蒸餾燒瓶中上下溫度存在差異的原因探析

吳孫富+陳國雄

摘要：經實驗探究指出，蒸餾燒瓶中上下各處溫度存在差異的兩個主要原因，一是傳熱導致了蒸氣在上升過程中降低了溫度，二是溫度計水銀線受熱的長短不同；實驗時溫度計水銀球的位置應與蒸餾燒瓶的支管口持平；提出了四條降低蒸氣測定溫度與蒸氣實際溫度間誤差的建議。

關鍵詞：蒸餾燒瓶；溫度讀數差異；實驗探究

文章編號：1005–6629（2015）7–0066–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

虞麗和劉長林二位老師在“由一道高考實驗題啟示的實驗探索及教學反思”[1]一文中用實驗探究了蒸餾過程中蒸餾燒瓶中不同位置的溫度。虞、劉二位老師用于探究的實驗裝置如圖1所示，蒸餾燒瓶中溫度計水銀球的各位置如圖2所示，在實驗中所測的溫度如表1所示。

虞、劉二位老師由實驗得出的“顯然”結論是：蒸氣剛要離開蒸餾燒瓶路徑上的第三點位置準確表示了蒸餾液體的沸點。由此結論，虞劉二位老師否定了“蒸餾裝置中，溫度計水銀球的位置應與蒸餾燒瓶支管口持平”的說法，確定了一種新說法“水銀球上端與蒸餾燒瓶支管口的下沿處于同一水平線上”。

虞、劉二位老師的實驗探究可以說明一些問題，但得出的“顯然”結論是值得商榷的，燒瓶中不同位置的沸點溫度及溫度存在差異的原因需要探究說明。在此，筆者特就這兩個問題作如下探討。

2 蒸餾燒瓶中上下各處溫度存在差異的原因

蒸餾燒瓶中上下各處的溫度存在著一定的溫度梯度，這是與該實驗操作的事實相吻合的。蒸餾燒瓶中上下各處的溫度為什么會存在著溫度梯度呢？其原因主要有如下兩點。

一是傳熱導致了降溫。用上述裝置實驗時，酒精燈是放在蒸餾燒瓶底部加熱的，燒瓶壁并沒有采取任何隔熱措施。燒瓶中的水受熱沸騰后，燒瓶中逸出的水蒸氣逐步上升，水蒸氣在上升過程中會與燒瓶壁發生熱交換，發生熱交換的結果是使水蒸氣的溫度逐步降低。水蒸氣在上升過程中降溫后，會有一部分蒸氣分子凝聚為微液滴，這些微液滴在下層蒸氣的推動下難以下落——就像霧中的微液滴難以下落一樣，會直接逸出蒸餾燒瓶的支管口。這就使得支管口的水蒸氣事實上并不是100℃、一個標準大氣壓下的純水蒸氣（含微液滴），所以支管口的水蒸氣在事實上確實會比沸水的溫度略低一些。

傳熱導致溫度降低的程度大小主要受環境溫度和蒸餾燒瓶的高度影響。一般來說，環境溫度越低，燒瓶內外溫差就會越大，燒瓶壁的傳熱速率就會越大，由此就會導致水蒸氣的降溫程度越大。支管口離液面的高度越高，蒸氣流動所需的時間就越長，外傳的熱量就會越多，由此導致的降溫程度也會越大。反之亦然。

二是溫度計水銀球位置的逐步上升會導致測量的溫度逐步降低。在虞、劉二位老師的實驗中，溫度計所處的位置大至可分為兩大部分，一部分處在塞子下沿以下的蒸氣（包括沸水）中、一部分處在塞子下沿以上的蒸氣外。溫度計處在蒸氣中的水銀線部分受到了蒸氣的加熱，溫度計處在蒸氣外的水銀線部分沒有受到蒸氣的加熱。由于“普通溫度計的刻度是在溫度計的水銀線全部均勻受熱的情況下刻出來的”[2]，所以溫度計水銀線處在蒸氣中的部分越多、測定結果就越接近于準確值，溫度計水銀線處在蒸氣中的部分越少，測定結果就越偏小于準確值。在圖2中，溫度計水銀球的位置在從1移向6的過程中，溫度計水銀線處在蒸氣中的部分越來越多，這就會使測定的溫度越來越高。

