物化实验报告-纯液体饱和蒸气压的测定..

一 实验目的一 实验目的 1 明确纯液体饱和蒸汽压和蒸汽压的概念及其与温度的关系 加深对劳修斯 克拉贝 龙 Clausius Clapeyron 方程式的理解 2 掌握静态法测定纯液体饱和蒸汽压的原理及方法 并学会用图解法求纯液体的平 均并学会由图解法求其平均摩尔气化热和正常沸点 3 了解数字式低真空侧压仪 熟悉常用的气压计的使用及校正的方法 初步掌握真 空实验技术 二 实验原理二 实验原理 在一定温度下 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 蒸发一摩尔液体所吸收的热量称为该温度下液体的 摩尔气化热 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 vapHm为在温度T时纯液体的摩尔气化热 在温度变化范围不大时 vapHm可以近似作为常数 积分上得 由此式可以看出 以 lnp对 作图 应为一直线 直线的斜率为 m 由 斜率可求算液体的 vap vapH Hm m Rm Rm 当液体的饱和蒸汽压登月外界压力时 液体沸腾 此时的温度即为该液体的沸点 当 外压为 1atm 1 01325kPa 时 液体的沸点成为正常沸点 测定液体饱和蒸气压的方法很多 本实验采用静态法 是指在某一温度下 直接测量 饱和蒸 气压 此法一般适用于蒸气压比较大的液体 实验所用仪器是纯液体饱和蒸气压测 定装置 如图 3 1 所示 平衡管由 A 球和 U 型管 B C 组成 平衡管上接一冷凝管 5 以橡皮管与压力计相连 A 内装待测液体 当 A 球的液面上纯粹是待测液体的蒸气 而 B 管与 C 管的液面处于同一 水平时 则表示 B 管液面上的 即 A 球液面上的蒸气压 与加在 C 管液面上的外压相等 此 时 体系气液两相平衡的温度称为液体在此外压下的沸点 用当时的大气压减去压力计两 水银面的高度差 即为该温度下液体的饱和蒸气压 四 实验步骤四 实验步骤 1 将纯水倒入等压计中 这部分已由老师装置完毕 检查 U 形管两边处于同一水平 水面接近 B 球底部位置 2 系统气密性检查 关闭直通活塞 旋转三通活塞使系统与真空泵连通 开动真空泵 抽气减压至汞压力 计两臂汞面压差为 53 3kPa 400mmHg 时 关闭三通活塞 使系统与真空泵 大气皆不通 观察压力计示数 如果在 3 分钟内示数维持不变 则表明系统不漏气 否则应逐段检查装 置每个部分 消除漏气原因 3 排除管内的空气 先将恒温槽温度调至 40oC 接通冷凝水 抽气降压至液体轻微沸腾 此时弯管内的空气 不断随蒸气管逸出 速度不宜过快 若过快可适当打开漏入空气 但不应使空气倒灌 如此沸腾 3 分钟 可认为空气被排除干净 4 饱和蒸气压的测定 当空气被排除干净 且体系温度恒定后 打开直通活塞缓缓放入空气 切不可太快 以免空气倒灌入弯管中 如果发生空气倒灌 则须重新排除空气 直至 B 管 C 管中液面 平齐 关闭直通活塞 立即记录此时的温度与压力差 如果放入空气过多 C 管中液面低 于 B 管的液面 须再缓慢抽气 再调平齐 然后 将恒温槽温度升高 5 因温度升高后 液体的饱和蒸气压增大 液体会不断 沸腾 为了避免 B C 管中液体大量蒸发 应随时打开直通活塞缓缓放入少量空气 保持 C 管中液面相对平静 当体系温度恒定后 再次放入空气使 B C 管液面平齐 记录温度和 压差 然后依次每升高 5 测定一次压差 总共测 7 个值 五 实验记录和数据处理五 实验记录和数据处理 1 记录 将测得数据计计算结果列表 室温 24 4oC 气压计读数 102 600kPa 校正后压强校正后压强 102 217kPa102 217kPa 2 根据实验数据作出 lgP 1 T 图 根据斜率求出摩尔汽化热 vapH 与正常沸点 纯水的正常沸点为在一个大气压下 101 