物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中飽和蒸汽壓測定裝置的改進(jìn)

宋玉鶴，王 潔，梁吉雷，宋 娟，韋平和

(泰州學(xué)院，醫(yī)藥與化學(xué)化工學(xué)院，江蘇省手性醫(yī)藥化學(xué)品生物制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 泰州 225300)

物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中飽和蒸汽壓測定裝置的改進(jìn)

宋玉鶴，王 潔，梁吉雷，宋 娟，韋平和

(泰州學(xué)院，醫(yī)藥與化學(xué)化工學(xué)院，江蘇省手性醫(yī)藥化學(xué)品生物制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 泰州 225300)

液體飽和蒸汽壓測定是一個比較經(jīng)典的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，屬于化工熱力學(xué)范疇。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，傳統(tǒng)測定方法和實(shí)驗(yàn)裝置對于初學(xué)者來說存在不易操作、測定誤差較大等問題。因此，文章探討了實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)措施，使其更易于操作，并可以有效地縮短實(shí)驗(yàn)時間，提高效率。

飽和蒸汽壓；靜態(tài)法；動態(tài)法；新裝置；改進(jìn)

飽和蒸汽壓是液體化合物相變過程重要的熱力學(xué)參數(shù)，熟悉液體飽和蒸汽壓的變化特性和掌握其測定方法是高等學(xué)校理工科專業(yè)學(xué)生在物理化學(xué)課程中必須達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)。它對初學(xué)者加深“氣-液平衡”、“克勞修斯-克拉貝龍方程”、“吉布斯相律”、“狀態(tài)方程”等概念的理解有益。液體飽和蒸氣壓測定是多數(shù)高校物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必不可少的實(shí)驗(yàn)之一，測定方法可以分為靜態(tài)法、動態(tài)法和氣體飽和法[1-2]，我校在之前的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要采用靜態(tài)法測定。

1 原有實(shí)驗(yàn)方法和測定裝置存在的不足

在前期實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作者發(fā)現(xiàn)原有實(shí)驗(yàn)裝置存在諸多缺點(diǎn)，具體情況如下：

(1)采用靜態(tài)法測定時，由于溫度平衡與壓力平衡需要一個自我調(diào)整過程，作為初學(xué)者的學(xué)生，對體系沸點(diǎn)缺乏預(yù)判能力，時間把握不準(zhǔn)，讀取溫度缺乏耐心，造成測量值與真實(shí)值之間存在誤差。(2)實(shí)驗(yàn)對操作技術(shù)要求較高，尤其是雙液面等高操作較為困難，調(diào)平時間較長，初學(xué)者不易掌握測定技巧，往往學(xué)生們費(fèi)時費(fèi)力地測定出來的數(shù)據(jù)卻缺乏準(zhǔn)確性。(3)操作中對真空瓶的減壓程度不明，容易出現(xiàn)負(fù)壓用盡，難以保證減壓測定的連續(xù)性；抽氣時又容易引起空氣倒灌導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，造成實(shí)驗(yàn)返工。(4)采用U型管水銀壓力計測量系統(tǒng)壓力，受限于室內(nèi)壓力測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和室內(nèi)環(huán)境，其真實(shí)性值得懷疑，且U型管水銀壓力計易損壞。(5)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，常用試劑為苯，丙酮等，造成實(shí)驗(yàn)環(huán)境較差。(6)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，水浴容積大，與環(huán)境溫差大，精確控溫困難，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度不高；且受水浴上限溫度(≤90℃)制約，可測定的化合物不多。(7)若水浴溫度設(shè)定過高，水分蒸發(fā)快，液面下降使浸于液面下的等壓管露出，引起測量誤差；除此，水浴蒸汽也會對測量過程的溫度計造成影響，使溫度數(shù)值失真。(8)U型儲液管彎曲兩次，使得加液、取液困難。(9)靜態(tài)法的實(shí)驗(yàn)原理與“汽-液平衡”原理和“精餾原理”存在一定差別，不利于學(xué)生建立原理間的聯(lián)系。

作者經(jīng)查閱文獻(xiàn)[3-4]發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作者針對部分情況已經(jīng)作了不同程度的改進(jìn)，也達(dá)到了一定效果，但在實(shí)際教學(xué)工作中，作者還有一些自己的理解，并依據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會對現(xiàn)有測定方法和裝置提出了自己的修改建議。

2 實(shí)驗(yàn)方法和測定裝置的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)情況

針對上述問題，作者在綜合考慮了傳統(tǒng)液體飽和蒸氣壓測定裝置的不足，努力吸收了文獻(xiàn)所述方法各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對飽和蒸氣壓測定實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)：如采用精密水銀溫度計測定平衡溫度，增加溫度計露頸校正；采用數(shù)字式真空數(shù)顯測控儀測定壓力數(shù)值；改用環(huán)已烷或正丁醇(Tb>100℃)作為實(shí)驗(yàn)試劑，減少學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的污染等。

為了提高效率和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，作者借鑒液-液平衡釜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[5]，對現(xiàn)有靜態(tài)法液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)裝置中的平衡釜進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，設(shè)計了新平衡釜，采用超級恒溫循環(huán)水槽為靜態(tài)法新平衡裝置提供穩(wěn)定的平衡溫度，避免測定過程溫度控制不準(zhǔn)確情況的發(fā)生。

