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物理化学实验报告No2蒸气压.doc
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2010-04-23
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物理化学实验报告。关于蒸汽压的测定。希望大家会需要
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纯水饱和蒸气压的测定
马瑞
摘 要: 本实验采用动态法——通过测定不同外压下纯水的沸点,来确定不同温度下的饱
和蒸气压。实验数据表明水的饱和蒸气压随温度的下降而减小,lnp 对 1/T 呈良
好的线性关系。这与克拉贝龙-克劳修斯方程相符,并由此方程可求得水的摩尔
汽化热。
关键词:水 沸腾 饱和蒸气压 摩尔汽化热
The Determination of Saturated Vapor
Pressure of Pure Water
Ma Rui (Marine.Marion)
( NCL USTC Hefei Anhui P.R.China, 230026 )
Email:marion@USTC.edu
Abstract : This experiment by ‘Dynamic Method’ is to determine the boiling point of
pure water under different pressures, so we can get the saturated vapor
pressures at different temperature. It is found that the saturated vapor
pressure of pure water decreases with the decreasing of temperature and the
relation of lnp ~ 1/T is well linear. It accords with Clapeyron-Clausuis
Equation, and then we can obtain the molar heat of vaporization of pure
water.
30 - 1 物理化学实验 No.2 PB02206003 马瑞
Key words :Water, Boiling, Saturated vapor pressure, Molar heat of vaporization
30 - 2 物理化学实验 No.2 PB02206003 马瑞
序言:
在封闭体系中,当液相的蒸发速度与相应气相的凝聚速度相等时,体系达到动态平衡,
此时的蒸气压为该温度下的饱和蒸气压,液体的饱和蒸气压等于外压时的温度为液体的沸
点,因此沸点是随外压变化的,当外压为 101325Pa 时,称之为正常沸点。每蒸发 1mol 液
体所需的热量称该温度下的摩尔汽化热。
克拉贝龙-克劳修斯方程描述了饱和蒸气压,温度与摩尔汽化热之间的关系,因此测定
饱和蒸气压是获得热力学参数的一个重要手段。通常测量饱和蒸气压有三种方法:静态法,
动态法和饱和气流法,其中动态法与其它两种方法相比具有操作简单,结果比较准确的优
点,适用于蒸气压不太高的液体。
动态法的基本思想是:基于沸点时液体的饱和蒸气压与外压达到平衡的理由,只要在
不同外部压力下测定液体的沸点,也就得到了该沸点温度下的饱和蒸气压。
本实验即是用动态法来测量水的饱和蒸气压,并由此得到水的正常沸点和摩尔汽化热。
1. 实验部分:
1.1 仪器与试剂
BY 型 U 形压力(压强)计 常州市东风仪表厂
2XZ-2B 型旋片真空泵 上海真空泵厂
D25-2 型电动搅拌机 杭州仪表电机厂
6511 型电动搅拌机调速器 上海标本模型厂
鹿牌 CL-150 型电加热器;福廷式大气压计
5L 大烧杯;缓冲瓶和真空储气瓶;1/10 刻度水银温度计(50~100℃)
1.2 方法暨原理
实验装置简介
如 Fig 1. 所示:
① 平 衡 管由 三 个相连
通的玻璃球构成,顶部经由
冷凝管与 U 形压力计 6 和
缓冲瓶 7 相接。
② 在 缓 冲 瓶 7 和 安 全
瓶 11 之间,接一三通活塞
9,用来调节测量体系的压
力,安全瓶中的负压通过真
