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1、实验四液体饱和蒸汽压的测定郭璟中国科学技术大学少年班学院合肥 230026摘要：通过动态法测量了不同压力下环己烷的沸点，计算出环己烷的摩尔汽化热和通况下的沸点，分析了本实验方法的利弊，同时阐述了本实验的启发性意义。Abstract: We measured the boiling point of cyclohexane under different pressure, thus calculated the molar heat of vaporization and standard boiling point of cyclohexane. I analyzed the pros an
2、d cons of this experimental method, and illustrated the inspiring role this process plays in experimental career.关键词： 沸点，摩尔汽化热，饱和蒸汽压，环己烷前言封闭体系中的液体与其蒸汽达到相平衡时，蒸汽的压力为该液体的饱和蒸汽压。显然，饱和蒸汽压是与体系中的其他气体的体积相关的。本实验所测量的，是当体系中只有该液体及其蒸汽时蒸汽的压力。蒸发的过程伴随着热量变化。在某温度下蒸发一摩尔液体所需要的能量，是该温度下的液体摩尔汽化热。液体的摩尔汽化热和温度的关系可以由Clausius-C
3、lapeyron 方程描述：d ln=d（是液体的摩尔汽化热Jmol-1， 是气体常数8.314Jmol-1K-1）由方程的推导可知，此时假设蒸汽为理想气体。 是与温度有关的物理量，但是当温度变化区间不大时，可以近似将 视作常数。对 Clausius-Clapeyron 方程积分可得lg= A B（B = . ）可知lg 与 呈线性关系，这样就可以通过对测量得到的饱和蒸汽压和温度的数据进行线性拟合，得到液体的摩尔汽化热。要测量液体的蒸汽压，有三种方法：静态法（在某固定温度下直接测量饱和蒸汽的压力）、动态法（在不同压力下测定溶液的沸点）和饱和气流法（在液体表面通过干燥的气流，通过改变气流速度使蒸
4、汽饱和，再分析气流中蒸汽的分压）。本实验采用第二种方法。沸点是液体的蒸汽压与外压相等时液体沸腾的温度。本实验多次利用 U 型管来达到这一条件。只要测得不同外压下液体的沸点（即蒸汽压与外压相等时的温度），那么此时的外压，就是这一温度下的饱和蒸汽压。当然，在实验过程中要保证体系中只有液体及其蒸汽，因为如果有空气等其它惰性气体存在时，有ln =, ($ )则会干扰实验结果。实验部分1.仪器和药品SHZ-D 型循环水式真空泵河南巩义市英峪豫华仪器厂WYB-型真空稳压包2南京南大万和科技有限公司BY 型 U 形压力计江苏省常州市东非仪表厂JJ-1 型增力电动搅拌器金坛市环宇科学仪器厂DTC-2A型控温仪
5、南京南大万和科技有限公司水银温度计、环己烷2.操作图 1 实验装置图熟悉实验装置，掌握真空泵的正确使用，了解系统各部分及活塞的作用，读当日大气压和室温。不同温度下液体饱和蒸汽压的测定：（1）将平衡管浸入盛有蒸馏水的大烧杯中，并使其全部浸没在液体中。插上电炉加热，同时开冷却水，开启搅拌马达，使水浴中的水温度均匀。（2）关闭活塞 9，使活塞 8 与大气相通。此时平衡管，压力计，缓冲瓶处于开放状态。将活塞 14 通大气，插真空泵电源抽气，把活塞 14 旋转至与安全瓶相通，抽 5 分钟，再将活塞 14 通大气。拔下电源，此时安全瓶内为负压，待用。（3）随着水浴中液体的温度的不断升高，A 球上面的待测液
6、体的蒸汽压逐渐增加，使 C 管中逐渐有气泡逸出。本实验所测的液体为纯净的水，所以待测水浴中的水沸腾后仍需继续煮沸 5-10 分钟，把 A 球中的空气充分赶净，使待测水上面全部为纯液体的蒸汽。停止加热，让水浴温度在搅拌中缓缓下降，C 管中的气泡逐渐减少直至消失，液面开始下降，B 管液面开始上升，认真注视两管液面，一旦处于同一水平，立即读取此时的温度。这个温度便是实验大气压条件下液体的沸点。反复测量三次，如果沸点数据变化不大，则说明体系内的空气已除尽，可以继续进行实验。（4）关闭活塞 8，用活塞 9 调节缓冲瓶 7 中的真空度，从而降低平衡管上端的外压，U 形压力计两水银柱相差约 40mm 左右，
7、这时 A 管中的待测液又开始沸腾，C 管中的液面高于 B 管的液面，并有气泡很快逸出，随着温度的不断下降，气泡慢慢消失，B 管液面慢慢升高，在 B、C 两管液面相平时，说明 A、B 之间的蒸汽压与外压相等。立即记下此时的温度和 U 形压力计上的读数。此时的温度即外压为大气压减去两汞柱差的情况下液体的沸点。（5）继续用活塞 9 调节缓冲瓶的压力，体系产生新的沸腾，再次测量蒸汽压与外压平衡时的温度，反复多次，约 10 个点，至压差计的水银柱相差约400mm 左右为止。（6）为了测量的准确性，可将缓冲瓶放空，重新加热，按上述步骤再重复测量两次。每组实验结束时，读取大气压，把两次记录的值取平均则为该次
