蒸馏烧瓶中上下温度存在差异的原因探析

吴孙富+陈国雄

摘要：经实验探究指出，蒸馏烧瓶中上下各处温度存在差异的两个主要原因，一是传热导致了蒸气在上升过程中降低了温度，二是温度计水银线受热的长短不同；实验时温度计水银球的位置应与蒸馏烧瓶的支管口持平；提出了四条降低蒸气测定温度与蒸气实际温度间误差的建议。

关键词：蒸馏烧瓶；温度读数差异；实验探究

文章编号：1005–6629（2015）7–0066–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

虞丽和刘长林二位老师在“由一道高考实验题启示的实验探索及教学反思”[1]一文中用实验探究了蒸馏过程中蒸馏烧瓶中不同位置的温度。虞、刘二位老师用于探究的实验装置如图1所示，蒸馏烧瓶中温度计水银球的各位置如图2所示，在实验中所测的温度如表1所示。

虞、刘二位老师由实验得出的“显然”结论是：蒸气刚要离开蒸馏烧瓶路径上的第三点位置准确表示了蒸馏液体的沸点。由此结论，虞刘二位老师否定了“蒸馏装置中，温度计水银球的位置应与蒸馏烧瓶支管口持平”的说法，确定了一种新说法“水银球上端与蒸馏烧瓶支管口的下沿处于同一水平线上”。

虞、刘二位老师的实验探究可以说明一些问题，但得出的“显然”结论是值得商榷的，烧瓶中不同位置的沸点温度及温度存在差异的原因需要探究说明。在此，笔者特就这两个问题作如下探讨。

2 蒸馏烧瓶中上下各处温度存在差异的原因

蒸馏烧瓶中上下各处的温度存在着一定的温度梯度，这是与该实验操作的事实相吻合的。蒸馏烧瓶中上下各处的温度为什么会存在着温度梯度呢？其原因主要有如下两点。

一是传热导致了降温。用上述装置实验时，酒精灯是放在蒸馏烧瓶底部加热的，烧瓶壁并没有采取任何隔热措施。烧瓶中的水受热沸腾后，烧瓶中逸出的水蒸气逐步上升，水蒸气在上升过程中会与烧瓶壁发生热交换，发生热交换的结果是使水蒸气的温度逐步降低。水蒸气在上升过程中降温后，会有一部分蒸气分子凝聚为微液滴，这些微液滴在下层蒸气的推动下难以下落——就像雾中的微液滴难以下落一样，会直接逸出蒸馏烧瓶的支管口。这就使得支管口的水蒸气事实上并不是100℃、一个标准大气压下的纯水蒸气（含微液滴），所以支管口的水蒸气在事实上确实会比沸水的温度略低一些。

传热导致温度降低的程度大小主要受环境温度和蒸馏烧瓶的高度影响。一般来说，环境温度越低，烧瓶内外温差就会越大，烧瓶壁的传热速率就会越大，由此就会导致水蒸气的降温程度越大。支管口离液面的高度越高，蒸气流动所需的时间就越长，外传的热量就会越多，由此导致的降温程度也会越大。反之亦然。

二是温度计水银球位置的逐步上升会导致测量的温度逐步降低。在虞、刘二位老师的实验中，温度计所处的位置大至可分为两大部分，一部分处在塞子下沿以下的蒸气（包括沸水）中、一部分处在塞子下沿以上的蒸气外。温度计处在蒸气中的水银线部分受到了蒸气的加热，温度计处在蒸气外的水银线部分没有受到蒸气的加热。由于“普通温度计的刻度是在温度计的水银线全部均匀受热的情况下刻出来的”[2]，所以温度计水银线处在蒸气中的部分越多、测定结果就越接近于准确值，温度计水银线处在蒸气中的部分越少，测定结果就越偏小于准确值。在图2中，温度计水银球的位置在从1移向6的过程中，温度计水银线处在蒸气中的部分越来越多，这就会使测定的温度越来越高。

