实验一 一、实验目的 液体饱和蒸气压的测定 1.了解用静态法(亦称等位法)测定乙醇在不同温度下饱和蒸气压的原理,进 一步明确纯液体饱和蒸气压与温度的关系。 2.掌握真空泵的使用方法。 3.学会用图解法求所测温度范围内的平均摩尔汽化热及正常沸点。 二、实验原理 一定温度下,在一真空的密闭容器中,液体的蒸发很快与蒸气凝结达到动态 平衡,即 蒸气分子向液面凝结和液体分子从表面逃逸的速率相等, 此时液面上的蒸气压力 就是液体在此温度时的饱和蒸气压。液体的饱和蒸气压与温度有一定关系,温度 升高,分子运动加快,因而单位时间内从液面逸出的分子数增多,饱和蒸气压增 大。反之,温度降低时.则饱和蒸气压减小。当蒸气压与外界压力相等时,液体 便沸腾,外压不同时,液体的沸点也不同。把外压为 101325Pa 时沸腾温度定为 液体的正常沸点。 液体的饱和蒸气压与温度的关系可用克劳修斯—克拉贝龙方程 式来表示 d ln p Δ vap H m = dT RT 2 式中,T—热力学温度(K); p—纯液体在温度 T 时的饱和蒸气压(Pa); ΔvapHm—纯液体在温度 T 时摩尔汽化热(kJ mol-1); R—气体常数(8.3148×l0-3 kJ mol-1 K-1)。 温度在较小范围内变化时,可把ΔvapHm 视为常数,当做平均摩尔汽化热, 将上式积分得: ln p = ? Δ vap H m 1 +C R T 式中,C—积分常数,与压力 p 的单位有关。 可见,在一定温度范围内,测定不同温度下的饱和蒸气压,以 1n P 对 1/T 作图,可得一直线,而由直线的斜率可求出实验温度范围的纯液体平均摩尔汽化 热ΔvapHm。 静态法测纯液体的饱和蒸气压是调节外压以平衡纯液体的蒸气压, 求出外压 就能直接得到该温度下的饱和蒸气压, 其实验装置如图 1.1 所示(所有接口必须严 格密封)。 三、实验仪器与药品 恒温装置 1 套,真空泵及附件 1 套,气压计 1 台,等位计 1 支,数字式低真 空测压仪 1 台。乙醇(纯) ,甲基橙 四、实验步骤 1.装样 从等位计(图 1.2)R 处注入乙醇液体,使 A 球中装有 2/3 的液体,U 形 B 的 双臂大部分有液体。 图 1.1 纯液体饱和蒸气压测定装置图 1—等位计;2—搅拌器;3—温度计;4—冷阱;5—低真空测压仪;6—稳压瓶;7—接真 空泵;G、H 二通活塞 2.检漏 将装有液体的等位计按图 1.1 接好, 打开冷却水, 关闭活塞 H、 条件允许, G( 也可用 1 个三通活塞来代替 H 和 G 的两个二通活塞,增加系统的封闭效果)。打 开真空泵抽气系统,打开活塞 G,从低真空测压仪上显示压差为 4000~ 5300 Pa(300~400 mmHg),关闭活塞 G,注意观察压力测量仪的数字的变化。如果系 统漏气,则压力测量仪的显示数值逐渐变小,这时应分段认真检查,寻找出漏气 部位,设法消除。 3.排除 AB 弯管空间内的空气 AB 弯管空间内的压力包括两部分:一是待测液体的蒸气压;另一部分是空 气的压力。测定时,必须将其中的空气排除后,才能保证 B 管液面上的压力为 液体的蒸气压, 排除方法为: 调节恒温槽至所需温度后 (一般比室温高 2℃左右) , 接通冷凝水,打开活塞 G 缓慢抽气降压至液体轻微沸腾,此时 A 球中液体内溶 解的空气和 A、B 空间内的空气通过 B 管中的液体逸出。如此沸腾数分钟后,当 气泡呈长柱状时,可认为空气被排除干净,关闭活塞 G,停止抽真空。 4.