液體飽和蒸汽壓的測定實驗條件初探

肖文敏，鄭玉敏，趙千惠，趙 波，楊 靜

（1.赤峰學院 化學化工學院，內蒙古 赤峰 024000；2.內蒙古光電功能材料重點實驗室，內蒙古 赤峰 024000）

在密閉條件中，在一定溫度下，與液體處于相平衡的蒸氣所具有的壓強稱為飽和蒸氣壓[1-4].同一物質在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓，并隨著溫度的升高而增大.純溶劑的飽和蒸氣壓大于溶液的飽和蒸氣壓.液體飽和蒸汽壓可用于計算空氣中的相對濕度，也是測定摩爾汽化熱所必須測定的數據[5].同時也是化學相關專業本科生在物理化學實驗中必做的一個重要實驗[3].液體飽和蒸汽壓的測量方法主要有三種[4]：動態法，在不同外部壓力下測定液體的沸點；飽和氣流法，在液體表面上通過干燥的氣流，調節氣流速度，使之能被液體的蒸汽所飽和，然后進行氣體分析，計算液體的蒸汽壓；靜態法測定液體飽和蒸氣壓，是指在某一溫度下，直接測量飽和蒸氣壓，此法一般適用于蒸氣壓比較大的液體.靜態法測量不同溫度下純液體飽和蒸氣壓，有升溫法和降溫法二種[6].本次實驗采用升溫法測定不同溫度下純液體的飽和蒸氣壓，根據近幾年學生液體飽和蒸汽壓的測定實驗的實驗數據研究發現，誤差都相對較大.本文通過對不同樣品，不同溫度，不同抽氣時間的測定，預期尋找出誤差來源，以其對液體飽和蒸汽壓的測定實驗的理論及實驗教學有所幫助.

1 實驗原理[3-4]

通常溫度下(距離臨界溫度較遠時)，純液體與其蒸氣達平衡時的蒸氣壓稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓，簡稱為蒸氣壓.蒸發1mol液體所吸收的熱量稱為該溫度下液體的摩爾汽化熱.

液體的蒸氣壓隨溫度而變化，溫度升高時，蒸氣壓增大；溫度降低時，蒸氣壓降低，這主要與分子的動能有關.當蒸氣壓等于外界壓力時，液體便沸騰，此時的溫度稱為沸點，外壓不同時，液體沸點將相應改變.當外壓為101.325kPa時，液體的沸點稱為該液體的正常沸點.

液體的飽和蒸氣壓與溫度的關系用克勞修斯-克拉貝龍方程式表示：

式中，R為摩爾氣體常數；T為熱力學溫度；ΔvapHm為在溫度T時純液體的摩爾氣化熱.

假定ΔvapHm與溫度無關，或因溫度范圍較小，ΔvapHm可以近似作為常數，積分上式，得：

其中C為積分常數.由此式可以看出，以lnp對1/T作圖，應為一直線，直線的斜率為由斜率可求算液體的ΔvapHm.

2 實驗部分

2.1 實驗儀器及藥品

飽和蒸氣壓測量裝置教學試驗儀1套（包括恒溫水槽1臺、等壓計1支、數字壓力計1臺）真空泵1臺及附件

精密溫度溫差測量儀（JTD-2A）1臺

乙醇（AR）環己烷（AR）異丙醇（AR）甲醇（AR）

2.2 實驗裝置圖

圖1 液體飽和蒸氣壓測定裝置圖

2.3 實驗步驟

2.3.1 安裝儀器 取下平衡管8，洗凈、烘干，裝入待測液.使A球內有2/3體積的液體.并在B，C管中也加入適量液體，將平衡管接在冷凝管的下端.

2.3.2 抽真空、系統檢漏 將進氣閥2打開，閥1關閉.抽氣減壓至壓力計顯示壓差為-80KPa時關閉進氣閥和閥2，如壓力計示數能在3-5min內維持不變，則系統不漏氣.

2.3.3 打開飽和蒸氣壓測定教學試驗儀電源開關，預熱5min后，調量綱旋鈕至“kpa”檔.使飽和蒸氣壓測定教學試驗儀通大氣，再按下“清零”鍵.

2.3.4 關閉大氣閥，打開減壓閥，設定溫度25℃，進行加熱.當發現氣泡成串冒出時，乙醇開始沸騰，關閉減壓閥，沸騰一會后，緩慢開啟大氣閥（增壓閥），直至等壓計U型管兩端液面平齊，迅速關閉增壓閥，記錄此時飽和蒸汽壓教學以上的壓差值△p.

2.3.5 調節恒溫水浴槽的溫度，每次升溫5℃，待系統恒溫后，液體將再次沸騰；在緩慢開啟增壓閥，緩緩放入空氣，直至等壓計U型管倆端液面平齊.迅速關閉旋塞，記錄此時飽和蒸氣壓教學試驗儀上的壓差值△p.