这两个因素的影响使得虞、刘二位老师所测的蒸馏烧瓶中的沸点自下至上逐步降低。

3 水的沸点问题

摄氏温标[3]是瑞典人摄氏（Celsius）于1740年提出的。摄氏温标是指：在一个标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。根据水的这两个固定温度点对玻璃水银温度计进行分度，将玻璃水银温度计的这两个固定温度点间的长度100等分，每一等分称为1摄氏度，记作 1℃。由此可见，在一个标准大气压下，水的冰点必定为0℃、水的沸点必定为100℃。若在一个标准大气压下所测水的冰点和沸点与此不符，则温度计或测定方法中至少有一项存在问题。

由于在一个标准大气压下的纯水沸点和纯水蒸气的温度都是100℃，所以在虞、刘二位老师的测定实验中，当水银球处在第6个测定点时测定的温度应该最接近100℃，因为此时的温度计水银线处在蒸气（沸水）中的部分最多。

虞、刘二位老师在第6个测定点测定的水的沸点明显偏高，其可能的原因主要有两点。一是在进行实验测定时的大气压偏高，大气压高于一个标准大气压，因为压强越大，所测同一种物质的沸点越高。遗憾的是虞、刘二位老师没有说明测定时的大气压数值。二是温度计的零点发生了变动，温度计的实际零点高于标定零点，需要对温度计的刻度进行校正。若用“定点法”[4]校正温度计的话，可以用一个标准大气压下水的冰点和沸点进行校正。

4 温度计水银球在蒸馏烧瓶中的位置问题

由上述探讨知，虞、刘二位老师所说的“水银球上端与蒸馏烧瓶支管口的下沿处于同一水平线上”并不是温度计水银球应该放置的正确位置，此位置实际上是在大气压不确切、温度计可能不准的情况下碰巧测出了一个100.0℃。

由上述探讨知，在一个标准大气压下，在通常的实验条件下（如虞、刘二位老师的实验），在温度计刻度已经校正的前提下，温度计水银球的位置不论是与蒸馏烧瓶的支管口持平，还是水银球上端与蒸馏烧瓶支管口的下沿处于同一水平线上，实验所测的蒸气温度都会略低于相应纯物质的沸点。

笔者认为，温度计水银球的位置还是应该与蒸馏烧瓶的支管口持平，因为我们所测的温度是支管口的气体温度。

在化学实验中，系统误差不可避免会存在，我们要找出存在系统误差的原因，想办法尽量消除或降低系统误差，而不是回避系统误差。笔者在上述探讨中已经找出了蒸馏时支管口气体温度存在系统误差的主要原因，为了降低这种系统误差，我们在实验中可以采取以下一些措施降低误差。一是校正温度计的刻度和温度计外露段引起的读数误差，这两种校正的文字叙述较多，有兴趣的老师可以参看相关的文献[5]。二是在室温较高的情况下进行实验，可以降低蒸气与器壁的热交换速率。三是在蒸馏烧瓶中适当多装一些液体，降低液面与支管口之间的高度差，这可以减少蒸气与器壁热交换的时间。四是在蒸馏烧瓶的周围放置用隔板制作的挡风墙，这可以减少空气的流动、提高蒸馏烧瓶周围的环境温度。

以上措施的实施可以降低所测蒸气温度与物质沸点之间的差距，但误差是一定存在的。我们要明确的是：实验所测数据的“准确”不一定是正确，实验所测数据“存在偏差”不一定是错误。教师要努力弄清楚“准确”与“存在偏差”的原因，想办法解决问题，科学地解答教学中出现的问题。

参考文献：

[1]虞丽，刘长林.由一道高考实验题启示的实验探索及教学反思[J].化学教学，2013，（6）：64～65.

[2][4][5]曾昭琼主编.有机化学实验（第1版）[M].北京：人民教育出版社，1981.

[3]百度搜索：摄氏温标.