8、实验的平均外压。结果与分析1.实验结果实验用控温仪测量得到的数据算出环己烷的摩尔汽化热为 31.2kJ/mol，沸点为 81.8；用水银温度计测量得到的数据算出摩尔汽化热为 31.6kJ/mol，沸点为 80.6。查阅资料得到环己烷的摩尔汽化热为 33.055kJ/mol，沸点为 80.7。两摩尔汽化热的结果均有约 5%的误差，水银温度计得到的沸点较为接近：|31.2 33.055|kJ/mol 100% = 5.6%33.055kJ/mol|31.6 33.055|kJ/mol 100% = 4.4%33.055kJ/mol|81.8 80.7|K(80.7 + 273.15)K 100%
9、= 0.31%|80.6 80.7|K(80.7 + 273.15)K 100% = 0.03%2.误差分析从模型建立来看：（1）Clausius-Clapeyron 方程建立的前提是气体为理想气体，然而这样的气体是不存在的，气体压力越大，距离理想状态越远。在气压接近 0 时才最符合理想状态，而本实验操作气压都在一个大气压附近，因而偏差较大；（2）lgp 与 1/T 可以线性拟合的前提条件是 H 不随温度变化，而实际上在不同的温度下 H 是会改变的，特别是本实验从 85测量至 58，H 改变量可能不容小觑；（3）正因为在本实验中引入了较多的近似和理想化假设，是的用两种测量方法得到的 H 数据偏
10、差都较大。从操作过程来看：（1）不论哪种测量仪器，在测量不断变化的物理量时都会有滞后效应，本实验中温度是逐渐降低的，在 U 形管液面相平的一瞬间所显示的温度并不一定是当时的水温；（2）控温计作为电子设备，可能受到的自身和外界的干扰比较多，使得精确测量成为不可能，有时甚至精准度不如水银温度计，正如本实验所出现的这样；但是温度计由于毛细管的粗细不一定均匀，所以在读数上也会造成一定的误差；（3）温度计所显示的温度并非测量体系中的温度，由于要使体系持续降温，所以水环境的温度必定低于体系的温度，从而使测量值本身带有了偏差；（4）还有判断液面相平的时机的误差、读数的误差、以及环己烷可能带有的杂质等因素都会
11、带来误差。3.讨论：减小实验误差的方法：本实验所带有的大多数误差都是系统误差，难以消除，只能靠细心操作来尽量减小。关于本实验方法的利弊：本方法的缺点在上述误差分析中已经提到，存在着大量的系统误差，对结果干扰较大。另一方面，本实验也已经解决了很多难题，例如如何测量体系的温度、如何判断蒸气已饱和等，都是很大的突破。不过仍然有待科技的进步对其进行改进。关于温度计和控温计：由于实验中人手足够，我们同时使用了两种测温工具进行测量，最后得到了两个结果，可以看到，温度计虽然科技含量较少，但是还是经受住了一次次实践的检验；控温计作为电子设备有其不可避免的被干扰性，所以在本实验中测量出的结果偏差比温度计还大。这
12、样的对比，对我们之后的科研生活有启发性的意义。实验心得：本实验采用动态法测量出了环己烷在不同温度下的摩尔汽化热和沸点，并练习使用了多种仪器，对物理化学的一些基本概念有了更深的了解和认识。值得一提的是，本实验是三人合作完成，在过程中大家相互配合，默契度得到了不小的提升；另外本实验是从高温到低温、从高压到低压逐个测量数据，我们在安排实验进程的过程中也锻炼了思维的条理性和组织能力。参考资料物理化学 高等教育出版社 傅献彩等著百度百科附件：数据处理1.确认空气排尽：从数据记录可以看到，前三次测量沸点相近，表明空气已除尽，则继续实验。2.数据及初步计算：原始数据数据处理室温 24.024下水银密度 13
13、.54g/cm3第一组14:55 大气压：101.91mB合肥重力加速度 9.7947m/s2左-大气右控温仪水银温度计压力计高度差内外压力差内压lgp1/T1/T/cm/cmT/T/cm/Pa/Pa/K-1/K-180.37/0.050.1380.4180.000.081.06E+021.02E+055.012.83E-032.83E-0380.4080.00-1.682.0078.8678.923.684.88E+039.70E+044.992.84E-032.84E-03-3.724.1277.2577.407.841.04E+049.15E+044.962.85E-032.85E-03
14、-5.606.0275.4575.7011.621.54E+048.65E+044.942.87E-032.87E-03-7.508.0273.3973.6515.522.06E+048.13E+044.912.89E-032.88E-03-9.7010.3071.0071.3020.002.65E+047.54E+044.882.91E-032.90E-03-11.7812.4069.10/24.183.21E+046.98E+044.842.92E-03-13.7014.5265.6766.0028.223.74E+046.45E+044.812.95E-032.95E-03-15.621
