实验二 液体饱和蒸气压的测定实验报告.docx
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实验二液体饱和蒸气压的测定实验报告
实验二液体饱和蒸气压的测定
MeasurementofSaturatedVaporPressure
王暮寒PB10207067
中国科学技术大学生命科学学院
MuhanWangPB10207067
SchoolofLifeScience,UniversityofScience&TechnologyofChina,Hefei
Email：
wangmh@
2012.5
【关键词】
饱和蒸汽压
克拉伯龙-克劳修斯方程
温度
摩尔汽化热
【KEYWORDS】
Saturatedvaporpressure
Claperon-ClasiusEquation
temperature
MolarHeatofvaporization
【摘要】
根据克拉贝龙-克劳修斯方程，在一定温度范围内，对于纯液体的炮和蒸汽压P与温度T，lnP与1/T之间存在线性关系。
利用动态法测定不同温度T下环己烷的饱和蒸汽压p，得出克拉贝龙-克劳修斯方程，从而求算环己烷的摩尔气化热，求得环己烷在大气压下的正常沸点。
【ABSTRACT】
AccordingtotheClaperon-ClasiusEquation,thereisalinearrelationbetweenT,thetemperatureofafluidandp,thesaturatedvaporpressureofit.Bymeasuringthesaturatedvaporpressureofcyclohexaneunderdifferenttemperatures,wecouldverifythelinearrelation,andfurthermore,calculatethemolarheatofvaporizationalongwiththeboilingpointofcyclohexane.
【前言】
摩尔汽化热是在一定的温度、压力下，1mol纯液体在平衡过程中变为蒸汽所吸收的热。
液体的沸点则是当液体的饱和蒸汽压等于外界压强时的温度。
液体的沸点随着外界压强的增大而增大，当液体处于沸点时，若将蒸汽视为理想气体，在汽化过程前后忽略液体的体积，且在一定温度范围内认为摩尔汽化热为常数，则可由气相和液相化学势相等推得克拉伯龙-克劳修斯方程，以及液体的摩尔蒸发热和其他热力学常数。
液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种：
静态法，在某一固定温度下直接测量饱和蒸汽的压力；动态法，在不同外部压力下测定液体的沸点；饱和气流法，在液体表面上通过干燥的气流，调节气流速度，使之能被液体的蒸汽所饱和，然后进行气体分析，计算液体的蒸汽压。
本实验利用动态法，此法基于在沸点时液体的饱和蒸汽压与外压达到平衡。
只要测得在不同外压下的沸点，也就测得在这一温度下的饱和蒸汽压。
本实验中通过测量环己烷在不同压强下的沸点来验证克拉贝龙-克劳修斯方程，并根据建立起来的经验方程求算环己烷的平均摩尔汽化热。
【实验内容】
一．实验原理
在封闭体系中，液体很快和它的蒸汽达到平衡。
这时的蒸汽的压力称为液体的饱和蒸汽压。
蒸发一摩尔液体需要吸收的热量，即为该温度下液体的摩尔汽化热。
它们的关系可用克拉贝龙～克劳修斯方程表示：
（2－1）
H：
摩尔汽化热（J·mol-1）R：
气体常数（8.314J·mol-1·K-1）
若温度改变的区间不大，H可视为为常数（实际上H与温度有关）。
积分上式得
（2－2）
常数
，
。
（2）式表明
与
有线性关系。
作图可得一直线，斜率为－B。
因此可得实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热H。
（2－3）
因此，只要测得某液体不同温度下的液体饱和蒸汽压，即可通过作图得到该液体的平均摩尔汽化热。
二．实验仪器
液体饱和蒸汽测定仪1套抽气泵1台
福廷式压力计1支加热电炉1个
JJ-1增力电动搅拌器1台1/100C温度计1支
真空稳压包WYB-I型1台DTV-2AI控温仪1台
循环水抽气泵1台
三.实验装置图与装置简介
1-盛水大烧杯;2-温度计（分度值为0.1°）;3-搅拌;4-平衡管;5-冷凝管;6-开口U形水银压力计;7-具有保护罩的缓冲瓶;8-进气活塞;9-抽气活塞;10-放空活塞;11-安全瓶;12、13-橡皮管14-三通活塞
图一实验装置图
图一中，平衡管由三个相连通的玻璃球构成，顶部与冷凝管相连。
冷凝管与U形压力计6和缓冲瓶7相接。
在缓冲瓶7和安全瓶11之间，接一活塞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有一三通阀，通过它可以正确地操作真空泵的启动和关闭。
