新型調壓裝置在液體飽和蒸氣壓測定實驗中的應用

龔楚清　鄧　媛　鄧立志　夏春蘭

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072)

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新型調壓裝置在液體飽和蒸氣壓測定實驗中的應用

龔楚清*鄧媛鄧立志夏春蘭

(武漢大學化學與分子科學學院，武漢430072)

摘要：引入可控進氣量和具有獨立操作的增、減壓緩沖瓶的調壓裝置，使氣壓調節緩慢可控，能連續調節緩沖瓶內氣體壓力以適應不同溫度點的液體飽和蒸氣壓；可通過控制U形液柱緩慢移動來讀取氣液平衡狀態下飽和氣壓值，較好地克服了以往實驗中存在的調壓操作困難、易發生空氣倒灌及未知蒸氣飽和的問題，取得了良好的實驗效果，提高了實驗數據的準確性。

關鍵詞：物理化學實驗；液體飽和蒸氣壓；氣液平衡

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液體飽和蒸氣壓測定是經典的基礎物理化學實驗，對學生加深理解氣液平衡和掌握克勞修斯-克拉貝龍方程有重要作用，多年來高等院校普遍開設此項實驗內容[1－3]。測定液體飽和蒸氣壓的主要方法有動態法、靜態法和氣體飽和法，其中以靜態法的準確性最高[4]。目前高校多采用靜態法，但靜態法的實驗裝置較復雜，學生操控不當會給實驗結果帶來較大偏差，甚至是失敗。為提高實驗結果的準確性及實驗效率，很多工作者在溫度、壓力的顯示與調控、平衡管結構以及測定介質等多方面進行了改進[5－8]。然而靜態法實驗的關鍵操作是調壓控制，這也是該實驗操作的難點。目前的實驗調壓操作對于初次接觸該實驗的學生來說較困難，因為平衡管內的U形液柱對兩端壓力差非常敏感，若調壓時氣壓變化大，則容易發生U形液柱過沖或外部氣體倒灌，導致實驗失敗。此外，還存在讀數時未知密閉的液體蒸氣是否處于飽和狀態的問題。

我們在現階段較廣泛使用的成套實驗設備基礎上，引入新型調壓裝置，實現了可連續、緩慢調控氣體壓力以適應不同溫度點時的飽和蒸氣壓，并能控制U形液柱緩慢移動，較好解決了上述存在的問題。

1　實驗裝置說明及改進

1.1典型實驗裝置及優缺點

當前采用較多的成套實驗裝置如圖1所示。該實驗裝置有明顯優點：采用恒溫水浴槽實現溫度自動控制；配備數字控溫儀和精密數字(真空)壓力計，其溫度和壓力顯示靈敏、及時；溫度和壓力測控精度高，分別為±0.1°C和±0.01 kPa，完全可滿足實驗要求，因而高校較廣泛采用此實驗裝置[9－11]。

圖1　靜態法測定液體飽和蒸氣壓的實驗裝置

該實驗裝置的不足點是以儲氣罐形式調壓在操作上比較難于控制。存在問題如下：(1)該實驗裝置在調壓連通大氣時，由于是幾乎將壓力約100 kPa的外界空氣直接連通U型等位計一端中，容易發生進氣過量，需要再次抽真空，還可能會發生空氣倒灌導致實驗失敗；(2)儲氣罐螺旋墊片式閥門因長期擠壓循環使用，易導致閥門內密封墊片破損，造成系統漏氣，而檢查和排除工作較為費時；(3)若調壓時使U形液柱快速移動至兩端平齊時讀取壓力計數值，則因待測液體蒸氣體積瞬間膨脹或壓縮變化時，液體蒸氣并不一定達到氣液平衡狀態，此時讀取的壓力數值并不能正確指示飽和氣壓值，故以往的實驗中往往發現數據重復性較差，結果誤差大。

1.2改進實驗裝置說明

為使調壓操作緩慢、可控進行，我們對調壓部分作了改進，用圖2裝置代替圖1中的緩沖儲氣罐來調節氣壓。其中增、減壓緩沖瓶為2500 mL的玻璃抽濾瓶(抽濾支管被融封)，毛細玻璃管是外徑為8 mm而中心是毛細孔的玻璃管，各部分連接裝置為真空橡皮管及玻璃三通。

