劉振華 魯偉 邵則淮

【摘 要】純液體飽和蒸氣壓的測定實驗中，有多年教學經驗的教師采用通俗易懂的公式兼圖解的方式進行講解原理，強調實驗的關鍵點和注意事項，把難獲得的實驗點數(shù)據用啟發(fā)式及思考題方式來教授，達到了明顯的師生互動教學效果。文章對實驗裝置中改進部分作了分析，既可保證實驗精度， 降低實驗消耗費用， 又能避免環(huán)境污染。

【關鍵詞】純液體飽和蒸汽壓測定實驗 ? ? 改進 ? ?靜態(tài)法則

純液體飽和蒸汽壓測定實驗是物理化學的經典實驗，由于它實用性強，理論和操作要求高，至今是許多高校必做的實驗之一。

筆者在多年從事物理化學實驗準備及教學工作中 ，在原有實驗裝置的基礎上，對不適合及使用起來不方便的實驗裝置進行更新，經過多屆學生的使用，取得了較好的教學效果。十多年來，筆者對在實驗教學中出現(xiàn)的新問題積極研究，在實驗課的講解和指導實驗過程中積累了一些經驗與同行們共享。

一、改進方面

（一）傳統(tǒng)自制的水銀壓力計雖然讀數(shù)正確，但體積太大，所需水銀量也大，組裝時易產生不安全因素，學生使用不小心折斷或敲破玻璃管時，就會引起很大的回收及處理灑落在桌上和地上水銀的麻煩，整個安裝實驗裝置很復雜?，F(xiàn)已改為DPCY-2C型飽和蒸汽壓壓力儀，經多年使用效果很好，量程選擇靈活，系統(tǒng)連接方便，既安全又正確快速。

（二）改傳統(tǒng)的固定壓力溫降法為固定溫度升壓法，前者如減壓系統(tǒng)稍有漏氣就較難測準數(shù)據。

（三）改自制簡易的水俗溫度攪拌裝置為HK-1D型恒溫水槽，前者熱得快加熱不穩(wěn)定且水俗溫度場分布不均，自然冷卻速度慢，后者攪拌裝置和數(shù)顯溫度既美觀又方便調節(jié)和正確讀數(shù)。

二、實驗原理

在一定溫度下， 與純液體處于平衡狀態(tài)時的蒸氣壓力， 稱為該溫度下的飽和蒸氣壓。 純液體的蒸氣壓是隨溫度變化的， 其關系可用 Clausius- Clapeyron方程式表示： ?dlnP/dT=△Hm/RT2。

式中P為液體在溫度T時的飽和蒸汽壓（Pa），T為熱力學溫度（K），△Hm為液體摩爾氣化熱（J·mol-1），R為氣體常數(shù)。溫度變化不大時，△Hm可視為常數(shù)，將上式積分可得：lnp=-△Hm/RT+A=-B/T+A。

式中A為積分常數(shù)，此數(shù)與壓力P的單位有關。由上式可見，若在一定溫度范圍內，測不同溫度下的飽和蒸汽壓，以lnp對1/T作圖，可得一直線，直線的斜率為-△Hm/R， 而由斜率可求出實驗溫度范圍內液體的平均摩爾氣化熱△Hm。

當外壓不同，液體的沸點也不同，液體的蒸汽壓等于101.325KPa時的沸騰溫度稱為液體的正常沸點。從圖中也可求得該液體的正常沸點。

本次實驗采用靜態(tài)法測定環(huán)己烷的飽和蒸汽壓，通常是用平衡管進行測定的。平衡管由 A 球和 U 形管 B、C 連接而成（如圖1所示），待測物質置于球管內，U形管中放置被測液體，將平衡管和抽氣系統(tǒng)、壓力計連接，在一定溫度下，當U形管中的B、C液面在同一水平時，表明U形管兩臂液面上方的壓力相等，記下此時的溫度和壓力，則壓力計的示值就是該溫度下液體的飽和蒸汽壓，或者說，所測溫度就是該壓力下的沸點?？梢姡闷胶夤芸梢垣@得并保持體系中為純試樣的飽和蒸汽，U形管中的液體起液封和平衡指示作用。

圖1 平衡管示意圖

本實驗的具體實驗裝置見圖2。

圖2 實驗裝置圖

1.連冷凝管的平衡管;2.攪拌器;3.溫度計;4冷阱;5.DPCY-2C型飽和蒸汽壓壓力儀;6.緩沖儲氣罐;7.接真空泵（G為抽氣活塞;H為放空活塞）

三、靜態(tài)法測定原理講解

（一）講解時一定要特別強調液封有兩個作用：

1.阻止C管上部的空氣進入A球內;

2.讀數(shù)時起平衡指示作用，因此實驗時無論何時都要保持液封的存在。

（二）實驗時有三種情況

1.C管液面高于B管液面：

C面>B面，此時液體充分沸騰，C管液面高于B管h高度，B、C二管取一個水平等壓面，則PC=P外+ρgh=PB=PA= P飽。式中P外對應的是真空泵抽空到緩沖儲氣罐中的壓力，ρ是待測液體的密度，P飽是某一溫度下純液體達到氣液相平衡時的飽和蒸汽壓。