除此，作者還借鑒Rose汽-液雙循環(huán)平衡釜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[6]，設(shè)計了可用于液體飽和蒸汽壓測定的Rose-Song釜，該釜測定方法屬于動態(tài)法，釜底采用電磁攪拌加油浴供熱的組合形式，控制沸騰狀態(tài)，避免爆沸情況的發(fā)生，該裝置所測化合物在不同壓力下的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)不受100℃限制。

最后，作者分別選取環(huán)己烷(99.8 %)和正丁醇(99.8 %)作為被測化合物，采用新方法和新裝置實(shí)驗(yàn)測定了兩個化合物的飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，采用靜態(tài)法新裝置(圖1)測定了環(huán)己烷的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)，采用動態(tài)法新裝置(圖2)測定了正丁醇的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)。

2.2 新設(shè)計裝置結(jié)構(gòu)

圖1 改進(jìn)后的靜態(tài)法飽和蒸汽壓測定裝置

圖2 新設(shè)計動態(tài)法Rose-Song飽和蒸汽壓測定裝置

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

表1 環(huán)己烷飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)測量值與文獻(xiàn)值對比

表1(續(xù))

表2 正丁醇飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)測量值與文獻(xiàn)值對比

圖3 環(huán)己烷飽和蒸汽壓測定值與文獻(xiàn)值對比

圖4 正丁醇飽和蒸汽壓測定值與文獻(xiàn)值對比

通過采用新方法和新裝置測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.5%(以壓力計)，結(jié)果令人滿意，驗(yàn)證了新方法和新裝置測定效果的可靠性和準(zhǔn)確性，因此，可以在教學(xué)以及科研過程中推廣使用。

4 結(jié)語

通過引入數(shù)字壓力測定儀表、新設(shè)計測試裝置和引入環(huán)己烷、正丁醇作為實(shí)驗(yàn)試劑，完成了對舊有飽和蒸氣壓測定試驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。新方法和新裝置靈敏度高，方法簡單快捷，讀數(shù)容易，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，既保護(hù)了環(huán)境，又縮短了平衡時間，學(xué)生上手快，提高了學(xué)生的積極性、主動性，同時也符合目前提倡的物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)一人一組的教學(xué)改革要求。為液體飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)測定提供了一種較為精密的測量手段，有利于培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的動手能力。通過一學(xué)期的實(shí)驗(yàn)授課，改進(jìn)后的裝置實(shí)驗(yàn)效果良好，新裝置的引入使本實(shí)驗(yàn)具有了更為廣泛的應(yīng)用價值。

[1] 李 珊，鐘愛國. 靜態(tài)平衡法測定液體飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，2000, 14 (1): 77-79.

[2] Walas S M. Phase Equilibria in Chemical Engineering[M].1st ed. Boston: Butterworth, 1985.

[3] 梁克中，傅楊武. 液體飽和蒸汽壓實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J]. 重慶三峽學(xué)院學(xué)報， 2010 , 26 (3) :132-135.

[4] 楊 濤，汪建明，錢文霞，等. 液體飽和蒸汽壓測定實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J]. 高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2010 (1): 78-79.

[5] 劉德威，李青松，陳振新. 用濁點(diǎn)法-平衡釜法-變溫法測定四組二元系互溶度數(shù)據(jù) [J]. 天然氣化工，1994, 19 (3): 52-58.

[6] Song Y H, Li J Q, Zhang H P. Isobaric vapor-liquid equilibrium for the binary systems of1-butanol + methoxy(methoxymethoxy)methane, and1-butanol + 2,4,6,8-tetraoxanonane at 101.3 kPa [J]. Fluid Phase Equilib., 2014, 377: 33-37.

[7] 程能林. 溶劑手冊[M]. 5版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015.

ImprovementonMeasuringDeviceofSaturatedVaporPressureinTeachingofthePhysicalChemistryExperiment

SongYuhe,WangJie,LiangJilei,SongJuan,WeiPingh`e

(College of Pharmacy and Chemistry & Chemical Engineering，Jiangsu Key Laboratory of Chiral Pharmaceuticals Biosynthesis，Taizhou University，Taizhou 225300，China)

There is a classical physicochemical experiment for the measurement of saturated vapor pressure which belong to the category of chemical thermodynamics. For beginners, there are some problems about the traditional measurement methods and devices, such as complex operational approach and large measurement error. Therefore, we explored the improved method about the experimental method and experimental apparatus in this paper. The new method is easier to operate and saves more time, so the experimental efficiency will be improved.

saturated vapor pressure; stationary method; dynamic method; new device; improve

2017-09-18

宋玉鶴(1982—)，山東濟(jì)寧人，講師，工學(xué)博士，從事分離技術(shù)及工藝開發(fā)研究。

G642.423

B

1008-021X(2017)22-0100-02

(本文文獻(xiàn)格式：宋玉鶴，王潔，梁吉雷，等.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中飽和蒸汽壓測定裝置的改進(jìn)[J].山東化工，2017，46(22)：100-101，103.)