新調壓裝置具有如下特點：(1)可控制增壓緩沖瓶進氣量。刻度吸量管11下端浸沒在真空泵油中，在活塞8處于關閉狀態下，活塞7可控制泵油吸入吸量管的量，即增壓緩沖瓶進氣量；(2)易于操控。通過毛細玻璃管9減緩氣體流動速度使得進氣量操控方便，而且因為采用真空玻璃活塞，其密封性好，即便漏氣也容易處理，且活塞轉動靈活，可連續細微轉動，能緩慢連續控制氣流量的大小；(3)可獨立、連續調節氣壓。增、減壓緩沖瓶是以并聯方式連接在測量管路上，可分別實現增壓和減壓；(4)可預定調節增壓緩沖瓶的壓力變化量。通過估算調節增壓緩沖瓶的壓力變化量。因此該實驗裝置可實現調壓可控、緩慢進行，不易漏氣，操作方便。

關于可預定調節增壓緩沖瓶壓力變化量作如下說明：在一般實驗室的溫度及氣壓條件下，氣體狀態可簡化為理想氣體處理，假設調壓前增壓緩沖瓶氣體量為n1mol，氣壓為p1，體積為V1，室溫為T1，外界大氣壓為p0。當進行進氣操作后，刻度吸量管吸入泵油量為V2，即外界空氣進入量為V2，此空氣量為n2mol，此時增壓緩沖瓶氣壓為p2，溫度為T2。

圖2　改進的調壓裝置

根據理想氣體狀態方程，調壓前：

為簡化數學推算處理，可認定此V2體積的空氣全部進入增壓緩沖瓶。(實際上，由于氣壓變化，進氣量稍小于V2，但整體影響小，可忽略。)

進氣調壓后：

調節前后溫度變化不大，可設定調節前后氣體溫度不變，即T1= T2，則將式(a)、式(b)代入式(c)，整理得：

由式(e)可見，增壓緩沖瓶氣壓增量直接同進氣量及增壓緩沖瓶容積比例有關。在該實驗裝置條件下，最大可測控的進氣量V2為25 mL，增壓緩沖瓶容積為2500 mL，則可得最大的氣壓增量為外界大氣壓力的百分之一，這比原實驗裝置直接將外界空氣連通到U型等位計中的操控好得多，且真空活塞可控制V2連續減小，故可連續控制增壓量。

由此，可根據式(e)預先設定所需氣壓的增壓量，逐步調節緩沖瓶氣壓接近平衡管內氣壓，避免出現調壓時因增壓過大導致空氣倒灌的現象。

那么調壓前后增壓緩沖瓶氣壓增量為：

2　實驗部分

2.1儀器及試劑

儀器：DP-AF成套飽和蒸氣壓實驗裝置(南京桑力電子設備廠產品，但調壓部分改為圖2裝置)，真空泵，精密溫度計，水銀氣壓計。

試劑：無水乙醇(上海國藥)。

2.2實驗操作方法

首先裝樣，取下平衡管加入無水乙醇，加入量同以前方式一樣。然后連接好各管路及溫控、測量部分，進行系統檢漏，排除漏氣，壓力計示值穩定后可進行升溫模式測定不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓。以上操作同現有實驗教材相同，有關排空氣、調節氣壓和讀數操作則不同，分別說明如下：

(1)排除平衡管密封氣體中的空氣。升溫前先將已連接好且檢查不漏氣的平衡管小心地整體浸沒在冰水混合物中，在冰水浴狀態下抽真空至平衡管內乙醇沸騰5 min左右以除凈密閉乙醇蒸氣中混雜的空氣。

(2)調壓操作。當第一個溫度點穩定數分鐘后，觀察平衡管U形液柱兩端高低情況，若液柱b端低于c端(圖1)，說明密閉乙醇蒸氣壓低于壓力計示值，需要增壓操作；反之，則需要減壓操作。減壓操作相對較簡單，即小范圍迅速啟閉活塞4(圖2)一次，再觀察U形液柱移動情況，若不夠可重復此操作。即使減壓操作把握欠佳致使減壓過度，亦可通過增壓操作恢復而無不當后果。而增壓操作則需謹慎適度，不能一次增壓過大導致空氣倒灌。增壓操作步驟為：①記錄氣壓計當前示值。②調控增壓緩沖瓶內氣壓值較記錄值高1－10 kPa。先觀測增壓緩沖瓶內氣壓值，即將活塞1關閉后再完全開啟活塞5(圖2)，此時氣壓計示值即為增壓緩沖瓶內氣壓值，將此值同先前記錄值進行比較，再據此差值大小，按前面給出的式(e)反推計算出所需進氣量，然后進行進氣操作。進氣操作如下：在活塞8處于關閉狀態下，旋動活塞7控制吸入所需量的泵油進入吸量管，然后關閉活塞7，完成一次進氣操作。(注意隨后將活塞8連通大氣，讓吸量管中泵油自然流出，吸量管恢復充填空氣，為下一次進氣操作做好準備。)若一次增壓操作緩沖瓶氣壓仍不夠，可重復此進氣過程至氣壓值達到目標范圍。③增壓調平U形液柱，當增壓緩沖瓶氣壓調整好后，緩慢轉動活塞5(圖2)，可以控制U形液柱c端(圖1)緩慢向下移動，至兩端平齊時，關閉活塞5，完成增壓調平操作。

