液体饱和蒸气压的测定.docx

液体饱和蒸气压的测定液体饱和蒸气压的测定1、实验目的及原理1.1、实验目的1) 运用克劳修斯-克拉贝龙方程，求出所测温度范围内的平均摩尔气化焓及正常沸点。2) 掌握测定饱和蒸汽压的方法。1.2、实验原理在通常温度下(距离临界温度较远时)，纯液体与其蒸气达平衡时的蒸气压称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称为蒸气压。蒸发1 mol液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔汽化热。 液体的蒸气压与液体的本性及温度等因素有关。液体的饱和蒸气压与温度的关系用克劳修斯-克拉贝龙方程式表示： 式中，R为摩尔气体常数；T为热力学温度；为在温度T时纯液体的摩尔汽化热。若将 近似作为常数，积分式得： 其中，若将对作图，则可以看出m是对的斜率，满足，即。这样就可以求得该温度下液体的摩尔汽化热。令p=101.325 kPa，那么就可以得到，一个温度值，这个温度即为正常沸点。2、实验条件、用品、操作2.1实验条件及用品实验环境： 温度：T=17.8 湿度：25.8% 大气压：101.70 kPa装置：等压管、稳压瓶、5000 ml负压瓶、恒温槽、2XZ-1真空泵、LZ-P1压力（绝压）计、数显温度仪、D8401-ZH型电动搅拌器、加热器、干燥管、温度计、5000 ml烧杯、锥形瓶、干燥管（内置硫酸铜和氢氧化钠）。乙醇（分析纯）。实验装置图如下：图一 纯液体饱和蒸气压测定装置2.2实验步骤1装置与装样：按图1安装好整套装置。2为冷凝管，使液体冷凝回流、只将空气排出，也防止大量液体蒸汽被吸入真空泵中；BC处管的口径变大可以防止液体由于两侧压力不同而被吸入等压管或者稳压管内。2检漏：将H活塞关上，打开活塞I、F和G，用真空泵抽气到压力计显示的气压为2530 kPa时，关上I、F和G；等片刻后，利用压力计检查系统是否漏气：分别依次打开活塞I和G，观察压力计的气压变化情况。3升温：开动搅拌器，调节加热器电压在160 V左右。4排气：当水浴温度超过50时，等压管内液体开始沸腾，即大量气泡通过液栅由C管排出；沸腾3-5分钟（每秒钟约排出3-4个气泡）就可以除去AB间的空气及溶在液体中的空气；注意调节加热器电压，控制恒温槽温度在52附近。5蒸汽压的测定： 排气完后，打开活塞H，使体系通过毛细管缓慢吸入空气逐渐升高压力，直到稳压瓶中的压力快接近蒸气压时为止。然后调节调压器，改变加热电压，直到BC液面相对位置不变，此时表示温度己恒定，等压管和稳压管的温度相同，没有热交换。最后将B、C液面基本调平，这是稳压管的气压就等于等压管内的气压，稳定1 min左右，迅速记下温度T，压力计的读数P。继续用加热器加热水浴，加热过程中适当调节活塞H，使液体不激烈沸腾，当温度升高34 时再重复上述步骤。直升温到75附近。总共测67个点。6结束：实验完后，将系统与大气相通，关闭调压器，整理实验台。将实验数据输入计算机进行计算。7、注意事项： 1）等压管中AB液面间的空气必须排净。2）在操作过程中要防止液体倒吸，即c处气体通过液栅吸入AB的空间。一旦倒吸，重新排气。3）在升温时，需随时调节活塞H，避免液体激烈沸腾。2.3实验数据、现象和分析2.3.1原始数据及处理表一 测量温度下乙醇的饱和蒸气压实验序号T（）T（K）p（kPa）1/T(10-3 K-1)ln(p/Pa)152.66 325.81 30.09 3.0693 3.404 255.20 328.35 38.09 3.0455 3.640 续表 测量温度下乙醇的饱和蒸气压357.91 331.06 42.61 3.0206 3.752 460.53 333.68 47.97 2.9969 3.871 563.22 336.37 54.06 2.9729 3.990 665.18 338.33 59.07 2.9557 4.079 768.40 341.55 67.81 2.9278 4.217 871.88 345.03 78.65 2.8983 4.365 974.65 347.80 88.14 2.8752 4.479 2.3.2实验结果=41.61 kJ/mol 令p=101.325 kPa，则可以得到tb=78.022.3.3对实验现象的解释和数据结果的讨论与理论值vapHm=42.60 kJ/mol和tb=78.34相比，实验结果中，蒸发焓偏小、沸点偏小。实验曲线（黑线）与将理论值带入式得到的曲线（红线）对比如图所示。误差分析：1、等压瓶中存在空气：分析见思考题4，通过计算可以发现实验中气压测量的误差小于千分之一。那么造成数据点的误差不会超过0.1%。2、测量时读数的偏差：在测量过程中，数显温度计和气压计的读数难以在1 min内始终稳定，估计存在0.03 和0.02 kPa的读数误差，造成的单个数据的误差在0.4%左右，当然由于这是随机误差，经过直线拟合之后计算得到的实验值的误差估计会降低至0.1%。故计算得到的直线与理论直线上同横坐标或者纵坐标的点的偏差应该在0.1%以下。3、理论计算中没有考虑液体体积：在利用式推导式的过程中，利用了液体体积远小于气体体积的结论进行近视，由于酒精的密度为0.8 g/ml，而蒸汽的密度在10-3 g/ml的数量级上，故造成的误差也在0.1%以下。