這兩個因素的影響使得虞、劉二位老師所測的蒸餾燒瓶中的沸點自下至上逐步降低。

3 水的沸點問題

攝氏溫標[3]是瑞典人攝氏（Celsius）于1740年提出的。攝氏溫標是指：在一個標準大氣壓下，把水的冰點規定為0度，水的沸點規定為100度。根據水的這兩個固定溫度點對玻璃水銀溫度計進行分度，將玻璃水銀溫度計的這兩個固定溫度點間的長度100等分，每一等分稱為1攝氏度，記作 1℃。由此可見，在一個標準大氣壓下，水的冰點必定為0℃、水的沸點必定為100℃。若在一個標準大氣壓下所測水的冰點和沸點與此不符，則溫度計或測定方法中至少有一項存在問題。

由于在一個標準大氣壓下的純水沸點和純水蒸氣的溫度都是100℃，所以在虞、劉二位老師的測定實驗中，當水銀球處在第6個測定點時測定的溫度應該最接近100℃，因為此時的溫度計水銀線處在蒸氣（沸水）中的部分最多。

虞、劉二位老師在第6個測定點測定的水的沸點明顯偏高，其可能的原因主要有兩點。一是在進行實驗測定時的大氣壓偏高，大氣壓高于一個標準大氣壓，因為壓強越大，所測同一種物質的沸點越高。遺憾的是虞、劉二位老師沒有說明測定時的大氣壓數值。二是溫度計的零點發生了變動，溫度計的實際零點高于標定零點，需要對溫度計的刻度進行校正。若用“定點法”[4]校正溫度計的話，可以用一個標準大氣壓下水的冰點和沸點進行校正。

4 溫度計水銀球在蒸餾燒瓶中的位置問題

由上述探討知，虞、劉二位老師所說的“水銀球上端與蒸餾燒瓶支管口的下沿處于同一水平線上”并不是溫度計水銀球應該放置的正確位置，此位置實際上是在大氣壓不確切、溫度計可能不準的情況下碰巧測出了一個100.0℃。

由上述探討知，在一個標準大氣壓下，在通常的實驗條件下（如虞、劉二位老師的實驗），在溫度計刻度已經校正的前提下，溫度計水銀球的位置不論是與蒸餾燒瓶的支管口持平，還是水銀球上端與蒸餾燒瓶支管口的下沿處于同一水平線上，實驗所測的蒸氣溫度都會略低于相應純物質的沸點。

筆者認為，溫度計水銀球的位置還是應該與蒸餾燒瓶的支管口持平，因為我們所測的溫度是支管口的氣體溫度。

在化學實驗中，系統誤差不可避免會存在，我們要找出存在系統誤差的原因，想辦法盡量消除或降低系統誤差，而不是回避系統誤差。筆者在上述探討中已經找出了蒸餾時支管口氣體溫度存在系統誤差的主要原因，為了降低這種系統誤差，我們在實驗中可以采取以下一些措施降低誤差。一是校正溫度計的刻度和溫度計外露段引起的讀數誤差，這兩種校正的文字敘述較多，有興趣的老師可以參看相關的文獻[5]。二是在室溫較高的情況下進行實驗，可以降低蒸氣與器壁的熱交換速率。三是在蒸餾燒瓶中適當多裝一些液體，降低液面與支管口之間的高度差，這可以減少蒸氣與器壁熱交換的時間。四是在蒸餾燒瓶的周圍放置用隔板制作的擋風墻，這可以減少空氣的流動、提高蒸餾燒瓶周圍的環境溫度。

以上措施的實施可以降低所測蒸氣溫度與物質沸點之間的差距，但誤差是一定存在的。我們要明確的是：實驗所測數據的“準確”不一定是正確，實驗所測數據“存在偏差”不一定是錯誤。教師要努力弄清楚“準確”與“存在偏差”的原因，想辦法解決問題，科學地解答教學中出現的問題。

參考文獻：

[1]虞麗，劉長林.由一道高考實驗題啟示的實驗探索及教學反思[J].化學教學，2013，（6）：64～65.

[2][4][5]曾昭瓊主編.有機化學實驗（第1版）[M].北京：人民教育出版社，1981.

[3]百度搜索：攝氏溫標.