3kPa 下的沸点 由上面的回归方程可知 T T正常 正常 374 10K 100 95 374 10K 100 95o oC C vap vapH Hm m Rm 41 04KJ Rm 41 04KJ 3 计算 T正常 vapHm的相对误差 并对数据结果进行讨论 T正常相对误差 Et 374 10 373 15 373 15 100 0 25 vapHm相对误差 Et 41 04 40 63 40 63 100 1 01 六 讨论与思考六 讨论与思考 1 根据测量数据 将校正压力 p 取对数值 lnp 作为纵坐标 以开氏温度倒数 1 T 作为 横坐标 绘制散点图 由出 lnp 1 T 关系图可以看出 直线相关性较高 线性较好 因而 斜率 m 较为准确 可以用于进行平均摩尔汽化热 vapHm与正常沸点T T正常 正常的代入计算 通 次数温度 t 1 T 压强差 p kPa压强 p kPa lnp 140 10 003192338 94 357 8672 062676795 245 080 003142381 92 229 9972 302285048 350 150 003093102 89 5712 6472 537420033 455 060 00304683 86 3315 8872 765501165 560 090 00300084 82 1120 1073 001068013 665 180 002955694 77 125 1173 223544908 770 090 002913413 71 131 1173 437754294 过计算结果 并与参考文献数值比较 相对误差比较小 因此实验数据较为完好 2 实验过程中 进行了两次 第一次实验相对失败 由于在空气漏入时没有控制得当 导致 U 形管中过多的水倒灌入 A 球 以至于 U 形管液面过低难以读数 且空气进入馆内 气密性受到影响 实验不能进行下去 3 在更换了仪器之后 重新开始进行实验 后续进行较为顺利 但在 U 形管调节过程 中 难以控制恰好两边平衡 且平衡后因 A 球内水继续沸腾液面依然会出现差值 故实验 中在调节时适当预留液面差 待 A 球内沸腾后渐渐平衡液面差 则左右液面恰好接近持平 通过多次实验总结经验 掌握了该方法后实验速度较快提高 4 参见数据 纯水的平均摩尔汽化热比文献值要略高 主要原因为该参数是温度的函 数 随着温度变化而变化 实验平均温度约 55 1 比原定平均温度 55 因此比文献值 略高 而正常沸点是在 101 325kPa 下 而本次实验的大气压校正后较标准大气压偏大 因 此测得沸点较文献值高 六 提问与思考六 提问与思考 1 什么是液体的饱和蒸汽压 什么叫正常沸点 液体的沸点与外压有何关系 在密闭条件中 在一定温度下 与固体或液体处于相平衡的蒸气所具有的压力称为饱和蒸 气压 在外压为一个大气压的时候液体的沸点称为正常沸点 液体沸点随着外压增大而增 大 2 本实验方法能否用于测定其它溶液的蒸汽压 为什么 视具体情况而定 一般不可以 因为溶液浓度随着溶剂的蒸发而增大 蒸汽压也因此变化 故难以测量准确 3 等压计 U 形管液体有什么作用 冷凝器有什么作用 U 形管中液体可以用于指示管内蒸汽压与外压平衡的指标 用于等效测量管内气压 用于 冷凝蒸汽 防止蒸汽被抽入真空泵中 4 怎样从数字式低真空测压仪示数得出纯液体饱和蒸汽压 通过 U 形管两边持平 等效地读出外压即等于液体饱和蒸汽压 5 能否在加热情况下检查是否漏气 不能 加热过程中温度不能恒定 气 液两相不能达到平衡 压力也不恒定 6 实验中为什么要防止空气倒灌 若发生倒灌则管内不再是纯液体的蒸汽 测量的将不是纯液体蒸汽压 7 实验时抽气和漏入空气的速度应如何控制 为什么 不论抽气还是漏入空气都应该尽可能地慢 防止气压变化过大在管中变化过于明显 导致 出现倒灌或者爆沸的现象 8 