4、以上的几点可以说明当T很大时，理论预测和实验结果所存在的偏差；但是观察两条曲线可以发现：（1）总体上讲，偏差是随着温度的下降而增大的，是存在规律的；（2）最开始测量的数据的偏差在1 %甚至更大。以上两点是用前面几点无法解释的，于是本人考虑了蒸发焓随着温度变化所造成的影响。一下是具体分析：实验指导书所给的蒸发焓的理论值为298.15 K情况下的。如果考虑到温度引起的变化，利用积分形式的基尔霍夫公式rHmT2=rHmT1+T1T2rCp,mdT假设rCp,m随着温度变化不大（仅做一级修正），那么计算可以得到rCp,m=65.44-111.5=-46.06 kJ/molrHmT2=42600-46.06T-298.15kJ/mol带入式重新积分可以得到（计算过程小数位数尽量多取几位）lnpPa=63.2779-5.54lnT-6775.6542T同样，本人计算了对rCp,m进行二级修正（考虑热容随温度的变化）得到的公式，比较复杂，不在报告中列出。为了便于观察，可以取与测量过程相同的温度值带入零级修正（实验指导书中采用的公式）、一级修正公式、二级修正公式进行比较，如以下图表所示：表二 实验测量和不同精度的理论公式中的ln(p/Pa)- 1/T关系1/T(10-3 K-1)实验值零级修正一级修正二级修正3.0693 10.407 10.376 10.425 10.405 3.0455 10.548 10.498 10.543 10.524 3.0206 10.660 10.626 10.667 10.650 2.9969 10.778 10.747 10.784 10.768 2.9729 10.898 10.870 10.902 10.888 2.9557 10.986 10.959 10.986 10.975 2.9278 11.124 11.101 11.122 11.114 2.8983 11.273 11.253 11.266 11.261 2.8752 11.387 11.371 11.378 11.376 通过图表可以看出，经过修正之后得到的值与实验得到的拟合直线的差距很小，且分别位于拟合直线上下（由于修正级数低的原因，会出现n级修正与n+1级修正一个偏大、一个偏小的情况），这些差距已经可以用前面的误差分析进行解释了；并且随着修正级数的上升，差距可能会进一步减小（不用修正值与单个数据点比较的原因是，单个数据的的读数误差在1%的数量级，随机误差较大，拟合后的直线更加可信）。当然，本实验的目的是计算实验测试段平均的蒸发焓，而文献值是298.15 K的数据，文献值和实验值出现偏差也是可以接受的，。如果进行修正后进行计算，得到的蒸发焓lgHm298.15 K将会与文献值相差很小。2.3.3实验结论lgHm=41.60 kJ/molTb=78.02实验操作和计算结果可信，但是计算过程中的近似造成了1%数量级左右的偏差。利用对热容修正后的公式计算可以得到更加准确的结果。希望本实验可以改进计算方法，得到更加准确的结果。3.思考与讨论6.1 说明饱和蒸气压、正常沸点、沸腾温度的含义。饱和蒸气压：在一定温度下，容器中液体与其蒸汽的体系达到平衡状态时的蒸汽的分压。沸腾温度：液体的饱和蒸气压与外界气压相等时，液体的温度。正常沸点：液体的饱和蒸气压为一个大气压时，液体的温度。6.2 克拉贝龙-克劳修斯方程在什么条件下才能应用？为什么本实验测得的只是平均蒸发焓？条件：等温等压、无非体积功的纯物质相变过程；相变过程为气液或者固液相变，凝聚相的体积相比较于该状态下的气体体积很小，且气体可以视作理想气体。原因：因为在对克拉贝龙-克劳修斯方程进行积分得到1/T与ln(p/Pa)的线性关系时，要求蒸发焓随着温度变化较小，而本实验温度变化不大，实验条件下蒸发焓变化小，是近似为不变的，故数据拟合计算后得到的蒸发焓是实验温度段中的平均蒸发焓。6.3 稳压瓶、负压瓶的作用是什么？什么时候需用旋塞H与G？稳压瓶的作用是增大气压计测量气体的体积，以保持测量数据的稳定性，使数据变化慢，便于调节。负压瓶的作用是可以储存低压气体，用于降低稳压瓶的气压。旋塞G、H的作用：当稳压瓶的气压高于等压瓶的气压时，打开旋塞G，气体流入负压瓶，稳压瓶气压降低；当稳压瓶气压低于等压瓶气压时，打开旋塞H，空气流入稳压瓶，气压升高。6.4 计算证明：赶气泡35min后AB空间的空气确已除净。设等压瓶中气体的物质的量为n，其中空气的物质的量分数为x空气，设气体气压为p，总体积为V。假设：气体均为理想气体；开始时气体内全为空气，气压为一个大气压；气体的排出和液体的蒸发过程达到平衡，速度均为v=dVdT；气体生成后与空气混合的时间很短可以忽略。在TT+dT的时间内，等压瓶中空气的物质的量的变化为dn空气=-x空气pdVRT=-x空气pvdtRT=-n空气npvdtRT那么写成微分形式有dln(n空气)dt=-pvnRT做不定积分，并代入初始条件n空气T=0=n有n空气=ne-pvtnRTp空气=pe-pvtnRT=pe-vtV保守地说若按照气泡为半径是0.5cm的圆形，每秒冒出3个气泡来计算，可以得到v=1.5710-6m3/s若排气的时间为3 min，则p空气=101.325e-1.5718025=1.2510-3kPa这一估计值小于本实验中压力计的最小分度10-2 kPa。并且考虑到以下几点：容器中开始时空气浓度不为1；气压可能