肖文敏,鄭玉敏,趙千惠,趙 波,楊 靜
(1.赤峰學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院,內(nèi)蒙古 赤峰 024000;2.內(nèi)蒙古光電功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)稱為飽和蒸氣壓[1-4].同一物質(zhì)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(jì)算空氣中的相對(duì)濕度,也是測定摩爾汽化熱所必須測定的數(shù)據(jù)[5].同時(shí)也是化學(xué)相關(guān)專業(yè)本科生在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中必做的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)[3].液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種[4]:動(dòng)態(tài)法,在不同外部壓力下測定液體的沸點(diǎn);飽和氣流法,在液體表面上通過干燥的氣流,調(diào)節(jié)氣流速度,使之能被液體的蒸汽所飽和,然后進(jìn)行氣體分析,計(jì)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(shí)驗(yàn)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(xué)生液體飽和蒸汽壓的測定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn),誤差都相對(duì)較大.本文通過對(duì)不同樣品,不同溫度,不同抽氣時(shí)間的測定,預(yù)期尋找出誤差來源,以其對(duì)液體飽和蒸汽壓的測定實(shí)驗(yàn)的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所幫助.
通常溫度下(距離臨界溫度較遠(yuǎn)時(shí)),純液體與其蒸氣達(dá)平衡時(shí)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(shí),蒸氣壓增大;溫度降低時(shí),蒸氣壓降低,這主要與分子的動(dòng)能有關(guān).當(dāng)蒸氣壓等于外界壓力時(shí),液體便沸騰,此時(shí)的溫度稱為沸點(diǎn),外壓不同時(shí),液體沸點(diǎn)將相應(yīng)改變.當(dāng)外壓為101.325kPa時(shí),液體的沸點(diǎn)稱為該液體的正常沸點(diǎn).
液體的飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)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(xué)溫度;ΔvapHm為在溫度T時(shí)純液體的摩爾氣化熱.
假定ΔvapHm與溫度無關(guān),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(duì)1/T作圖,應(yīng)為一直線,直線的斜率為由斜率可求算液體的ΔvapHm.
飽和蒸氣壓測量裝置教學(xué)試驗(yàn)儀1套(包括恒溫水槽1臺(tái)、等壓計(jì)1支、數(shù)字壓力計(jì)1臺(tái))真空泵1臺(tái)及附件
精密溫度溫差測量儀(JTD-2A)1臺(tái)
乙醇(AR)環(huán)己烷(AR)異丙醇(AR)甲醇(AR)
圖1 液體飽和蒸氣壓測定裝置圖
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(jìn)氣閥2打開,閥1關(guān)閉.抽氣減壓至壓力計(jì)顯示壓差為-80KPa時(shí)關(guān)閉進(jìn)氣閥和閥2,如壓力計(jì)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(xué)試驗(yàn)儀電源開關(guān),預(yù)熱5min后,調(diào)量綱旋鈕至“kpa”檔.使飽和蒸氣壓測定教學(xué)試驗(yàn)儀通大氣,再按下“清零”鍵.
2.3.4 關(guān)閉大氣閥,打開減壓閥,設(shè)定溫度25℃,進(jìn)行加熱.當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣泡成串冒出時(shí),乙醇開始沸騰,關(guān)閉減壓閥,沸騰一會(huì)后,緩慢開啟大氣閥(增壓閥),直至等壓計(jì)U型管兩端液面平齊,迅速關(guān)閉增壓閥,記錄此時(shí)飽和蒸汽壓教學(xué)以上的壓差值△p.
2.3.5 調(diào)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(jì)U型管倆端液面平齊.迅速關(guān)閉旋塞,記錄此時(shí)飽和蒸氣壓教學(xué)試驗(yàn)儀上的壓差值△p.
2.3.6 重復(fù)4中的操作,直至溫度上升至50℃,則停止加熱.
2.3.7 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,打開減壓閥和增壓閥,關(guān)閉教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀,恒溫水浴槽的開關(guān),將系統(tǒng)排空,然后關(guān)閉真空泵,切斷電源.
所有實(shí)驗(yàn)均在室溫為22℃,壓力94.45kpa下完成.
圖2為乙醇,甲醇,異丙醇及環(huán)己烷四個(gè)樣品的lnp—1/T線性擬合圖,并給出了四個(gè)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(guān)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(jì)算了各個(gè)樣品的摩爾汽化熱ΔH汽化熱及沸點(diǎn)T沸點(diǎn).分析相關(guān)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(guān)系數(shù) R,ΔvapHm(KJ/mol),T 沸點(diǎn)(℃),T 理論值(℃),相對(duì)誤差
分析表1的數(shù)據(jù)可知,四個(gè)樣品乙醇的相對(duì)誤差為2.5%,甲醇的相對(duì)誤差為1.0%,異丙醇的相對(duì)誤差為4.6%,環(huán)己烷的相對(duì)誤差為17.4%,分析這四個(gè)樣品的相對(duì)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(shí)驗(yàn)室中,甲醇是做飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)的最佳樣品,其次為乙醇,因?yàn)榧状嫉亩拘砸哂谝掖?,在?shí)驗(yàn)室普遍選取乙醇作為樣品.
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(shí)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(duì)于液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)來說,基礎(chǔ)溫度從低溫開始做,實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好.
本文考察了在25℃時(shí),不同抽氣時(shí)間對(duì)液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)的影響,測定方法為:先測定不同抽氣時(shí)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(duì)應(yīng)的1/T值,求出其倒數(shù)就得出不同抽氣時(shí)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(shí)間.數(shù)據(jù)列于下表3.
表3 不同抽氣時(shí)間乙醇的飽和蒸汽壓及沸點(diǎn)
分析表3 數(shù)據(jù)可知,抽氣時(shí)間為1,2,3,4,5min時(shí)的沸點(diǎn)分別為 35.3,24.6,34.2,33.2,32.8℃,抽氣為2min中的時(shí)候沸點(diǎn)最接近于25℃,其余時(shí)間誤差都較大,因此,液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)的最佳抽氣時(shí)間為2min.
本文通過靜態(tài)法考察了不同樣品,不同實(shí)驗(yàn)溫度,不同抽氣時(shí)間對(duì)飽和蒸汽壓的測定實(shí)驗(yàn)的影響,得出如下結(jié)論:
(1)四個(gè)樣品乙醇的相對(duì)誤差為2.5%,甲醇的相對(duì)誤差為1.0%,異丙醇的相對(duì)誤差為4.6%,環(huán)己烷的相對(duì)誤差為17.4%.這四個(gè)樣品的相對(duì)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(shí)驗(yàn)室中,甲醇是做飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)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(shí)的飽和蒸汽壓最接近理論值.
(3)測定不同抽氣時(shí)間發(fā)現(xiàn),液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)的最佳抽氣時(shí)間為2min.
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