实验时大烧杯中的水为什么一定要淹没等压计的 U 形管 保证整个体系处于同一恒温状态 使得 U 形管左右两边温度相等 才能用外压等效处理为 U 形管内饱和蒸汽压强 雷诺校正 消除体系与环境间存在热交换造成的对体系温度变化的影响 雷诺校正 消除体系与环境间存在热交换造成的对体系温度变化的影响 5 5 数据记录数据记录 1 室温 样品质量和剩余燃烧丝质量 室温 25 50 C 大气压 101 200Kpa 物质点火丝 g点火丝 样品 g样品 g总剩余 g剩余点火丝 g 苯甲酸 1 0 0116 0 6542 0 6426 0 0077 0 0077 萘 0 0112 0 7059 0 6947 0 0053 0 0053 苯甲酸 2 0 0123 0 5167 0 5044 0 0036 0 0036 2 2 热计常数热计常数 C C 计算计算 由图得 苯甲酸 1 T 1 083533 苯甲酸 2 T 0 7907 苯甲酸恒容摩尔燃烧热为 3226 9kj mol n 7 15 2 0 5mol 由 Qv Qp nRT Qv 3 2256 10 3kJ mol 再由 nQv m m 点 Q 点 C T nQ T mQmv C 丝丝 分别代入苯甲酸 1 及苯甲酸 2 的 t 解出 C 求出平均值 C1 15 68394845 C2 16 89593527 C C 16 2899418616 28994186 kJ kJ 3 3 萘的恒容燃烧热萘的恒容燃烧热 Qv mQv m 及恒压燃烧热及恒压燃烧热 Qp mQp m 计算计算 同理由 nQv m m 点 Q 点 C T Qv m C T m 点 Q 点 n 解得 Qv 5190 669045 KJ mol 由 Qp Qv nRT QpQp 5 5195195 6 64464144641 K KJ molJ mol 文献值 Qp 5153 8 KJ mol 故相对误差为故相对误差为 0 812 0 812 7 7 分析与讨论分析与讨论 1 本次实验中 氧弹卡计绝热性能一般 经过雷诺校正后校正值与测量值有较大差别 而 雷诺校正使用的方法为图解法 很大部分的数值通过观察所得 因此即使保证较为准确的 情况下依然存在较大误差 此为仪器造成的误差以及校正方法上的误差 难以消除 2 在实验过程中 尤其在进行苯甲酸的压片过程 由于苯甲酸晶体结构较为难以压实 有 相当部分脱落 导致称量实际样品质量相对不足 尤其第三组数据中 由于苯甲酸的量过 少 反应中温度升高较少 导致进行水的热计常数 C 测量误差较大 也是本次实验误差较 大的一个主要原因之一 在舍弃第三组数据后 热计常数误差相对变小 但仍然较大 出 于实验的严谨性 故保留第三组数据 3 本次实验测得恒压摩尔燃烧热 即反应焓 的数据偏高 主要因为测量前面提及的水的 热计常数偏大 原因已在前面分析 导致最终结果偏高 4 其它实验因素 如点火丝部分氧化 充气放气不充分等原因导致燃烧不充分 氧弹卡计 密封性不足 在密闭之后浸泡入水中有漏气现象 导致测试结果中出现误差 由于原因过 多且复杂 因此不逐一分析 八 思考题八 思考题 1 什么是燃烧热 它在化学计算中有何应用 在 101 kPa 时 1 mol 可燃物完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量 叫做该物 质的燃烧热 单位为 kJ mol 反应热中 H 为负 则为放热反应 为正 则为吸热反应 燃烧热为反应热的一种 其 H 为负值含相同碳原子数的烷烃异构体中 直链烷烃的燃烧 热最大 支链越多燃烧热越小 2 什么是卡计和水的热当量 如何测得 卡计和水当量就是量热仪内筒水温每升高一度所吸收的热量 单位是 焦耳 度 测法 用已知燃烧焓的物质 放在量热计中燃烧 测量其始 末温度 经雷诺校正后 按下式 nQv m m 点 Q 点 C T 即可求出 3 