饱和蒸气压的测定 当空气被排除干净,且体系温度恒定后,调节活塞 H,使空气缓慢进入测量 系统(切不可太快,以免空气倒灌入 B 弯管中,如果发生空气倒灌,则须重新 排气) ,以至 B 管中双臂液面等高,关闭活塞 H。待压力稳定后从低真空测压仪 上读取数据(如果放入空气过多,B 管中双臀液面不等高,须抽气,再调平齐) 。 然后,将恒温槽温度升高 3-5 ℃,因温度升高后,液体的饱和蒸气压增大, 液体会不断沸腾。为了避免 B 管中液体大量蒸发,应随时打开活塞 H 缓缓放入 少量空气,保持 B 管内液面平静,无气泡冒出。当体系温度恒定后,再次放入 空气使 B 管液面等高,记录温度和压差。然后依次每升高 3-5 ℃测定一次压差, 共测定 6 个不同温度时乙醇的蒸气压。在实验开始时,从气压计读取测定时的大 气压。 图 1.2 等位计结构 五、实验注意事项 1.整个实验过程中,应将等位计 A 球液面上方的空气排净。 2.抽气的速率要合适, 防止等位计内液体沸腾过剧. 致使下管内液体被抽尽。 3.蒸气压与温度有关,故测定过程中恒温槽的温度波动最好控制在±0.1K。 4.实验过程中需防止 B 管液体倒酒人 A 球内,带入空气,使实验数据偏大。 六、实验数据处理 1.自行设计实验数据记录表.以保证既能正确记录全套原始数据,又可填入 演算结果。 2.计算蒸气压 p 时,p=p′—E 式中 p′为室内大气压(由气压计读出后,加 以校正),E 为压力测量仪上的读数。 3.以蒸气压 p 对温度 T 作图,在图上均匀选取 8 个点,并列出相应表格,绘 制成 ln p—1/T 图。 4.从直线 ln p—1/T 上求出实验温度范围的平均摩尔汽化热及正常沸点。 以 最小二乘法计算乙醇饱和蒸气压和温度关系式(ln p=-B/T+A)中的 A、B 值。 七、思考题 1.本实验方法能否用于测定溶液的蒸气压,为什么? 2.温度愈高,测出的蒸气压误差愈大,为什么? 八、讨 论 1.测定蒸气压的方法除本实验介绍的静态法外, 还有动态法、 气体饱和法等。 但静态法准确性较高。 2.动态法是利用测定液体沸点求出蒸气压与温度的关系,即利用改变外压测 得不同的沸腾温度,从而得到不同温度下的蒸气压,对于沸点较低的液体,用此 法测定蒸气压与温度关系是比较好的。实验装置如图 1.3 所示。 图 1.3 动态法蒸气压测定装置 1—缓冲瓶;2—圆底烧瓶;3—温度计;4—活塞 九、实验步骤 测定时将待测液体倒人蒸馏瓶,并加入沸石少许。接通冷却水,打开活塞 A 用真空泵抽气,使体系压力减到大约 5.33×104Pa ,关闭活塞 A,停止抽气。加 热液体至沸腾,直至温度恒定不变。记录沸点,室温大气压 P′和 u 形压力计两 臂水银面高度差Δh (也可用低真空测压仪代替)。该温度下液体蒸气压为 P=P′ —Δh。停止加热,慢侵打开活塞 A,增大体系压力约 4.0×104Pa,再用上述方 法测定沸点。以后体系每增加 4.0×104Pa 压力.就测定一次沸点,直至体系内压 力与大气压相等为止。 十、实验注意事项 1.温度计的水银球浸在液体中,对温度计读数需作校正。 2.U 形压力计读数需作温度校正,校正至 0℃的读数。 3.气体饱和法是利用一定体积的空气(或惰性气体)以缓慢的速率通过一个易 挥发的欲测液体, 空气被该液体蒸气饱和。 分析混合气体中各组分的量以及总压, 再按道尔顿分压定律求算混合气体中蒸气的分压,即是该液体的蒸气压。此法亦 可测定固态易挥发物质如碘的蒸气压。它的缺点是通常不易达到真正的饱和状 态,因此实验测量值偏低。放这种方法通常只用来求溶液蒸气压的相对降低。