A球中装待测液体，当A球的液面上纯粹是待测液体的蒸汽，并且当B管与C管的液面处于同一水平时，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。
四.实验步骤
1、熟悉实验装置，掌握真空泵的正确使用，了解系统各部分及活塞的作用，读当日大气压。
2、取下平衡管4，洗净、烘干，装入待测液。
使A球内有2/3体积的液体。
并在B，C管中也加入适量液体，将平衡管接在冷凝管的下端。
平衡管中液体的装法有两种：
一是把A管烘烤，赶走空气，迅速在C管中加入液体，冷却A管，把液体吸入。
二是将C管中加入液体，将平衡管与一水泵相连接，抽气，并突然与水泵断开，让C管的水流入A管。
3、系统检漏：
管闭活塞8和9，将三通活塞14旋转至与大气相通，关闭活塞10，插上真空泵电源，启动真空泵，将活塞14再转至与安全瓶11相通，抽气5分钟，再将活塞14旋至与大气相通，拔掉真空泵电源，停止抽气。
这样做是为了防止真空泵油倒吸。
用活塞9调节缓冲瓶的真空度，使U形压力计两臂水银柱高低差为20—40毫米，关闭活塞9。
仔细观察压力计两臂的高度，在10分钟内不变化，证明不漏气，可开始做实验。
否则应该认真检查各接口，直到不漏气为止。
4、不同温度下液体饱和蒸汽压的测定：
A、将平衡管浸入盛有蒸馏水的大烧杯中，并使其全部浸没在液体中。
插上电炉加热，同时开冷却水，开启搅拌马达，使水浴中的水温度均匀。
B、关闭活塞9，使活塞8与大气相通。
此时平衡管，压力计，缓冲瓶处于开放状态。
将活塞14通大气，插真空泵电源抽气，把活塞14旋转至与安全瓶相通，抽5分钟，再将活塞14通大气。
拔下电源，此时安全瓶内为负压，待用。
C、随着水浴中液体的温度的不断升高，A球上面的待测液体的蒸汽压逐渐增加，使C管中逐渐有气泡逸出。
本实验所测的液体为纯净的水，所以待测水浴中的水沸腾后仍需继续煮沸5-10分钟，把A球中的空气充分赶净，使待测水上面全部为纯液体的蒸汽。
停止加热，让水浴温度在搅拌中缓缓下降，C管中的气泡逐渐减少直至消失，液面开始下降，B管液面开始上升，认真注视两管液面，一旦处于同一水平，立即读取此时的温度。
这个温度便是实验大气压条件下液体的沸点。
D、关闭活塞8，用活塞9调节缓冲瓶7中的真空度，从而降低平衡管上端的外压，U形压力计两水银柱相差约40mm左右，这时A管中的待测液又开始沸腾，C管中的液面高于B管的液面，并有气泡很快逸出，随着温度的不断下降，气泡慢慢消失，B管液面慢慢升高，在B、C两管液面相平时，说明A、B之间的蒸汽压与外压相等。
立即记下此时的温度和U形压力计上的读数。
此时的温度即外压为大气压减去两汞柱差的情况下液体的沸点。
继续用活塞9调节缓冲瓶的压力，体系产生新的沸腾，再次测量蒸汽压与外压平衡时的温度，反复多次，约10个点。
温度控制在80C以上，压差计的水银柱相差约400mm左右为止。
为了测量的准确性，可将缓冲瓶放空，重新加热，按上述步骤继续重复测量两次。
实验结束时，再读取大气压，把两次记录的值取平均。
5.选取合适的点，用温度计校准控温仪的温度。
五．实验注意事项：
1、平衡管A管和B管之间的空气必须赶净。
2、抽气和放气的速度不能太快，以免C管中的水被抽掉或B管中的水倒流到A管。
3、读数时应同时读取温度和压差。
4、使用真空泵时的注意事项
使用真空泵时，特别是关真空泵时，一定要防止真空泵中的真空油被吸入大真空瓶中去，要保证真空泵的出口连通大气时才能关真空泵。
就本实验而言，要保证大真空瓶上的三通活塞处于“”状态时才能切断真空泵的电源。
【实验结果与讨论】
一．实验结果
1.实验温度范围内环己烷的平均摩尔汽化热
∆vapHm=R*|K|=8.314J·mol-1·K-1*3915.54=32.55kJ·mol-1·K-1
2.环己烷的正常沸点为：
T=353.26K
即t=80.11℃
查阅资料得，环己烷的正常沸点：
80.74°C（354K）所得结果略偏低
二.结果分析
测得沸点与资料很接近但仍偏低，分析误差来源如下：
1.克拉伯龙-克劳修斯方程建立过程中有多个条件：
将蒸汽视为理想气体，在汽化过程前后忽略液体的体积，且在一定温度范围内认为摩尔汽化热为常数。
而理想气体仅是理想化的模型，汽化过程之前的液体也占据一定的体积，而且摩尔汽化热实际上是随温度变化而变化的。
以上都会引起lnP~1/T曲线对线性的偏离。
2.动态法中，判断气液相平衡的标志是两边液面相平。
实际上相平时并不是严格静态的平衡。
而且人眼观察液面也会引入误差。
本实验中负责观察三组液面的同学没有变，适当减小了因个体判断差异引起的误差。
3.实验中使用搅拌器加快对流，尽量使体系温度一致，但无法保证温度完全的一致。
而且搅拌器引起的晃动也会影响液面相平的观察。
4.实验之前有5~10分钟排空气的过程，但可能有少量空气不能完全排出，由公式可知位排净的空气也会对实验结果产生影响.