测量燃烧热两个关键要求是什么 如何保证达到这两个要求 实验关键 点火成功 试样完全燃烧是实验成败关键 可以考虑以下几项技术措施 1 试样应进行磨细 烘干 干燥器恒重等前处理 潮湿样品不易燃烧且有误差 压片紧 实度 一般硬到表面有较细密的光洁度 棱角无粗粒 2 点火丝与电极接触电阻要尽可能小 注意电极松动和铁丝碰杯短路问题 3 充足氧 1 1 5MPa 并保证氧弹不漏氧 保证充分燃烧 4 注意点火前才将二电极插上氧弹再按点火钮 否则因仪器未设互锁功能 极易发生 按搅拌钮或置 0 时 误点火 样品先已燃烧的事故 4 实验测量到的温度差值为何要雷诺作图法校正 还有哪些误差来源会影响测量的结果 实际上 热量计与周围环境的热交换无法完全避免 它对温度测量值的影响可用雷诺 温度校正图校正 还可能带来误差的可能有 1 实验过程中的系统误差 2 可能与当天的温度和气压有关 3 样品可能受潮使称量时产生误差 4 样品可能中 可能含有杂 质 氯化钾 3 m 4 1791g t 22 80 校正后 T 1 2079 T 1 2079 硝 酸钾 1 m 5 6662g t 22 20 校正后 T 2 3020 T 2 3020 6 6 数据记录数据记录 1 1 2 2 3 3 4 4 0 6020 388 0 214 0 162 0 6060 396 0 211 0 158 0 6040 394 0 21 0 162 0 604 0 393 0 212 0 161 六 数据处理与讨论六 数据处理与讨论 条件 恒温 27 1 氢离子浓度 0 15mol L 总离子强度 I 0 7 波长 450nm 项目 1 2 3 4 消光度 E1 平均 0 6040 3926666670 2116666670 160666667 Ei E1 10 6501103750 3504415010 266004415 FeCNS2 1 e 0 00020 0001300227 00883E 055 32009E 05 Fe3 0 04980 0098699780 0029299120 001946799 CNS i e 06 99779E 050 0001299120 000146799 KcKc N AN A188 2521094188 2521094184 1377069184 1377069186 1548076186 1548076 KcKc 平均值平均值 N AN A186 1815413186 1815413 相对误差 N A0 011121232 0 010977643 0 000143589 通过实验数据 在不同浓度的溶液下 Fe3 与 CNS 在水溶液中生 FeCNS2 反应的平衡常数基本维持于 186 附近 相对误差非常少 处于可以接 受范围内 与参考文献数值 K 1 9953 lgK1 2 3 北师大无机化学 4 版附录 接近 总体符合实验要求 7 7 提问与思考提问与思考 1 当 Fe3 与 CNS 浓度较大时 将不再能够用公式 FeCNS2 1 e E1 E1 CNS 0 计算 FeCNS2 反应的平衡常数 因为当 CNS 浓度较大时 则 FeCNS2 1 e CNS 0 则 E1 K CNS 0 因此该等式将不再成立 2 经实验验证结果 平衡常数与反应各个时候的浓度均无关系 3 由于 Fe3 离子在水溶液中 存在水解平衡 所以 Fe3 离子与 SCN 离子的实 际反应很复杂 其机理为 当达到平衡时 整理得到 由上式可见 平衡常数受氢离子的影响 因此 实验只能在同一 pH 值下进行 本实验为离子平衡反应 离子强度必然对平衡常数有很大影响 所以 在各被 测溶液中离子强度 应保持一致 4 为了消除除了测量物质外溶剂中有其它吸光物质对该波长的光有吸收而造成 误差 因此必须使用除被测物质外其它组分完全一致的溶液作为空白对比液 在 722 型分光光度计中进行调 100 