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        液體飽和蒸汽壓的測定實驗條件初探

        2018-03-06 07:33:08肖文敏鄭玉敏趙千惠
        赤峰學院學報·自然科學版 2018年2期
        關鍵詞:蒸汽壓抽氣沸點

        肖文敏,鄭玉敏,趙千惠,趙 波,楊 靜

        (1.赤峰學院 化學化工學院,內(nèi)蒙古 赤峰 024000;2.內(nèi)蒙古光電功能材料重點實驗室,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

        在密閉條件中,在一定溫度下,與液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓強稱為飽和蒸氣壓[1-4].同一物質在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓,并隨著溫度的升高而增大.純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮捍笥谌芤旱娘柡驼魵鈮?液體飽和蒸汽壓可用于計算空氣中的相對濕度,也是測定摩爾汽化熱所必須測定的數(shù)據(jù)[5].同時也是化學相關專業(yè)本科生在物理化學實驗中必做的一個重要實驗[3].液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種[4]:動態(tài)法,在不同外部壓力下測定液體的沸點;飽和氣流法,在液體表面上通過干燥的氣流,調節(jié)氣流速度,使之能被液體的蒸汽所飽和,然后進行氣體分析,計算液體的蒸汽壓;靜態(tài)法測定液體飽和蒸氣壓,是指在某一溫度下,直接測量飽和蒸氣壓,此法一般適用于蒸氣壓比較大的液體.靜態(tài)法測量不同溫度下純液體飽和蒸氣壓,有升溫法和降溫法二種[6].本次實驗采用升溫法測定不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓,根據(jù)近幾年學生液體飽和蒸汽壓的測定實驗的實驗數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn),誤差都相對較大.本文通過對不同樣品,不同溫度,不同抽氣時間的測定,預期尋找出誤差來源,以其對液體飽和蒸汽壓的測定實驗的理論及實驗教學有所幫助.

        1 實驗原理[3-4]

        通常溫度下(距離臨界溫度較遠時),純液體與其蒸氣達平衡時的蒸氣壓稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓,簡稱為蒸氣壓.蒸發(fā)1mol液體所吸收的熱量稱為該溫度下液體的摩爾汽化熱.

        液體的蒸氣壓隨溫度而變化,溫度升高時,蒸氣壓增大;溫度降低時,蒸氣壓降低,這主要與分子的動能有關.當蒸氣壓等于外界壓力時,液體便沸騰,此時的溫度稱為沸點,外壓不同時,液體沸點將相應改變.當外壓為101.325kPa時,液體的沸點稱為該液體的正常沸點.

        液體的飽和蒸氣壓與溫度的關系用克勞修斯-克拉貝龍方程式表示:

        式中,R為摩爾氣體常數(shù);T為熱力學溫度;ΔvapHm為在溫度T時純液體的摩爾氣化熱.

        假定ΔvapHm與溫度無關,或因溫度范圍較小,ΔvapHm可以近似作為常數(shù),積分上式,得:

        其中C為積分常數(shù).由此式可以看出,以lnp對1/T作圖,應為一直線,直線的斜率為由斜率可求算液體的ΔvapHm.

        2 實驗部分

        2.1 實驗儀器及藥品

        飽和蒸氣壓測量裝置教學試驗儀1套(包括恒溫水槽1臺、等壓計1支、數(shù)字壓力計1臺)真空泵1臺及附件

        精密溫度溫差測量儀(JTD-2A)1臺

        乙醇(AR)環(huán)己烷(AR)異丙醇(AR)甲醇(AR)

        2.2 實驗裝置圖

        圖1 液體飽和蒸氣壓測定裝置圖

        2.3 實驗步驟

        2.3.1 安裝儀器 取下平衡管8,洗凈、烘干,裝入待測液.使A球內(nèi)有2/3體積的液體.并在B,C管中也加入適量液體,將平衡管接在冷凝管的下端.

        2.3.2 抽真空、系統(tǒng)檢漏 將進氣閥2打開,閥1關閉.抽氣減壓至壓力計顯示壓差為-80KPa時關閉進氣閥和閥2,如壓力計示數(shù)能在3-5min內(nèi)維持不變,則系統(tǒng)不漏氣.

        2.3.3 打開飽和蒸氣壓測定教學試驗儀電源開關,預熱5min后,調量綱旋鈕至“kpa”檔.使飽和蒸氣壓測定教學試驗儀通大氣,再按下“清零”鍵.

        2.3.4 關閉大氣閥,打開減壓閥,設定溫度25℃,進行加熱.當發(fā)現(xiàn)氣泡成串冒出時,乙醇開始沸騰,關閉減壓閥,沸騰一會后,緩慢開啟大氣閥(增壓閥),直至等壓計U型管兩端液面平齊,迅速關閉增壓閥,記錄此時飽和蒸汽壓教學以上的壓差值△p.

        2.3.5 調節(jié)恒溫水浴槽的溫度,每次升溫5℃,待系統(tǒng)恒溫后,液體將再次沸騰;在緩慢開啟增壓閥,緩緩放入空氣,直至等壓計U型管倆端液面平齊.迅速關閉旋塞,記錄此時飽和蒸氣壓教學試驗儀上的壓差值△p.

