水的饱和蒸气压测定新方法——绿色化教学改革研究

乔艳红 孙玉绣

(天津师范大学化学学院 天津 300387)

在物理化学实验改革实践中，可以通过对实验中的装置、药品、操作步骤等的改进，减少环境污染、降低成本，提高安全性，使学生认识到绿色化学的重要性，既增加学生的环保意识，激发学生对物理化学实验的兴趣，又有利于提高学生的综合素质和培养他们的实验技能[1-4]。绿色化教学改革研究正在成为物理化学实验改革的热点之一[5-6]。

液体饱和蒸气压的测定是基础物理化学实验之一，常用的试剂是苯，而苯易挥发，且具有致癌性。虽有人将试剂改为乙醇，但依然存在实验成本高，真空操作过于繁杂且难控制的缺点[7]。一些针对实验装置的改进也没有得到非常理想的实验结果[8-9]。

我们采用的是非真空系统、不用有机溶剂、以水为待测物质的实验方法，可以达到同样的教学目的和实验效果。新的被测物质水对人体无害，对环境无污染，价格便宜，使实验费用大大降低。

1 实验部分

1.1 实验原理

一定量的空气被封闭于量气管顶端(图1)。量气管上端的空气为水蒸气所饱和，在水蒸气与空气的气体混合物中，水蒸气的量随温度而变化，而空气的量不变。

图1 水的饱和蒸气压简易测定装置

显然，在一定温度下，两管液面平齐时，有：

p大气=p空气+p水蒸气

(1)

(2)

其中，T、V分别为测量温度和空气体积；n空气是空气的物质的量。

假设在5℃时，p水蒸气可以忽略，则有：

(3)

其中T0、V0分别为5℃以下测量空气的温度和体积。

将测量值T0、V0代入式(3)便可求得n空气。将n空气代入式(1)，即可算出各测量温度下空气的分压p空气；将p空气代入式(2)，即可算出各测量温度下水的饱和蒸气压。将各温度下水的饱和蒸气压代入克劳修斯-克拉贝龙方程：

(4)

(5)

1.2 实验仪器与药品

U型量气管一支，恒温槽一套，塑料冰槽一个，精密温度计(0～100℃)一支，长滴管一支，蒸馏水，冰，自来水。

1.3 实验步骤

① 在U型量气管中加入适量的蒸馏水，使管中封闭3～4mL空气。

② 把U型量气管放入冰槽中，调节冰槽温度为3～5℃，用长滴管调节量气管两液面平齐后，读取T0、V0。

③ 把U型量气管放入恒温槽中，调节恒温槽温度为75℃，恒温后，用长滴管调节量气管两管液面平齐，读取气体体积。

④ 用上述方法每隔2℃左右测定一个量气管中被封气体的体积，分别记下数据。

⑤ 采取低温到高温的实验方案重复以上实验。

2 结果与讨论

2.1 数据处理

每个实验数据均按上述方法处理，将计算结果列于表2。

表1 数据记录及计算

p大气=1.0217×105Pa，冰槽温度T0=277.55K，气体体积V0=0.00340dm3。

图2 经Orgin软件处理得到的线性关系图

实验方案序号水的摩尔气化热/J·mol-1相关系数相对误差/%高温到低温13.98×104-0.99931.9023.95×104-0.99902.7134.12×104-0.99921.48低温到高温14.56×104-0.962512.3224.65×104-0.941314.5334.78×104-0.959517.73

近两年本校学生约400人做了降温法测定水在不同温度下的饱和蒸气压的实验，所求出的水的摩尔气化热与文献值比较，相对误差在2%之内的学生大约占总人数的30%左右，而相对误差在3%之内的学生总数可以达到90%以上。统计结果表明，用该方法测定水的饱和蒸气压的精度符合实验所允许的误差要求(物理化学实验要求实验的相对误差在3%之内)。

2.2 结果分析

用同样的实验方法,但采取由低温到高温的实验方案,得到的结果有较大的相对误差和较差的线性相关系数。经过分析，认为采取降温法得到的测量值比升温法更准确的原因如下：由于是在常压下测定不同温度水的饱和蒸气压，因此实验需要在较高温度下进行，此时如采用升温法，一方面恒温槽的滞后性表现明显，灵敏度变差，温度梯度变大，使所测得的蒸气压的偏差变大；另一方面，水在升温过程中不容易达到饱和，也会使所测蒸气压的偏差变大。采用降温法有助于克服这种缺陷。在高温情况下，水的蒸气压达到饱和，逐渐降温过程中可以保持这种饱和程度，因此测量偏差较小。

3 结论

本实验采用了一种通过测量温度和体积来测定水的饱和蒸气压的实验方法。通过对实验装置和试剂的改进，去掉了操作较难的真空实验技术，同时达到了绿色环保和降低成本的目的。从实验结果不难看出，采取高温到低温方案得到的实验数据，无论从计算结果还是线性相关系数来看，都令人满意，计算出的水的平均摩尔气化热与理论值相对误差在3%之内；而采用低温到高温实验方案得到的结果相对误差较大，线性相关系数也相对较差。因此，在实验时，应采取高温到低温的实验方案进行操作。整个实验大概需用3～4小时，适合物理化学实验教学的需要。

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[3] 陈联群.大学化学,2005,20(10):17

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