微流量调节阀在液体饱和蒸气压测定实验中的应用

张帅，张健，边绍伟，赵亚萍，沈丽，咸春颖

东华大学化学化工与生物工程学院，基础化学实验示范中心，上海 201620

“液体饱和蒸气压的测量”是大学物理化学实验中的一个经典实验。其测定方法有静态法、动态法和饱和气流法[1]。目前高校多采用准确性最高的静态法[1-4]，静态法是将被测液体置于密闭的系统中，通过测定不同温度条件下液体的饱和蒸气压，获得饱和蒸气压与温度的关系[1]。

在教学中我们采用的设备如图1所示,测定原理为：平衡管(图2)由三个相连的玻璃管a、b和c管构成，a管、b管和c管中存有被测液体，b管和c管在底部相通。当a管和c管上方充满待测液体的蒸气，且b管和c管的液面相平时，c管液面上方的压力值即为该温度下待测液体的饱和蒸气压，此压力值可由串联在管路中的数字压力计读出。

图1 静态法测量液体饱和蒸气压的装置示意图

图2 平衡管的示意图

1 实验中存在的问题

整个实验过程中最关键的步骤是达到设定温度后，通过缓冲储气罐的阀门1调节进入体系的空气量，使b、c管液面相平。在原始的实验装置中，阀门1是普通的螺纹旋塞阀，螺纹较粗，旋塞末端有O型橡胶密封圈，气体的导入量是通过旋转旋塞调节密封圈与气孔的间隙来控制的。由于体系与环境间压差较大，橡胶密封圈弹性不足、容易变形及老化等原因，在使用过程中进气量很难精准控制，b、c管液面不易调平，而且经常发生气孔瞬间打开的现象，由于进气量过大而导致空气反灌入体系，使实验失败，且不同仪器的阀门调节灵敏度也不一致，很难保证实验的顺利进行。

2 实验装置改进

近年来有许多人对等压调压装置进行了改进。如陈云华等[5]设计了一种微小气流量调控装置，使操作调控可视化，以求解决调控难的问题。龚楚清等[6]在体系中引入了一组缓冲瓶，缓冲瓶内压力可增可减，且能实现连续调控，以此来实现对U型管内液面的调节。这几种改进方法可较好地实现对体系压力的调控，但是需要增加配套的玻璃实验装置，对操作空间要求较高。

为了解决本实验仪器操控难的问题，我们和仪器公司合作对装置的压力调节部分进行了改进。首先将原阀门1改成黄铜金属堵头，端口3通过真空硅胶管和微流量调节阀(微调阀)连接，实验过程中通过微调阀精确控制向系统内导入空气的流量(图3，图4)，使体系压力缓慢上升。

图3 改进后的缓冲储气罐装置示意图

图4 改进后的缓冲储气罐装置实物图

阀门2将缓冲储气罐分隔为两个区域，上部的小区域与平衡管和数字压力计管相连，下部较大的缓冲区域与真空泵相连，实验时利用阀门2将缓冲罐上、下两部分分开，使上部小区域压力大于下部缓冲罐压力，所以当体系压力过高时，可通过阀门2减压。

微调阀和阀门2的配合使用，较好地解决了压力操控难问题，既避免了反复调节、空气倒灌等问题的发生，也不需要额外增加实验空间。

微调阀[7,8](图5)为手动驱动的精密调节阀，具有以下特点：阀门采用细螺纹结构设计，阀门的工作是以手转动调节旋钮为动力，通过螺纹传动带动阀针升降来完成的；阀尖最小尺寸为1.2 mm，阀针调节维度8°，气体流量可达0.01 mL·s-1，调节精度高；轴封采用聚四氟乙烯密封，密封性能好；阀体采用不锈钢焊接，漏率小；阀门固定在长方形黑色金属盒内，体积小，操作方便。

