液体饱和蒸气压实验装置的改进

梁克中 傅杨武

（重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆万州 404100）

液体饱和蒸气压测定实验是大学物理化学实验中的基础实验之一.在国内外物理化学实验教材中大都将其编入.[1][2]传统的测定液体饱和蒸气压实验主要有静态法、动态法和气体饱和法3种.[3]一般的方法都是用静态法，因为相对于其它方法，该方法具有操作简便、安全、测量数据误差小等优点.在实践教学中该实验存在一些问题，对此作者进行了改进与探讨：

1）该实验对操作技术要求较高，学生初次实验往往不易掌握.如学生对体系沸点温度的判定实验技术掌握不好，可能花费很多时间.

2）传统的液体饱和蒸气压实验的试剂均使用的是苯、甲苯、丙酮、四氯化碳等有害化合物，对实验室的环境和师生的身体健康有很大的危害.一般均采用温度计读取温度的方式获得液体的温度，这样会由于学生读取数据的操作或因为没有达到平衡时就读取温度，对实验结果产生很大影响.

3）操作中无法确知真空瓶的减压程度，这样可能造成减压过度，使瓶被大气压碎，也可能会出现负压用尽的情况，不能保证减压测量的连续性，使实验必须从头再做.

4）采用水银压力计读取室内压力和测量前后的压力值，可能因为读取水银凸表面对应的刻度值没有平视而带来人为误差，而且容易产生水银倒吸或喷出等危险情况.

5）实验时，水浴的温度往往要加热到80 ℃以上，（要根据被测纯液体的沸点而定）此时水大量蒸发，水面急剧下降，可能会出现浸于水内的等压管露出水面，引起温度测量的误差；如果这时添加冷水，将会引起体系温度骤降，使连续测量发生错误，导致实验失败.

6）水浴的热蒸气会对校正温度计引起示值的剧烈波动，失去记录与校正的意义.由于机械真空泵需要用机油作为工作物质，对实验对象有一定的污染，另外机械真空泵噪音较大，也会带来一定的噪音污染.

针对以上实验装置存在的问题，已有实验教学和科研工作者作了一定程度的改进.[4-12]作者在综合考查了老式饱和蒸气压测定装置的缺点，并在努力吸取文献所述设备的优点的基础上，对液体饱和蒸气压测定实验进行了改进：采用数字式贝克曼温度计；采用数字压力计测定压力值；改用环已烷体系；降低实验费用；同时探索装置改进后的实验条件.实现了对仪器的精密化改造.由本装置测得环已烷的饱和蒸气压及计算得平均摩尔汽化热，与文献值比较后认为，实验的结果令人满意.

1 基本原理

某一温度下处于密闭容器中的液体分子，不断有动能较大的分子从液相扩散到气相，同时也有动能较小的分子由气相进入液相.当二者速率相等时就达到了动态平衡，此时气相中的蒸气密度不再改变，因此其具有一定的饱和蒸气压.在一定温度下（距离临界温度较远时），纯液体与其蒸气处于平衡时的蒸气压力称为该温度下液体的饱和蒸气压.蒸发1摩尔液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔气化焓（molar enthalpy of vaporization），常用△vapHm表示.

液体的蒸气压随温度而变化，当温度升高，则蒸气压增大；温度降低，则蒸气压降低，这主要与分子的动能有关.当蒸气压等于外界压力时，液体便沸腾，此时的温度称为沸点，外压不同时，液体沸点将相应改变，当外压为pθ(101.325 kPa）时，液体的沸点称为该液体的正常沸点.

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（Clausius Clapeyron）表示：

式中：R 为摩尔气体常数，即8.314J ⋅mol-1⋅K-1；T为热力学温度； ΔH为

vapm温度T时纯液体的摩尔气化热（ J ⋅mol-1）.

若温度变化范围较小，可假定 ΔvapHm与温度无关，ΔvapHm可以近似作为常数，积分（1）式，得：

其中C为积分常数.由此式可以看出，以lnp对 1/T作图，应为一直线，直线的斜率为-ΔvapHmR ，由斜率可求算液体的 ΔvapHm.计算所得值可用于工程和实验过程的可行性预测，在实际应用中起到指导性作用，这一实验也是科学研究中物性参数测试的重要途径.

2 实验的改进

2.1 装置的改进

采用精密数字温度控制仪取代了点接触温度计、温度计以及电子继电器，实现了温度温差控制自动化；同时精密数字压力计取代了汞压力计，解决了使用汞压力计读数不易的问题，同时也大大改善了实验室环境；把机械真空泵更换为循环水泵.