2.C管液面等于B管液面：則PC=P外=PB=PA = P飽

根據靜態(tài)法原理要使B、C二管相平才能讀數(shù)，而PA在一定溫度下是個定值。因此要使h=0成立，必須改變P外，在這里應增大P外，由于是減壓系統(tǒng)，增大P外意味著減壓的程度小一點，具體操作時稍微轉動H放空活塞漏入小量空氣就會觀察到B、C二管相平，快速讀出此時的T和P表，而真實的P飽=P外=P大氣壓-P表，此時應快速調高恒溫槽溫度，等到達到設定溫度時液體再次沸騰，再次稍微轉動H放空活塞漏入小量空氣就會觀察到B、C二管相平，這樣就能獲得第二組數(shù)據，依次獲得40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃對應下的T和P表。

3.C管液面低于B管液面：

C面B面。本實驗的關鍵就是始終使C面≥B面，具體操作是漏入空氣使BC相平，讀數(shù)后立即①調高水俗溫度;②減壓。本實驗選擇前者（后者較難控制，對操作控制好的實驗者本次實驗只需減壓一次就可。）

（三）大氣壓下的沸點測定

幾乎所有的實驗教材都沒有說明具體怎么操作，只是指明當體系完全與大氣相通時（壓力計讀數(shù)為0KPa），記錄B、C液面相平時的水俗溫度。對此學生們很有困難，不知如何下手，因前面的數(shù)據都是通過漏入小量空氣使B、C相平后讀數(shù)的，可現(xiàn)在減壓裝置的去除已無法漏入空氣，但必須使B、C相平才能讀數(shù)。

我們把這樣的測定作為實驗思考題來講解的，首先提示環(huán)己烷大氣壓下的沸點通常在80℃～81℃，一切想增加或減少外壓的方法是無效的;其次提醒大家設計的方法必須符合原理且可操作性，然后要求學生在前面做數(shù)據的同時要設計出實驗方案，尤其是在等待升溫的過程中同組同學可相互討論。就這樣，學生們的實驗積極性就調動起來了，他們開始動腦筋積極思考并相互討論，達到了本次實驗的教學效果。

經過歸納與匯總，學生們設計了以下幾種方案來測定大氣壓下環(huán)己烷的沸點：

1.在做完了70℃下氣液相平衡時的T和P表后，實驗者要迅速重新設定水的溫度為81℃，并在仔細觀察升溫過程中要緩慢轉動H放空活塞漏入小量空氣，在接近79℃時必須使壓力測量儀讀數(shù)為零，此時再觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

2.在做完了70℃下氣液相平衡時的T和P表后，實驗者要一次性地轉動H放空活塞與大氣相通并迅速重新設定水的溫度為81℃，待水的溫度達到81℃時樣品液體是充分沸騰的，此時C管液面高于B管液面，必須重新設定水的溫度為79℃，這樣加熱器就不會再工作了，只要慢慢等待自然冷卻，待觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

3.在做完了70℃下氣液相平衡時的T和P表后，實驗者要一次性地轉動H放空活塞與大氣相通并迅速重新設定水的溫度為81℃，待水的溫度達到81℃時樣品液體是充分沸騰的，此時C管液面高于B管液面，你必須把[控溫]按鍵切換到[設定]按鍵，這樣加熱器就不會再工作了，你只要慢慢等待自然冷卻，待觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

4.在做完了70℃下氣液相平衡時的T和P表后，實驗者要一次性地轉動H放空活塞與大氣相通并迅速重新設定水俗溫度為81℃，待水俗溫度達到81℃時樣品液體是充分沸騰的，此時C管液面高于B管液面，必須重新設定水俗溫度為79℃，這樣加熱器就不會再工作了，只要慢慢加入冷水冷卻，待觀察到B、C相平后就可讀數(shù)。

通過比較，學生們測定的大氣壓下的環(huán)己烷沸點數(shù)據在80℃～81℃，符合實際數(shù)據。為何要用冷卻的方法才能有效呢？這是因為水的溫度達到81℃時C管液面高于B管液面，要使B、C管相平，這不正好是前面40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃實驗后升溫的逆過程嗎？

四、數(shù)據記錄和處理

（一）大氣壓力：平均值：102.56KPa

表一 實驗數(shù)據記錄和處理表

次數(shù) 溫 ? ? 度 壓力測

量儀讀

數(shù) 環(huán)已烷的飽和蒸氣壓

設定

t/℃ T/K 1/T103 E/KPa p/KPa lnp

1 40 313.14 3.193 -79.45 23.11 3.14

2 45 318.13 3.143 -76.41 26.15 3.264

3 50 323.11 3.095 -67.1 35.46 3.568

4 55 328.13 3.048 -60.78 41.78 3.732

5 60 343.12 3.002 -52.23 50.33 3.919

6 65 338.11 2.959 -42.79 59.77 4.09

7 70 343.11 2.915 -31.78 70.78 4.26

8 80.23 353.38 2.83 0 102.54 4.63

圖3 lnP-1/T 關系圖

（二）在坐標紙上繪制lnP-1/T關系圖，從圖3中可求出A和B，從而求出實驗溫度范圍內的平均汽化熱△Hm及t正常

A=16.37，B=4.150

△Hm=4.150×8.314=34.50KJ/mol， ? 正常沸點時，P=101.325KPa，所以t正常=1/2.832×103-273.15=79.98℃，通過查文選T正常=80.75℃，實驗相對誤差=0.95%。

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