图5 微流量调节阀实物及结构示意图

3 实验部分

3.1 仪器及试剂

仪器：DP-AF饱和蒸气压实验装置(南京桑力电子设备厂，缓冲储气罐调压部分改为微调阀)，隔膜泵，恒温槽，福廷式大气压力计，冷阱，保温杯，干燥塔。

试剂：无水乙醇(AR)。

3.2 实验步骤

(1) 装样：向平衡管中加入适量的乙醇，连接实验测量装置。检查微调阀、阀门2，使之均处于打开状态，打开数字压力计电源，按下“采零键”，使显示数值为零。

(2) 气密性检查：

① 整体气密性检查。

冷阱保温杯中放置少量冰块，使玻璃三通阀处于通大气状态，关闭微调阀、抽气阀，启动隔膜泵。1 min后关闭玻璃三通阀，缓慢打开抽气阀，抽真空至指定压力数值，关闭抽气阀。观察数字压力计压力读数是否稳定。

② “工作体系”气密性检查。

关闭阀门2，缓慢打开抽气阀，继续抽气1 min，观察体系压力是否稳定。然后关闭抽气阀，缓慢打开玻璃三通后，关闭隔膜泵。

(3) 测量：接通冷凝水，设置恒温槽温度为30.00 °C开始加热。升温过程中通过微调阀控制平衡管内液体的沸腾程度，保持每秒1-2个气泡的鼓泡速率，防止爆沸。体系达到预设温度后，调节微调阀和阀门2 (若b管液面高于c管，则需打开阀门2进行调节)，使b、c管液面相平，记录温度和压力数值。

重复上述实验操作，每次升温4 °C，记录b、c管液面相平时的平衡温度和液体蒸气压数值。本实验共测量7个实验点。

(4) 关闭实验仪器：实验完成后，依次缓慢打开微调阀、阀门2，使压力计恢复到零位。关闭冷凝水、恒温槽和数字压力计，拔下所有电源插头，清除冷阱保温杯中剩余冰块。所有实验设备和器材恢复至初始状态。

4 结果与讨论

4.1 实验结果

装置改进前后学生完成实验的情况对比见表1。改进后的实验装置操控性比较好，大部分学生在调节b、c管液面平衡时一次就可以成功，因调节失败导致空气倒灌的现象明显减少，学生整体完成实验的时间缩短了近1 h，实验数据准确性也有了较大提高。

表1 装置改进前后学生实验完成情况对比

使用改造好的装置测得的实验数据列于表2。

表2 乙醇饱和蒸气压实验数据记录表

4.2 实验数据处理依据

液体的饱和蒸气压随温度的变化关系用克劳修斯-克拉贝龙方程[9]表示：

式中，p是液体在温度T时的饱和蒸气压(kPa)；T是热力学温度(K)，ΔvapHm是液体的摩尔气汽化热；R是摩尔气体常数。当温度的变化范围较小时，ΔvapHm可视为常数。将(1)式积分得：

由(2)式可知，通过实验测量在不同温度条件下液体的饱和蒸气压，并将lnp-1/T作图，可得到一条直线。通过此直线的斜率可计算出实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热。当外压为101325 Pa，从图中可求得该液体的正常沸点。

4.3 实验数据处理结果

以lnp为纵坐标，1/T位为横坐标作图得一直线(图6)。由图6可知，lnp与1/T成线性关系，且直线的线性相关系数也比较好。

图6 lnp-1/T的关系及其线性拟合图

根据直线的斜率计算乙醇的平均摩尔汽化热△vapHm的数值。

与ΔvapHm的文献值41.50 kJ·mol-1相比[10]，平均摩尔汽化热相对误差为：

5 结语

本实验通过引入微流量调节阀对实验装置进行改进，解决了原装置调压困难、空气容易倒灌的问题，提高了实验数据的稳定性和准确性。改进后的装置操控性较好，从仪器的组装、样品的加入，到实验条件的精准调控，整个实验过程学生可一人单独操作完成，有助于加强学生对所用仪器基本原理的理解，提高学生的动手、动脑和创新思维能力。将改进后装置应用于上海市大学生化学实验竞赛，也取得了良好的效果。