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乙醇饱和蒸气压测定：静态法实验步骤与数据分析

创作时间:

2025-01-22 00:49:14

作者:

@小白创作中心

乙醇饱和蒸气压测定：静态法实验步骤与数据分析

饱和蒸气压是物质的重要物理性质之一，它反映了物质在一定温度下从液态转变为气态的能力。测定物质的饱和蒸气压对于理解物质的相变行为、计算物质的汽化热以及在化工、制药等领域的实际应用都具有重要意义。本实验采用静态法测定乙醇在不同温度下的饱和蒸气压，通过实验数据计算乙醇的平均摩尔汽化热和正常沸点，同时熟悉和掌握真空泵和恒温槽的使用。

实验目的

掌握用静态法测定纯液体在不同温度下饱和蒸气压的方法。
通过实验求出所测温度范围的乙醇的平均摩尔汽化热与正常沸点。
熟悉和掌握真空泵和恒温槽的使用。

基本原理

在一定温度下，纯液体与其蒸气达成平衡时气相的压强，称为该温度下液体的饱和蒸气压。液体的饱和蒸气压与液体的本性及温度等因素有关。纯液体的饱和蒸气压是随温度而改变的，纯液体的饱和蒸气压与温度的关系可用克劳修斯－克拉佩龙（Clausius－Clapeyron）方程式表示：

[ \ln p = -\frac{\Delta_{vap}H_m}{RT} + C ]

式中：

( p ) 为纯液体在温度 ( T ) 时饱和蒸气压
( T ) 为绝对温度
( R = 8.314 , \text{J·mol}^{-1}·\text{K}^{-1} ) 为气体常数
( \Delta_{vap}H_m ) 为液体的摩尔汽化热（J·mol⁻¹）
( C ) 为积分常数

由上式可知，( \ln p ) 与 ( \frac{1}{T} ) 呈线性关系，斜率 ( m = -\frac{\Delta_{vap}H_m}{R} )。因此，可求出 ( \Delta_{vap}H_m = -2.303Rm )。

测定饱和蒸气压常用的方法有三类：

动态法：常用的有饱和气流法，即通过一定体积的已被待测溶液所饱和的气流，用某物质完全吸收。然后称量吸收物质增加的质量，求出蒸气的分压。动态法的优点是对温度的控制要求不高，对沸点低于100℃的液体亦可达到一定精确度。
静态法：把待测物质放在一个封闭体系中，在不同的温度下，直接测量蒸气压或在不同外压下，测液体的沸点。此方法精确度较高，即使蒸气压在1333 Pa（10 mmHg）左右也可以。适用于蒸气压比较大的液体。静态法以等压计的两臂液面等高来观察平衡较灵敏。对较高温度下的蒸气压的测定，由于温度难以控制而准确度较差。
饱和气流法：使干燥的惰性气流通过被测物质，并使其为被测物质所饱和，然后测定所通过的气体中被测物质蒸气的含量，就可根据分压定律算出此被测物质的饱和蒸气压。这种方法不仅可测液体的饱和蒸气压，亦可测定固体易挥发物质的蒸气压。缺点是通常不易达到真正的饱和状态，因此实测值偏低。通常只用来求溶液蒸气压的相对降低。

本实验采用静态法。以等压计在不同温度下测定乙醇的饱和蒸气压，等压计的外形见图2.6-3。小球中盛被测样品，U形管中部分以样品本身作封闭液。

仪器与试剂

DP－AF精密数字等压计1台
恒温槽（含恒温控制仪）1套
缓冲储气罐1个
冷阱1套
真空泵1台
等压计1支
乙醇（A．R．）

实验步骤

本实验有两种方法，可任选其一。

方法一：不同温度下测定乙醇的蒸气压

实验装置如图2.6-1所示。

装样：从加样口注入乙醇，关闭进气活塞，打开平衡阀2使真空泵与缓冲储气罐相通，启动真空泵，抽至气泡成串上蹿，可关闭平衡阀2，打开进气活塞漏入空气，使乙醇充满试样球体积的2/3和U形管双臂的大部分。
检漏：接通冷凝水，关闭进气活塞，打开平衡阀2使真空泵与缓冲储气罐相通，启动真空泵，使压力表读数为53～67 kPa，关闭抽气活塞，停止抽气，检查有无漏气，若无漏气即可进行测定（注意在停止抽气时，应先把真空泵与大气相通）。

图2.6-1 测定蒸气压系统装置图

测定：调节恒温槽温度为293.2 K，测试前数字等压计必须进行采零操作，尽管仪器作了精细的零点补偿，但因传感器本身固有的漂移（如时漂）是无法处理的，因此，每次测试前都必须进行采零操作，以保证所测压力的准确度。方法是使压力传感器与大气相通，按下“采零”键，此时显示器显示“0000”。然后关闭进气阀，开动真空泵缓缓抽气，使试样球与U形管之间的空间内空气呈气泡状通过U形管中的液体而逐出。如发现气泡成串上蹿，可关闭抽气活塞，缓缓打开进气活塞漏入空气使沸腾缓和。如此慢沸3～4分钟，试样球中的空气排除后，关闭抽气活塞，小心开启进气活塞缓缓漏入空气，直至U形管两臂的液面等高为止，在压力表上读出压力值。重复操作一次，压力表上的读数与前一次相比两者差值应不大于±67 Pa，此时即可认为试样球与U形管液面上的空间已全部为乙醇的蒸气所充满。