5.实验中需要直接读取的数据是U形气压计的刻度、温度计的读数。
气压计刻度的最小分度值Δh=0.5mm，温度计的最小分度值ΔT=0.05℃，实验者以及眼睛的视觉差异都会带来读数误差。
另外，控温仪是电子设备，受外界影响因素干扰较大。
以上可以通过指定读数者、对控温仪进行校正来减小误差。
6.测量的环己烷纯度有限，其中的少量杂质引起沸点上的偏差。
三、实验总结
1.实验时可以采取方法略加速降温过程，提高效率，如：
用湿毛巾擦拭大烧杯外壁，但要注意液面快要相平时停止，以尽量保证气液相的平衡。
或通过开窗等加速空气对流。
2.对温度计的校正可以伴随一组测量进行，但要密切关注液面的状态。
3.分工需明确，同一种数据指定一个同学完成，可以减小误差。
【参考资料】
《物理化学实验》崔献英等编著中国科学技术大学出版社
《物理化学》傅献彩等编高等教育出版社
维基百科-环己烷
【附：
实验数据与处理】
一.实验条件
大气压
实验前（mmHg）
试验后（mmHg）
平均值（mmHg）
756.26
755.26
755.76
表一实验时大气压
·气压换算：
101.325kPa=760mmHg
·温度换算：
T=273.15K+t
二..气压及温度原始数据
1.第一组：
气压差/cmHg
P/cmHg
P/kpa
温度/℃
T/K
0
75.58
100.73
78.90
352.05
4.8
70.78
94.34
76.30
349.45
8.7
66.88
89.14
74.90
348.05
12.1
63.48
84.61
73.00
346.15
14.8
59.78
79.67
71.30
344.45
19.1
55.48
73.94
69.00
342.15
23.0
52.58
70.08
67.50
340.65
26.6
48.98
65.28
65.60
338.75
30.7
44.88
59.82
62.80
335.95
35.6
39.98
53.29
60.00
330.15
表二第一组实验数据及处理
·以测得的蒸汽压p对温度T作图：
图一第一组实验数据p-T图线
从图中均匀地读取十个点的坐标，整理得：
T/K
P/Pa
1/T（1/K）
Ln（P/Pa）
1
329.34
51686.9
0.0030364
10.853
2
332.11
55004.6
0.0030111
10.915
3
334.88
59097.5
0.0029861
10.987
4
337.64
63965.9
0..0029173
11.066
5
340.41
69609.6
0.0029376
11.151
6
343.17
76028.6
0.0029140
11.239
7
345.94
83223.0
0.0028907
11.329
8
348.71
91192.7
0.0028677
11.421
9
351.47
99937.8
0.0028452
11.512
10
354.24
109458.3
0.0028229
11.603
表三第一组实验数据lnP~1/T
图二第一组实验数据lnP~1/T图
LinearRegressionforData1_B:
Y=A+B*X
ParameterValueError
------------------------------------------------------------
A21.60720.27027
B-3551.8333492.42078
------------------------------------------------------------
RSDNP
------------------------------------------------------------
-0.997640.019629<0.0001
------------------------------------------------------------
第一组拟合直线方程:
lnP=-3551.8/T+21.61
2.第二组
气压差/cmHg
P/cmHg
P/kpa
温度/℃
T/K
0
75.58
100.73
79.40
352.55
4.6
70.98
94.60
77.30
350.45
9.3
66.28
88.34
75.30
348.45
11.5
64.08
85.41
74.25
347.35
15.3
60.28
80.34
72.25
345.35
19.1
56.48
75.28
70.30
343.45
23.1
52.48
69.95
68.20
341.35
25.0
50.58
67.41
65.80
338.95
31.0
44.58
59.42
63.40
336.55
34.6
39.98
52.37
61.00
334.15
表三第二组实验数据及处理
以测得的蒸汽压p对温度T作图：
图三第二组实验数据p-T图线
·
从图中均匀地读取十个点的坐标T/K:
T/K
P/Pa
1/T（1/K）
Ln（P/Pa）
1
332.31
48164.31
0.0030092
10.782
2
334.63
54044.4
0.0029884
10.898
3
336.96
59924.49
0.0029677