        2.3.6 重復4中的操作,直至溫度上升至50℃,則停止加熱.

        2.3.7 實驗結束后,打開減壓閥和增壓閥,關閉教學實驗儀,恒溫水浴槽的開關,將系統(tǒng)排空,然后關閉真空泵,切斷電源.

        所有實驗均在室溫為22℃,壓力94.45kpa下完成.

        3 結果與討論

        3.1 不同樣品對飽和蒸汽壓測定實驗的影響

        圖2為乙醇,甲醇,異丙醇及環(huán)己烷四個樣品的lnp—1/T線性擬合圖,并給出了四個樣品的擬合公式.表1列出了線性擬合的參數(shù)包括截距,斜率,相關系數(shù)R,通過截距和斜率,利用克勞修斯-克拉貝龍方程式計算了各個樣品的摩爾汽化熱ΔH汽化熱及沸點T沸點.分析相關系數(shù)R在0.990~0.996之間,說明我們做的線性擬合較好,處理數(shù)據(jù)的精度較高.

        圖2 乙醇,甲醇,異丙醇及環(huán)己烷的lnp—1/T線性擬合圖

        表1 四種樣品的線性擬合參數(shù)截距,斜率,相關系數(shù) R,ΔvapHm(KJ/mol),T 沸點(℃),T 理論值(℃),相對誤差

        分析表1的數(shù)據(jù)可知,四個樣品乙醇的相對誤差為2.5%,甲醇的相對誤差為1.0%,異丙醇的相對誤差為4.6%,環(huán)己烷的相對誤差為17.4%,分析這四個樣品的相對誤差,甲醇最小,其次為乙醇,再其次為異丙醇,最大的為環(huán)己烷.因此在實驗室中,甲醇是做飽和蒸汽壓實驗的最佳樣品,其次為乙醇,因為甲醇的毒性要高于乙醇,在實驗室普遍選取乙醇作為樣品.

        3.2 不同溫度對飽和蒸汽壓測定實驗的影響

        表2 不同溫度下測定乙醇的飽和蒸汽壓

        2為分別在 25,35,40,50℃溫度下測定的乙醇液體的飽和蒸汽壓,我們通過將其與理論值比較可知,在25℃時的飽和蒸汽壓最接近理論值,隨著溫度越來越高,和理論值的偏差越來越大,因此,對于液體飽和蒸汽壓測定實驗來說,基礎溫度從低溫開始做,實驗結果較好.

        3.3 不同抽氣時間對飽和蒸汽壓測定實驗的影響

        本文考察了在25℃時,不同抽氣時間對液體飽和蒸汽壓測定實驗的影響,測定方法為:先測定不同抽氣時間的飽和蒸汽壓p,求出其lnp值,在圖1乙醇的擬合曲線圖中找到lnp對應的1/T值,求出其倒數(shù)就得出不同抽氣時間的蒸汽壓下的溫度值.再與25℃相比較,就可得出最佳抽氣時間.數(shù)據(jù)列于下表3.

        表3 不同抽氣時間乙醇的飽和蒸汽壓及沸點

        分析表3 數(shù)據(jù)可知,抽氣時間為1,2,3,4,5min時的沸點分別為 35.3,24.6,34.2,33.2,32.8℃,抽氣為2min中的時候沸點最接近于25℃,其余時間誤差都較大,因此,液體飽和蒸汽壓測定實驗的最佳抽氣時間為2min.

        4 結論

        本文通過靜態(tài)法考察了不同樣品,不同實驗溫度,不同抽氣時間對飽和蒸汽壓的測定實驗的影響,得出如下結論:

        (1)四個樣品乙醇的相對誤差為2.5%,甲醇的相對誤差為1.0%,異丙醇的相對誤差為4.6%,環(huán)己烷的相對誤差為17.4%.這四個樣品的相對誤差,甲醇最小,其次為乙醇,再其次為異丙醇,最大的為環(huán)己烷.因此在實驗室中,甲醇是做飽和蒸汽壓實驗的最佳樣品.

        (2)25,35,40,50℃溫度下測定的乙醇液體的飽和蒸汽壓,與理論值比較可知,在25℃時的飽和蒸汽壓最接近理論值.

        (3)測定不同抽氣時間發(fā)現(xiàn),液體飽和蒸汽壓測定實驗的最佳抽氣時間為2min.

        〔1〕林敬東,閆石,韓國彬,廖代偉.液體飽和蒸汽壓測定實驗的改進[J].實驗室研究與探索,2012,31(3):19~20.

        〔2〕黃燕梅,余在華,周錫波.液體飽和蒸氣壓測定實驗裝置的改進[J].實驗科學與技術,2007,5(4):145~147.

        〔3〕南京大學,等.物理化學實驗[M].北京:高等教育出版社,2014.21-24.

        〔4〕復旦大學,等.物理化學實驗[M].北京:高等教育出版社,1993.35-38.

        〔5〕韓學孟.一種實用的水飽和蒸汽壓擬合方程[J].山西農(nóng)業(yè)大學學報,1996,16(3):278-280.

        〔6〕陳燕芹,等.升溫法與降溫法測定純液體飽和蒸汽壓的對比[J].山東化工,2013,42(9):135-138.

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