空泵抽真空来实现。安全瓶
和真空泵之间也有一三通阀。
30 - 3 物理化学实验 No.2 PB02206003 马瑞
Fig 1. 装置结构图
③A 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 B 管与 C 管的液
面处于同一水平面时,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,此时体系汽液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点。用当时读得的
大气压减去压差计两水银柱的高度差,即为该温度下液体的饱和蒸汽压。
关于平衡管部分的详细说明
仍然如上图,本实验中所测定的气-液平衡体系是 A 中的液体和 A-B 液面之间的气体。
在待测体系中如果混有空气,则会对饱和蒸汽压的测定产生影响:
P
g
≠
为没有惰性气体存在时液体的饱和蒸气压,
P
g
为有惰性气体存在且总压为 P
e
时液体的饱和蒸气压。
可见在总压一定的情况下,混入的空气压强越大,相应的液体饱和蒸汽压就越小,随
着体系中剩余空气含量的增加,液体的沸点呈现上升趋势。
为了解决这个问题,特别设计了 B-C 之间的一段 U 形液柱以起到液封的作用,用于分
隔体系与环境,同时通过该液封又可以将体系中的空气挤压到环境中去;另外,这段液柱
还起到指示压力平衡的作用——当 B、C 管中的液面等高时,说明体系的压强等于环境的
压强,可以通过测量环境的压强来获得体系的压强;最后,当 B、C 管中的液面等高时测
定温度和压力的数据,可以保证多次测量数据时体系的体积几乎相等。
通过对体系加热或减小环境的压力,可以把体系中的空气等惰性气体排出到环境中去。
刚开始时空气比较多,通过 B-C 管液体冒泡排气的速度较快,后来逐步减慢;当体系温度
达到液体的沸点并且空气很少时,冒泡排气的速度比较慢并且均匀,此时排出的气体主要
是待测液体的饱和蒸气。
Clapeyron-Clausuis(克拉贝龙-克劳修斯)方程
对于纯物质的气-液两相平衡,若忽略液体体积(相对于气体的巨大体积而言),并假
设蒸气为理想气体,则有公式:
式中各符号分别代表的是 Δ
vap
H
m
—— 液体的摩尔汽化热[J/mol]
p —— 液体的饱和蒸气压[Pa]
T —— 绝对温度[K]
R —— 普适气体常数 8.314 J/(mol·K)
30 - 4 物理化学实验 No.2 PB02206003 马瑞
在封闭体系中,克拉贝龙-克劳修斯方程表述了液体的饱和蒸气压、液体温度及摩
尔汽化热之间的关系。若在温度变化不大时近似的将 Δ
vap
H
m
视作常数,则上式化为:
这是一个直线方程,斜率 k = -Δ
vap
H
m
/ R ,
即 Δ
vap
H
m
= -kR ,由拟合直线的斜率即可求出摩尔汽化热。
由公式看似乎要在不同温度下测饱和蒸气压,但实际上反过来做更方便——本次
实验在不同外部压力下测定液体的沸点,基于沸点时液体的饱和蒸气压与外压达到平
衡的理由,就得到了该沸点温度下的饱和蒸气压。
与课本上所述方案不同的是,我将使用自然对数 ln 而不是以 10 为底的常用对数
log 处理数据,因为 2.303log 不如 ln 准确。
1.3 步骤和注意事项
记录当前大气压强和气温。
缓冲瓶与大气连通,加蒸馏水到 5L 大烧杯中标示的高度,开动搅拌电机,用电炉
加热大烧杯中的水。沸腾后继续煮沸 5~10 分钟以驱赶空气,再停止加热,让水
浴温度在搅拌中缓慢下降。当 B、C 液面等高时,读取温度数据和气压差数据。
关闭缓冲瓶与大气之间的通道,利用安全瓶中的真空度降低体系的外压做减压测
定。每次降压约 40mmHg,液体会再次沸腾,当 B、C 液面等高时,读取一组温
度数据和气压差数据。反复降压直到汞高刻度相差约 400mmHg 为止。
上述两步平行重复三次。
再次记录当前大气压强和气温。
注意:
每测完一组温度和压差的数据以后,要赶快对环境减压(一大组测完后则是给体
系加热),使环境的空气不会进入到体系中去。
平衡管 A 管和 B 管之间的空气必须赶净——也就是说煮沸时间要足够长。
读数时应多人配合,同时读取温度和压强差。
30 - 5 物理化学实验 No.2 PB02206003 马瑞
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