11.001
4
339.28
65804.58
0..0029474
11.094
5
341.61
71684.67
0.0029273
11.180
6
343.93
77564.76
0.0029076
11.259
7
346.26
83444.85
0.0028880
11.332
8
348.58
89324.94
0.0028687
11.400
9
350.90
95205.03
0.0028498
11.464
10
353.23
101085.12
0.0028310
11.524
表四第二组实验数据lnP~1/T图
作出lnP对1/T的图并拟合：
图四第二组实验数据lnP~1/T图
LinearRegressionforData1_B:
Y=A+B*X
ParameterValueError
------------------------------------------------------------
A23.263020.37833
B-4136.30771129.74701
------------------------------------------------------------
RSDNP
------------------------------------------------------------
-0.996570.0239<0.0001
------------------------------------------------------------
第二组拟合直线方程:
lnP=-4137.31/T+23.26
3.第三组
气压差/cmHg
P/cmHg
P/kpa
温度/℃
T/K
0
75.58
100.73
79.50
352.65
4.1
71.48
95.27
77.80
350.95
8.5
67.08
89.40
75.70
348.85
11.4
64.18
85.54
74.30
347.45
15.3
60.28
80.34
72.30
345.45
19.3
56.28
75.01
70.10
343.25
24.4
51.18
68.21
67.25
340.40
26.9
48.68
64.88
65.80
338.95
30.8
44.78
59.68
63.50
336.65
34.8
40.78
54.35
60.80
333.95
表五第三组实验数据及处理
以测得的蒸汽压p对温度T作图：
图五第三组实验数据p-T图线
从图中均匀地读取十个点的坐标:
T/K
P/Pa
1/T（1/K）
Ln（P/Pa）
1
332.08
48228.1
0.0030113
10.784
2
334.44
54068.3
0.0029901
10.898
3
336.80
59908.4
0.0029691
11.006
4
339.17
65748.5
0..0029484
11.094
5
341.53
71588.7
0.0029280
11.179
6
343.89
77428.8
0.0029079
11.257
7
346.25
83269.0
0.0028881
11.330
8
348.61
89109.1
0.0028685
11.398
9
350.98
94949.3
0.0028491
11.472
10
353.34
100789.4
0.0028301
11.521
表六第三组实验数据lnP~1/T图
作出lnP对1/T的图并拟合：
图六第三组实验数据lnP~1/T图
PolynomialRegressionforDATA1_B:
Y=A+B1*X
ParameterValueError
------------------------------------------------------------
A23.035880.36598
B1-4057.50667125.48984
------------------------------------------------------------
R-Square（COD）SDNP
------------------------------------------------------------
0.993350.022629<0.0001
第三组拟合直线方程:
lnP=-4057.51/T+23.04
4.由直线斜率计算出被测液体在实验温度范围内的平均摩尔汽化热：
·三组数据的斜率：
K1=-3551.8
K2=-4137.31
K3=-4057.51
·平均值
K=-3915.54
由公式可以求出环己烷在试验温度范围内的摩尔汽化热：
∆vapHm=R*|K|=8.314J·mol-1·K-1*3915.54=32.55kJ·mol-1·K-1
5.由曲线求得环己烷的正常沸点：
·三组数据的截距：
A1=21.61
A2=23.26
A3=23.04
·平均值：
A=22.64
代入A=22.64，p=101325Pa，求得
T=353.26K
即t=80.11℃
与文献值比较：
80.74°C（354K）略偏小
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