液体饱和蒸气压 的测定 1 引言 1.1 实验目的 (1) 运用 Clausius-Clapeyron 方程，求出所测温度范围内的 液体 平均摩尔 汽化焓 及正常沸点 (2) 掌握测定饱和蒸气压的方法 1.2 实验原理 液体的 蒸气压 与液体的本性以及温度有关温度升高时 ， 液体分子平均动能增大，蒸气压 上升，反之亦然当 液体 在其温度下的 蒸气压 等于 外界压力时，液体沸腾，这个温度 称 为 液体的 沸点 在外压为 𝑝⊖ = 101.325 kPa下 液体的 沸点 称为标准沸点 液体的 饱和蒸气压与温度的关系 由 Clausius-Clapeyron方程 给出： d(ln𝑝)d𝑇 =Δvap𝐻𝑚𝑅𝑇2 式中 R为摩尔气体常数 ； T为热力学温度， Δvap𝐻𝑚是温度 T下 纯液体的摩尔汽化热 假定 Δvap𝐻𝑚与温度无关 ，对上式积分，可得 ln𝑝 = −Δvap𝐻𝑚𝑅𝑇 +𝐶 若将 ln𝑝对 1/𝑇作图 ，应该得到一条直线，斜率 𝑚 = −Δvap𝐻𝑚/𝑅， 于是 Δvap𝐻𝑚 = −𝑅𝑚 在 不同温度下测定纯液体的饱和蒸气压，可以推出该液体的摩尔 汽化焓 和正常沸点 了 。
2 实验操作 2.1 实验用品、仪器 及 装置 实验 使用 等压管 1支， 稳压瓶 1个，负压瓶 1个 ，恒温槽 1套 ，真空泵 1台 ， 干燥管 一套，搅拌器一台， 压力 计 1台 ，数显温度仪 乙醇 （ AR） 测试装置如图 2.1所示 （实验中 使用数显温度 仪 ） 图 2.1 2.2 实验条件 实验过程中 实验室 内温度 19.3 °C，相对湿度 30%， 大气压 102.15 kPa 2.3 实验操作 (1) 装置 与 装样 此步骤已在 课前完成 ； (2) 检漏将 H 活塞关上，打开活塞 I、 F 和 G，用真空泵抽气到压力计显示的气压为 25kPa时，关 闭 I、 F和 G等片刻后， 若压力读数 不变说明系统气密性良好 ； (3) 升温开动搅拌器，调节加热器电压在 160V左右 ； (4) 排气当水浴温度超过 50 °C时，等压管内液体开始沸腾， 大量气泡由 C管排出沸腾 3~5 min就可以除去 AB间的空气及溶在液体中的空气注意调节加热器电压，控制恒温槽温度在 50 °C附 近 ； (5) 蒸气压 的测定排气完后， 缓慢 打开活塞 H，使体系通过毛细管 慢慢吸入空气升高压力，直到稳压瓶中的压力快接近蒸气压时为止。
然后调节调压器，改变加热电压，直到 BC 液面相对位置不变， 表示温度已 恒定最后将 BC 液面基本调平，稳定 1 min左右，迅速记下温度 t，压力计 P的读数 ； 继续用加热器加热水浴， 过程中适当调节活塞 H，使液体不剧烈 沸腾，当温度升高 2 °C时再重复上述步骤 — 直升温到 75 °C附近总共测 13个点 ； (6) 结束实验完后，将系统与大气相通，关闭 调压器，整理实验台最后，将实验数据输入计 算机进行计算 2.4 注意事项 (1) 等压管 中 AB液面间的空气必须排净 (2) 操作过程中 防止 C处气体 吸入 AB之间一旦倒吸 ， 需要重新排气 (3) 升温时 ，要随时缓慢调节旋塞 H，避免液体剧烈沸腾 3 结果与 讨论 3.1 原始 实验数据 表 3.1 原始数据表格 组别 温度 t(°C) 蒸气压 p(kPa) 组别 温度 t(°C) 蒸气压 p(kPa) 1 49.87 30.78 8 64.03 58.79 2 51.98 33.13 9 65.95 63.53 3 53.96 37.06 10 67.97 69.09 4 55.83 40.40 11 69.97 75.10 5 57.93 44.78 12 71.94 81.32 6 59.99 49.10 13 73.79 87.49 7 62.05 53.93 3.2计算结果 表 3.2 计算结果表格 组别 1/T(K-1) ln(p/[p]) 组别 1/T(K-1) ln(p/[p]) 1 0.003096 10.33462 8 0.002966 10.98173 2 0.003076 10.40819 9 0.002949 11.05927 3 