设置 确保抵消误差 实验目的实验目的 测定环己烷的凝固点降低值 计算萘的分子量 掌握溶液凝固点的测定技术 技能要求 掌握冰点降低测定管 数字温差仪的使 用方法 实验数据的作图 处理方法 实验原理实验原理 1 凝固点降低法测分子量的原理 化合物的分子量是一个重要的物理化学参数 用凝固点降低法测定物质的分子量是一种 简单而又比较准确的方法 稀溶液有依数性 凝固点降低是依数性的一种表现 稀溶液的 凝固点降低 对析出物是纯溶剂的体系 与溶液中物质的摩尔分数的关系式为 Tf Tf Tf KfmB 1 式中 Tf 为纯溶剂的凝固点 Tf 为溶液的凝固点 mB 为溶液中溶质 B 的质量摩尔浓 度 Kf 为溶剂的质量摩尔凝固点降低常数 它的数值仅与溶剂的性质有关 已知某溶剂的凝固点降低常数Kf 并测得溶液的凝固点降低值 T 若称取一定量的溶质 WB g 和溶剂WA g 配成稀溶液 则此溶液的质量摩尔浓度mB 为 mol kg 2 3 AB B B 10 WM W m 将 2 式代入 1 式 则 g mol 3 3 Af Bf B 10 WT WK M 2 凝固点测量原理 纯溶剂的凝固点是它的液相和固相共存时的平衡温度 若将纯溶剂缓慢冷却 理论上 得到它的步冷曲线如图中的 A 但但实际的过程往往会发生过冷现象 液体的温度会下降 到凝固点以下 待固体析出后会慢慢放出凝固热使体系的温度回到平衡温度 待液体全部 凝固之后 温度逐渐下降 如图中的 B 图中平行于横坐标的 CD 线所对应的温度值即为 纯溶剂的凝固点 Tf 溶液的凝固点是该溶液的液相与纯溶剂的固相平衡共存的温度 溶 液的凝固点很难精确测量 当溶液逐渐冷却时 其步冷曲线与纯溶剂不同 如图中 III IV 由于有部分溶剂凝固析出 使剩余溶液的浓度增大 因而剩余溶液与溶剂固相的平 衡温度也在下降 冷却曲线不会出现 平阶 而是出现一转折点 该点所对应的温度即为 凝固点 III 曲线的形状 当出现过冷时 则出现图 IV 的形状 此时可以将温度回升的 最高值近似的作为溶液的凝固点 3 测量过程中过冷的影响 在测量过程中 析出的固体越少越好 以减少溶液浓度的变化 才能准确测定溶液的 凝固点 若过冷太甚 溶剂凝固越多 溶液的浓度变化太大 就会出现图中 V 曲线的形状 使测量值偏低 在过程中可通过加速搅拌 控制过冷温度 加入晶种等控制冷 同时需要按 照图中曲线 V 所示的方法校正 实验步骤实验步骤 1 接好传感器 插入电源 2 打开电源开关 温度显示为实时温度 温差显示为以 20 度为基准的差值 但在 10 度以下显示的是实际温度 3 锁定基温选择量程 将传感器插入水浴槽 调节寒剂温度低于测定溶液凝固点的 2 3 度 此实验寒剂温度为 3 5 4 5 度 然后将空气套管插入槽中 按下锁定键 4 用 20ml 移液管准确移取 20ml 环己烷加入凝固点测定试管中 橡胶塞塞紧 插入 传感器 5 将凝固点试管直接插入寒剂槽中 观察温差 直至温度显示稳定不变 此时温度就 是环己烷的初测凝固点 6 取出凝固点测定试管 用掌心加热使环己烷熔化 再次插入寒剂槽中 缓慢搅拌 当温度降低到高于初测凝固点的 0 5 度时 迅速将试管取出 擦干 插入空气套管中 记 录温度显示数值 每 15 秒记录一次温度 搅拌速度调节 刚开始缓慢搅拌 在温度低于初测凝固点时 加速搅拌 待温度上 升时 又恢复缓慢搅拌 7 重复第 6 步平行再做 2 次 8 溶液凝固点测定 称取 0 15 0 20 g 萘片加入凝固点测定试管 待完全溶解后 重复以上 6 7 8 步骤 9 实验结束 拔掉电源插头 注意事项注意事项 1 在测量过程中 析出的固体越少越好 以减少溶液浓度的变化 才能准确测定溶液 的凝固点 若过冷太甚 溶剂凝固越多 溶液的浓度变化太大 使测量值偏低 在过程中 可通过加速搅拌 控制过冷温度 加入晶种等控制过冷度 2 