同法测定298.2 K，303.2 K，308.2 K，313.2 K，318.2 K，323.2 K时乙醇的蒸气压。

测定过程中如不慎使空气倒灌入试样球，则需重新抽真空方可继续测定。

如升温过程中，U形管内的液体发生暴沸，可漏入少量空气，以防止管内液体大量挥发而影响实验进行。

实验结束后，慢慢打开进气活塞，使压力表恢复零位。用虹吸法放掉恒温槽内的热水，将抽气活塞旋至与大气相通。拔去所有电源插头。

注意事项

先开启冷却水，然后才能排气。
实验系统必须密闭，一定要仔细检漏。
整个实验过程中，应保持图2.6-3中等压计a球液面上的空气排净。
升温时可预先漏入少许空气，以防止U形管中液体暴沸。
漏气必需缓慢，否则U形管中的液体将充入试样球中。
开、停真空泵时必须严格按操作规程进行，而且要缓慢，以防止因压力骤变而损坏压力表。

方法二：不同外压下测定乙醇的沸点

安装仪器：如图2.6-2装好仪器。

图2.6-2 测定蒸气压装置图

图2.6-3 等压计

检漏：将乙醇装入等压计检验系统是否漏气：先将乙醇装入减压管b，c中，见图2.6-3中等压计U形管，然后烘烤（可用吹风器或煤气灯）a管，赶走管内空气，之后迅速冷却a管，液体即被吸入。反复几次，使乙醇灌至a管高度的2/3为宜，然后接在装置上。仪器装好后，打开真空泵，再开缓冲瓶上接真空泵的活塞，使系统的气压约为400～500 mmHg后，关闭通真空泵活塞，隔数分钟后系统气压不发生变化，则属正常。否则，检查各连接处是否漏气，可用少许真空酯涂在该处。
测大气压下的沸点：使体系与大气相通，将水浴加热（注意等压计一定要全部没入水中），等压计中有气泡产生，是空气被排出。直到水浴温度达84℃左右，在此温度加热数分钟，把等压计中的空气赶净。然后，停止加热，不断搅拌。温度下降至一定程度，c管中气泡开始消失，b管液面就开始上升，同时c管液面下降。此时要特别注意，当两管的液面一旦达到同一水平时，立即记下此时的温度（即沸点）和大气压。重复一次，若两次结果一致，就可进行下面的实验。
测定不同温度下的乙醇饱和蒸气压：大气压下的沸点测出以后为防止空气倒灌c管，立即关上通往大气的活塞。先开真空泵再开通真空泵的活塞，使体系减压约50 mmHg。此时，液体重又沸腾。继续搅拌冷却，至b和c管等高时立即读出水浴温度及等压计中水银柱高度差，这就完成了一次T，p数值的测定。注意与此同时应迅速开动真空泵再减压30～50 mmHg。整个动作必须细心而快速。继续实验，每次再减压50 mmHg。直到等压计中水银柱高度差 400 mmHg时，停止实验，再读一次大气压值。

数据处理

实验数据记录在表2.6-1中。

表2.6-1 实验数据

绘制lgp－T－1图，由其作斜率求出实验温度区间内乙醇的平均摩尔蒸发热ΔvapHm。
绘制p－T图，并求取30℃和40℃两处的斜率，即（dp／dT）30℃和（dp／dT）40℃。
将乙醇在不同温度下蒸气压的公认值和实验值在同一坐标上绘制p－T曲线（实验值用实线，公认值用虚线）。
结合计算公式，进行误差分析。

思考题

静态法测蒸气压的原理是什么？本实验方法能否用于测定溶液的蒸气压，为什么？
正常沸点与沸腾温度有什么不同？
如何判断等压计中试样球与等压计间空气已全部排出？如未排尽空气，对实验有何影响？
每次测定前是否需要重新抽气？
升温时如液体急剧汽化，应作何处理？
等压计的U形管内所贮液体起何作用？

附录

在不同温度下乙醇的蒸气压

表2.6-2 在不同温度下乙醇的蒸气压

1 mmHg＝1 mmHg×（101.325 kPa／760 mmHg）＝0.133 32 kPa。

按上述文献所列的蒸气压和温度值，用最小二乘法处理可得在293.2～323.2 K间的平均摩尔汽化热ΔvapHm＝42.064 kJ·mol⁻¹。也可利用计算机进行曲线拟合，得出曲线的斜率，进而得到液体的平均摩尔汽化热。

精密数字等压计的气密性检查及使用方法
（1）预压及气密性检查。将抽气活塞关闭，进气活塞缓缓加压至满量程，观察数字压力表显示值变化情况，若1 min内显示值稳定，说明传感器及等压计本身无泄漏。确认无泄漏后，泄压至零，并在全量程反复预压2～3次，方可正式测试。
（2）预热。将开关置于标有ON位置，通电预热30 min后，方可进行实验，否则将影响实验精度。
（3）调节零点读数。零点读数为“0.00”，重复2～3次。注意：尽管仪表作了精细的零点补偿，但因传感器本身固有的漂移（如时漂）是无法处理的，因此，每次测试前都必须进行采零操作，以保证所测压力值的准确度。
（4）压力选择。将正负压力选择开关置于“负压”位置，测定时显示板显示即为所测压力值（压力表读数单位为kPa）。
（5）关机。关机前应使测量系统与大气相通（开启进气活塞）后方可关机。