仪器装置如图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，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读数，即为该温度下液体的饱和蒸气压.

图1 饱和蒸气压实验装置连接示意图

2.2 实验操作

2.2.1 装样和装置仪器

将待测液体装入平衡管中，A球约2/3体积，B和C球各1/2体积，然后按图1连接好实验装置.

2.2.2 系统气密性检查

图2 缓冲储气罐示意图

2.2.3 缓冲储气罐的使用方法

经气密性检查无漏气后，方可进行实验操作.

将进气阀、平衡阀2打开，关闭平衡阀1（三阀均为顺时针关闭，逆时针开启）.启动压力泵加压，根据实验需要加压或疏空至略高于所需压力值.数字压力计显示缺罐中的压力值.

加压结束后，关闭压力泵、进气阀及平衡阀2.仔细、缓慢地调节平衡阀1，直到得到实验所需压力值.利用平衡阀2和调节平衡阀1，可得实验过程中所需的不同压力值.

2.2.4 精密数字压力计的气密性检查

1）预压及气密性检查

2）与被测系统连接进行测试

2.2.5 排除AB弯管空间内的空气

AB弯管空间内的压力包括两部分：一是待测液的蒸气压；另一部分是空气的压力.测定时，必须将其中的空气排除后，才能保证B管液面上的压力为液体的蒸气压，排除方法为：系统与大气相通.先将恒温槽温度调至第一个温度值（一般比正常沸点高3 ℃左右）接通冷凝水，开动搅拌器，并给恒温水浴槽加热.随着温度逐渐上升，平衡管中有气泡逸出.此时AB弯管内的空气不断随蒸气经C管逸出，如此沸腾数分钟，可认为空气被排除干净.

2.2.6 饱和蒸气压的测定

1）测定大气压力下的沸点

测定前必须正确读取大气压数值，并记录.系统空气被赶净后，停止加热.让温度缓慢下降，C管中的气泡将逐渐减少直至消失.B管液面开始上升，C管液面下降.严密注视两管液面，一旦两液面处于同一水平时，记下此时的温度.重复测定三次，结果应在测量允许误差范围内.

2）测定不同温度下纯液体的饱和蒸气压

测定大气压力下的沸点之后，给系统慢慢减压.每次减压差5～10 Kpa，平衡管内液体又明显汽化，不断有气泡逸出.随着温度下降，气泡将再次逐渐减少直至消失.同样等B、C两管液面相平时，记录下温度和真空计读数.再次给系统慢慢减压，减压幅度同前，直至恒温槽温度下降至50 ℃左右，停止实验.

3 实验结果处理

使用改造后的实验设备，测得的实验数据列于表1.根据表1中的数据，以lnp对T-1作图，如图3所示，由线性回归方程可求出直线斜率m.

表1 实验测试所得数据和计算处理（室温：22.5 ℃ 大气压：100.89 KPa）

图3 计算得到的lnp与T-1的关系及其拟合直线

△vapHm及tb的相对偏差最大均小于2%.文献值：[13](44,104)△vapHm= 32.764 kJ /mol；tb= 80.74 ℃.由图3可知，直线的相关性非常好，相关系数达到99.8%，说明仪器的测量稳定性高.

4 分析与讨论

通过引入数字显示仪器和全新设计测试装置，完成了对旧的饱和蒸气压测定试验设备的精密地改造.由于使用数字式贝克曼温度计，灵敏度高，操作简便，读数容易，学生可一人单独操作，符合目前提倡的物理化学实验一人一组的教学安排，并为学生提供了一种较为精密的测温手段，有利于训练和培养学生动手能力.使本实验简单、快捷、易行，数据重现性好，结果准确，提高了学生的积极性、主动性.

改进后的装置，设计合理，操作简单，消除了安全隐患，还大大缩短了实验时间，并且提高了实验的准确性.

用环己烷代替苯可减少芳香烃对环境的污染，以保证师生的健康.

通过两年的实验运行，改进后的装置实验效果好，且操作简单、安全可靠.实验技术的改进还使本实验有了更为广泛的应用价值.

[1]北京大学化学系物理化学教研室.物理化学实验（第3版）[M].北京:北京大学出版社，1995.

[2]复旦大学.物理化学实验（第3版）[M].北京:高等教育出版社，2004.

[3]黄燕梅，余在华，周锡波.液体饱和蒸气压测定实验装置的改进[J].实验科学与技术，2005，5（4）：145-147.

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