搅拌速度的控制和温度温差仪的粗细调的固定是做好本实验的关键 每次测定应按 要求的速度搅拌 并且测溶剂与溶液凝固点时搅拌条件要完全一致 温度 温差仪的粗细调 一经确定 整个实验过程中不能再变 3 纯水过冷度约 0 7 1 视搅拌快慢 为了减少过冷度 而加入少量晶种 每 次加入晶种大小应尽量一致 4 冷却温度对实验结果也有很大影响 过高会导致冷却太慢 过低则测不出正确的凝 固点 5 凝固点的确定较为困难 先测一个近似凝固点 精确测量时 在接近近似凝固 点时 降温速度要减慢 到凝固点时快速搅拌 6 千万不要过冷 若过冷太甚 凝固的溶剂过多 溶液的浓度变化过大 所得凝 固点偏低 7 溶液的冷却曲线与纯溶剂的冷却曲线不同 不出现平台 只出现拐点 即当析出固 相 温度回升到平衡温度后 不能保持一定值 因为部分溶剂凝固后 剩余溶液的浓度逐 渐增大 平衡温度要逐渐下降 8 用凝固点降低法测相对分子质量只适用于非挥发性溶质且非电解质的稀溶液 9 插入贝克曼温度计不要碰壁与触底 实验数据与处理实验数据与处理 实验数据的记录 大气压 1014 0 Hpa 温度 25 5 干度 27 3 湿度 25 0 相对湿度 79 6 粗测环己烷近似凝固点 6 547 称量的萘的质量 m 0 1925g 实验数据的处理 由环己烷的密度 计算所取环己烷的重量 WA 室温 t 时环己烷密度计算公式为 t g cm 3 0 7971 0 8879 10 3 t 则 室温为 25 5 时 环己烷的密度为 t 0 7971 0 8879 g cm 3 10 3 t 0 7971 0 8879 10 3 25 5 0 7745 g cm 3 环己烷质量为 WA V t 20 00 0 7745 15 49 g 将实验数据列入表 2 中 表 2 凝固点降低实验数据 凝固点 物质质量 g 测量值平均值 凝固点降低值 6 544 环己烷15 49 g 6 607 6 575 4 501 萘0 1925 g 4 605 4 553 2 022 根据式 3 由所得数据计算萘的分子量 并计算与理论值的相对误差 Kf 20 K kg mol g 3 Af Bf B 10 WT WK M 122 92 g mol 查文献可得 萘的相对分子质量为 128 18 相对误差为 4 1 根据四组数据作出的冷却曲线图 实验结果与讨论实验结果与讨论 本实验结果的相对误差为 4 1 主要原因可能有 1 系统误差 实验仪器的误差 因为该实验需要用到的温度是纯的环己烷溶液的凝固 点与环己烷的萘溶液的凝固点的差值 如果本身仪器的读数与环境实际温度存在单向的偏 差 而我们在做实验的时候没有校正 就会带来偏差 又由于计算的过程用的是两次凝固 点的差值 所以偏差就可以相互抵消 从而没有造成太大的影响 因此 实验时 可让测 定仪的探头与冰浴接触 得到一个读数 同时在冰浴槽中放入一支温度计 对比两者的温 度差值 就可以得到该仪器的温度偏差读数 最后在处理实验数据时 就可以对实验数据 进行校正 以确保实验数据的科学性 2 随机误差 本实验测量的成败关键是控制过冷程度和搅拌速度 理论上 在恒压条件下纯溶剂 体系只要两相平衡共存就可达到平衡温度 但实际上只有固相充分分散到液相中 也就是 固液两相的接触面相当大时 平衡才能达到 如凝固点管置于空气套管中 温度不断降低 达到凝固点后 由于固相是逐渐析出的 此时若凝固热放出速度小于冷却所吸收的热量 则体系温度将不断降低 产生过冷现象 这时应控制过冷程度 采取突然搅拌的方式 使 骤然析出的大量微小结晶得以保证两相的充分接触 从而测得固液两相共存的平衡温度 为判断过冷程度 本实验先测近似凝固点 为使过冷状况下大量微晶析出 实验中应规定 一定的搅拌方式 对于两组分的溶液体系 由于凝固的溶剂量多少会直接影响溶液的浓度 因此控制过冷程度和确定搅拌速度就更为重要 本实验由于仪器固定了搅拌速度 对实验 的结果可能产生一定误差