0.003057 10.52029 10 0.002932 11.14317 4 0.003040 10.60659 11 0.002914 11.22658 5 0.003020 10.70952 12 0.002898 11.30615 6 0.003002 10.80161 13 0.002882 11.37928 7 0.002983 10.89544 由 Clausius-Clapeyron方程 ， 有 拟合模型 ln𝑝 = −𝐴𝑇 +𝐵 对计算结果进行 线性拟合，得到 A = 4955.92， B = 25.671 拟合曲线如图 3.1 图 3.1 ln p – 1/T拟合 图线 根据斜率推出实验范围内乙醇 平均 摩尔汽化焓 Δvap𝐻𝑚 = 𝐴𝑅 = 41.21 kJ⋅mol−1 且在 𝑝 = 𝑝⊖ = 101.325 kPa下 ， 将 压强代入拟合结果，可得 乙醇 的 正常 沸点为t=77.19 °C 一般地 ，在一定 范围 内，无水乙醇的蒸 气 压 p (Pa)和温度 T (K)有如下关系 𝑝 = exp(−𝐴𝑇 +𝐵) 其中 A、 B的值 由 拟合数据给出 3.3 讨论分析 数据拟合 中，拟合度 R2=0.99941， 数据拟合程度 较 高 ， 表明实验的 测量值较好地 符合了 Clausius-Crapeyron方程 的 预言 ， 且随机误差较小 。
参考文献数据 [2]， 乙醇的 摩尔汽化焓 和正常沸点 Δvap𝐻𝑚 = 42.6 kJ⋅mol−1 𝑇𝑏 = 351.54 K (78.34 oC) 考虑到本实验 温度和文献 数据 的温度 有差异 ，而且本实验中计算出的是在实验温度区间内乙醇的 平均 摩尔汽化焓 ， 实验结果 与文献值的差异在可接受的范围内 实验 中计算得到 的 正常沸点 绝对误差 -1.15 K， 相对误差为 -0.327%， 与文献值 较为 相符 本实验中 ，由于调平 BC液面 时 乙醇温度 不完全恒定 ，而且 调平时也无法把 BC液面完全调整在同一水平面 上 ，可能带来一些随机误差 4 结论 本次实验测定了 在 一系列温度下乙醇的饱和蒸气压，并通过 Clausius-Clapeyron 方程 处理数据，得到了在一定温度 范围内 乙醇的平均 摩尔汽化焓 ，外推出无水乙醇的正常沸点 ，并获得了无水乙醇蒸气压和温度的关系式 5 参考文献 [1] 贺德华 ，麻英，张连庆 . 基础物理化学实验 . 北京： 高等教育出版社 ， 2008： 33-35. [2] Robert C. Wcast Handbook of Chemistry and Physics. 58th ed. Ohio: CRC Press, 1977. 6 附录 思考题 1. 说明饱和蒸气压 、正常沸点、沸腾温度的含义 ？ 饱和蒸气压是 一定温度下，纯液体及其 蒸气 的 汽 化、 液化 过程平衡 时该蒸气 的分压。
当饱和蒸气压 等于 𝑝⊖时 的温度称为该液体的正常沸点饱和蒸气压 等于 外界压力时的温度称为该液体在该压强下的沸腾温度 2. 克劳修斯 -克拉贝龙方程在什么 条件下 才能应用？为什么 本实验 测得的 只是 平均 蒸发焓 ？ 纯物质忽略凝聚相 体积，且 气相 视为理想气体 蒸发焓 实际与温度有关，而实验中把蒸发焓 视为常数 3. 稳压瓶 、负压瓶的作用是什么？什么时候 需用 旋塞 H与 G？ 稳压瓶 可以 保持 C 管上方压力平稳变化，不会出现大的波动或跃变负压瓶 可以提供 低于稳压瓶的负压， 用于减小 C管上方压强 当 C液面高于 B液面时，或者液体即将剧烈沸腾时，需要旋开 旋塞 H增大 C上压强当 B液面高于 C液面，或者 C中气体即将进入 AB之间时，需要旋开旋塞 G减小 C上压强 4. 计算证明 ：赶气泡 3~ 5min后 AB空间的空气确已 除净 实验中 观察气泡直径大约 0.5cm， 这样每个气泡体积为 0.065 mL，每秒 按照 排出 2个 气泡计算， 5 min内 一共 排出 气体 39 mL， 已经远远超过 AB间气体的体积所以 即使 每个气泡 中 都不全是空气， 5 min之内 AB间的空气也可以排净。