15、6.4263.3463.6032.044.25E+045.94E+044.772.97E-032.97E-03-17.3018.1064.0361.3035.404.69E+045.50E+044.742.99E-032.99E-03-19.2320.0858.1758.4039.315.21E+044.98E+044.703.02E-033.02E-0317:18 大气压：101.90mB第二组左-大气右控温仪水银温度计压力计高度差内外压力差内压lgp1/T1/T/cm/cmT/T/cm/Pa/Pa/K-1/K-10.050.1380.5580.400.081.06E+021.02E+055
16、.012.83E-032.83E-03-1.522.3579.1179.003.875.13E+039.68E+044.992.84E-032.84E-03-3.704.1076.9576.907.801.03E+049.16E+044.962.86E-032.86E-03-5.706.1574.9774.5011.851.57E+048.62E+044.942.87E-032.88E-03-7.938.4572.6372.7016.382.17E+048.02E+044.902.89E-032.89E-03-9.4510.0570.9471.1119.502.59E+047.60E+044.
17、882.91E-032.90E-03-11.4212.0868.6868.9023.503.12E+047.07E+044.852.93E-032.92E-03-13.4214.1066.2566.5027.523.65E+046.54E+044.822.95E-032.94E-03-15.2315.9763.9064.1031.204.14E+046.05E+044.782.97E-032.97E-03-17.0517.8861.3661.1634.934.63E+045.56E+044.742.99E-032.99E-03-19.6220.5057.5657.8040.125.32E+04
18、4.87E+044.693.02E-033.02E-0317:47 大气压：101.90mB第三组左-大气右控温仪水银温度计压力计高度差内外压力差内压lgp1/T1/T/cm/cmT/T/cm/Pa/Pa/K-1/K-10.050.1380.4980.400.081.06E+021.02E+055.012.83E-032.83E-03-1.802.1178.7778.803.915.19E+039.67E+044.992.84E-032.84E-03-3.353.7277.3177.307.079.38E+039.25E+044.972.85E-032.85E-03-5.455.9175.23
19、75.3011.361.51E+048.68E+044.942.87E-032.87E-03-7.618.1572.9773.1015.762.09E+048.10E+044.912.89E-032.89E-03-9.5010.0870.9171.1019.582.60E+047.59E+044.882.91E-032.90E-03-11.5112.1568.6268.8023.663.14E+047.05E+044.852.93E-032.92E-03-13.6114.3166.0366.4027.923.70E+046.49E+044.812.95E-032.95E-03-15.9316.
20、7163.0063.2032.644.33E+045.86E+044.772.97E-032.97E-03-17.5018.3260.8061.1035.824.75E+045.44E+044.742.99E-032.99E-03-19.4020.2857.9958.2039.685.26E+044.93E+044.693.02E-033.02E-03对三组数据分别作lg 和lg图：图 2 第一组的lg和ln 图第一组：lg= 1.62 + 9.58，lg= 1.64 + 9.65，拟合度 0.99857和 0.99839；图 3 第二组的lg 和lg 图第二组：lg= 1.62 + 9.59，lg= 1.65 + 9.66，拟合度 0.99978和 0.99900；图 4 第三组的lg 和lg 图第三组：lg= 1.64 + 9.64，lg= 1.66 + 9.71，拟合度 0.99995和 0.99996。对于测量数据 T 和 T，斜率 B 的平均值为-1.63103 和-1.65103，解得 = 2.303(B = 31.2kJ/mol 和 31.6kJ/mol。而截距的平均值为 9.60 和 9.67，所以解方程lg 101325= 1.63 10+ 9.60lg 101325= 1.65 10+ 9.67得到沸点为 81.8和 80.6。