 2 打开，平衡阀 1 关闭( 二阀均为顺时针关闭，逆时针开启)。启动油
8、泵加压（或抽气）至 100KPa200KPa ，数字压力表的显示值即为压力罐中的压力值。(2)关闭进气阀，停止抽气，检查平衡阀 2 是否开启，平衡阀 l 是否完全关闭。观察数字压力表，若显示数字降值在标准范围内(小于 0.01Kpa秒)，说明整体气密性良好。否则需查找并清除漏气原因直至合格。(3)再作微调部分的气密性检查：关闭平衡阀 1，开启平衡阀 2 调整微调部分的压力，使之低于压力罐中压力的 1/2，观察数字压力表，其变化值在标准范围内(小于0.01Kpa 4 秒) ，说明气密性良好。若压力值上升超过标准，说明平衡阀 2 泄漏；若压力值降超过标准，说明平衡阀 1 泄漏。3与被测系统连接进行
9、测试：(1)用橡胶管将装置 2 接口与被测系统连接、装置 1 接口与数宁压力计连接。打开进气阀与平衡阀 2，关闭平衡阀 1，启动气泵，加压(或抽气) ，从数字压力计即可读出压力罐中的压力值。物理化学实验教案(钟爱国) 5(2)测试过程中需调整压力值时，使压力表显示的压力略高于所需压力值，然后关闭进气阀，停止气泵工作，关闭平衡阀 2，调节平衡阀 1 使压力值至所需值。采用此方法可得到所需的不同压力值。4测试完毕，打开进气阀、平衡阀均可释放储气管中的压力，使系统处于常压下备用。5操作注意事项阀的开启不能用力过强，以防损坏影响气密性。由于阀的阀芯未设防脱装置，关闭阀门时严禁将阀上阀体旋至脱离状态，以
10、免阀在压力下造成安全事故。维修阀必须先将压力罐的压力释放后，再进行拆卸。连接各接口时，用力要适度，避免造成人为的损坏。压力罐的压力使用范围为-100KPa250Kpa ，为了保证安全，加压时不能超出此范围。使用过程中调节平衡阀 1、平衡阀 2 时压力表所示的压力值有时跳动属正常现象，待压力稳定后方可作实验。【注意事项】 减压系统不能漏气，否则抽气时达不到本实验要求的真空度。 抽气速度要合适，必须防止平衡管内液体沸腾过剧，致使 B 管内液体快速蒸发。 实验过程中，必须充分排除净 AB 弯管空间中全部空气，使 B 管液面上空只含液体的蒸气分子。AB 管必须放置于恒温水浴中的水面以下，否则其温度与水
11、浴温度不同。 测定中，打开进空气活塞时，切不可太快，以免空气倒灌入 AB 弯管的空间中。如果发生倒灌，则必须重新排除空气。 在停止抽气前，应先把真空泵与大气相通，否则会造成泵油倒吸，造成事故。 平衡阀 2 容易出现问题，一直保持打开状态，不用再调节。思 考 题1. 试分析引起本实验误差的因素有哪些？答：空气排除不干净；温度的波动；不能绝对调平。物理化学实验教案(钟爱国)62. 为什么 AB 弯管中的空气要排干净？怎样操作？怎样防止空气倒灌？答：为了保证 A 球上方全是乙醇的蒸气，测定的是乙醇的饱和蒸汽压，所以 AB 弯管中的空气要排干净。开动油泵抽气，使试样球与 U 型管之间空间内的空气呈气泡
12、状通过 U 型管中的液体而逸出，沸腾后慢沸 35min，可认为试样球中的空气排除干净。测定中，打开进空气活塞时，切不可太快，以防止空气倒灌。3. 本实验方法能否用于测定溶液的饱和蒸汽压？为什么？答：分情况，测定过程中溶液的浓度会发生变化的不能测，但是对于难溶物的饱和溶液或者恒沸物例外可以测定。4. 试说明压力计中所读数值是否是纯液体的饱和蒸气压？答：不是，实验当时的大气压对于压力计来说为零，所以压力计中所读数值为大气压与该温度下的饱和蒸汽压之差。5. 为什么实验完毕后必须使体系和真空泵与大气相通才能关闭真空泵？答：在停止抽气前，应先把真空泵与大气相通，否则会造成泵油倒吸，造成事故。【讨论】降温
13、法测定不同温度下纯水的饱和蒸气压 接通冷凝水，调节三通活塞使系统降压 13kPa(约 100mm 汞柱)，加热水浴至沸腾，此时A 管中的水部分气化，水蒸气夹带 AB 弯管内的空气一起从 C 管液面逸出，继续维持 10min以上，以保证彻底驱尽 AB 弯管内的空气。停止加热，控制水浴冷却速度在 1/min 内，此时液体的蒸气压(即 B 管上空的压力)随温度下降而逐渐降低，待降至与 C 管的压力相等时，则 B、C 两管液面应平齐，立即记下此瞬间的温度（精确至 1/100 摄氏度）和压力计之压力，同时读取辅助温度计的温度值和露茎温度，以备对温度计进行校正。读数后立即旋转三通活塞抽气，使系统再降压 10kPa(约 80mm 汞柱)并继续降温，待 B、C 两管液面再次平齐时，记下此瞬间的温度和压力。如此重复 10 次（注意实验中每次递减的压力要逐渐减小） ，分别记录一系列的 B、C 管液面平齐时对应的温度和压力。在降温法测定中，当 B、C 两管中的液面平齐时，读数要迅速，读毕应立即抽气减压，防止空气倒灌。若发生倒灌现象，必须重新排净 AB 弯管内之空气。