(3)讀取實驗數據模式。經過上述調壓操作后在U形液柱平齊時，讀取氣壓計示值，此值即為該溫度點乙醇的飽和蒸氣壓。注意：讀數時調壓操作模式均是先減壓至U形液柱b端稍低于c端后(圖1)，然后緩慢進行增壓操作，讓平衡管內封閉氣體處于被外壓緩慢壓縮至氣液平衡狀態(平衡狀態的判斷：可從實驗中觀察到密閉的氣體在壓縮移動過程中有短暫時間內的數字氣壓計數值維持不變)時讀取氣壓計數值，該模式操作能確保密封的液體蒸氣達到飽和，使數據的重復性和可靠性得以提高，從而減少系統誤差。

3　實驗結果

筆者使用改進后的實驗裝置測試了不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓，實驗結果數據及計算結果見表1。

由表1可知，實驗所測不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓數值同安托尼方程式計算結果相當接近，說明新實驗裝置對于數據的準確性有較好的提升效果。

根據飽和蒸氣壓與溫度關系的克勞修斯-克拉貝龍方程式：

積分得：

表1　不同溫度下測得的乙醇飽和蒸氣壓(室溫：22.1°C，室內氣壓：100.98 kPa)

利用表1的lnp與1/T數據作圖處理得到線性關系直線及其方程式，據其斜率可求得乙醇的摩爾蒸發熱?vapHm(圖3)。求得?vapHm= 4.954×8.314×1000 = 41.12 kJ?mol－1，很接近據文獻[13]熱力學數據計算出的?vapHm平均值41.50 kJ?mol－1。可見改進調壓方式后所得數據準確性好，且線性相關系數高，進一步說明新實驗裝置對實驗結果的準確性有明顯提高。

圖3　lnp-T－1關系及線性擬合圖

表2　新舊調壓方式學生完成實驗情況對比

學生完成該實驗的情況見表2。由表2可知：由于學生實驗時手、眼動作協調能力原因，在儲氣罐調壓方式下，超過半數的學生會發生U形液柱調平時增壓過量致空氣倒灌而不得不重新開始實驗；而新調壓方式下可預置增壓，僅少數學生會因操作不當發生空氣倒灌現象。新調壓方式下整體學生完成該實驗的時間較以前縮短約1小時，而且計算出的乙醇汽化熱實驗結果準確度大幅度提高。故調壓方式的改進有利于學生實驗操作，并能提高結果的準確度。

4　結論

使用新型的調節氣壓實驗裝置，容易操控緩沖瓶氣壓，較好地解決了原有裝置的漏氣、空氣倒灌等問題，實驗數據準確性得以提高，在實驗教學中獲得好評，并應用于大學生化學實驗邀請賽物理化學實驗競賽中，收到了良好的效果。

參考文獻

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?化學實驗?

The Application of New Gas Pressure Adjustment Device in the Experiment on Saturated Vapor Pressure Measurements

GONG Chu-Qing*DENG YuanDENG Li-ZhiXIA Chun-Lan
(College of Chemistry and Molecular Science, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China)

Abstract:By introducing two gas buffer vessels, one for increasing pressure and the other for decreasing pressure, which can be operated independently, a new apparatus was established on the adjustment of gas pressure through controlling of air input. It was easy to control the gas pressure of buffer vessel continuously following the variation of vapor tension in different temperatures. Experimental data can be obtained when the gas and liquid are in equilibrium by manipulating the slow move of U shape liquid. This system has achieved satisfactory effects in the application for its advantages on easiness in operation, stability and data accuracy, etc.

Key Words:Physicochemical experiment; Saturated vapor pressure of liquid; Gas-liquid equilibrium

中圖分類號：O64；G64

doi:10.3866/PKU.DXHX20160349

*通訊作者，Email: gongcq@whu.edu.cn