2.3.6 重復4中的操作，直至溫度上升至50℃，則停止加熱.

2.3.7 實驗結束后，打開減壓閥和增壓閥，關閉教學實驗儀，恒溫水浴槽的開關，將系統排空，然后關閉真空泵，切斷電源.

所有實驗均在室溫為22℃，壓力94.45kpa下完成.

3 結果與討論

3.1 不同樣品對飽和蒸汽壓測定實驗的影響

圖2為乙醇，甲醇，異丙醇及環己烷四個樣品的lnp—1/T線性擬合圖，并給出了四個樣品的擬合公式.表1列出了線性擬合的參數包括截距，斜率，相關系數R，通過截距和斜率，利用克勞修斯-克拉貝龍方程式計算了各個樣品的摩爾汽化熱ΔH汽化熱及沸點T沸點.分析相關系數R在0.990～0.996之間，說明我們做的線性擬合較好，處理數據的精度較高.

圖2 乙醇，甲醇，異丙醇及環己烷的lnp—1/T線性擬合圖

表1 四種樣品的線性擬合參數截距，斜率，相關系數 R，ΔvapHm(KJ/mol)，T 沸點(℃)，T 理論值(℃)，相對誤差

分析表1的數據可知，四個樣品乙醇的相對誤差為2.5%，甲醇的相對誤差為1.0%，異丙醇的相對誤差為4.6%，環己烷的相對誤差為17.4%，分析這四個樣品的相對誤差，甲醇最小，其次為乙醇，再其次為異丙醇，最大的為環己烷.因此在實驗室中，甲醇是做飽和蒸汽壓實驗的最佳樣品，其次為乙醇，因為甲醇的毒性要高于乙醇，在實驗室普遍選取乙醇作為樣品.

3.2 不同溫度對飽和蒸汽壓測定實驗的影響

表2 不同溫度下測定乙醇的飽和蒸汽壓

2為分別在 25，35，40，50℃溫度下測定的乙醇液體的飽和蒸汽壓，我們通過將其與理論值比較可知，在25℃時的飽和蒸汽壓最接近理論值，隨著溫度越來越高，和理論值的偏差越來越大，因此，對于液體飽和蒸汽壓測定實驗來說，基礎溫度從低溫開始做，實驗結果較好.

3.3 不同抽氣時間對飽和蒸汽壓測定實驗的影響

本文考察了在25℃時，不同抽氣時間對液體飽和蒸汽壓測定實驗的影響，測定方法為：先測定不同抽氣時間的飽和蒸汽壓p，求出其lnp值，在圖1乙醇的擬合曲線圖中找到lnp對應的1/T值，求出其倒數就得出不同抽氣時間的蒸汽壓下的溫度值.再與25℃相比較，就可得出最佳抽氣時間.數據列于下表3.

表3 不同抽氣時間乙醇的飽和蒸汽壓及沸點

分析表3 數據可知，抽氣時間為1，2，3，4，5min時的沸點分別為 35.3，24.6，34.2，33.2，32.8℃，抽氣為2min中的時候沸點最接近于25℃，其余時間誤差都較大，因此，液體飽和蒸汽壓測定實驗的最佳抽氣時間為2min.

4 結論

本文通過靜態法考察了不同樣品，不同實驗溫度，不同抽氣時間對飽和蒸汽壓的測定實驗的影響，得出如下結論：

(1)四個樣品乙醇的相對誤差為2.5%，甲醇的相對誤差為1.0%，異丙醇的相對誤差為4.6%，環己烷的相對誤差為17.4%.這四個樣品的相對誤差，甲醇最小，其次為乙醇，再其次為異丙醇，最大的為環己烷.因此在實驗室中，甲醇是做飽和蒸汽壓實驗的最佳樣品.

(2)25，35，40，50℃溫度下測定的乙醇液體的飽和蒸汽壓，與理論值比較可知，在25℃時的飽和蒸汽壓最接近理論值.

(3)測定不同抽氣時間發現，液體飽和蒸汽壓測定實驗的最佳抽氣時間為2min.

〔1〕林敬東，閆石，韓國彬，廖代偉.液體飽和蒸汽壓測定實驗的改進[J].實驗室研究與探索，2012,31(3)：19～20.

〔2〕黃燕梅，余在華，周錫波.液體飽和蒸氣壓測定實驗裝置的改進[J].實驗科學與技術，2007，5(4)：145～147.

〔3〕南京大學，等.物理化學實驗[M].北京：高等教育出版社,2014.21-24.

〔4〕復旦大學，等.物理化學實驗[M].北京：高等教育出版社,1993.35-38.

〔5〕韓學孟.一種實用的水飽和蒸汽壓擬合方程[J].山西農業大學學報，1996，16(3)：278-280.

〔6〕陳燕芹,等.升溫法與降溫法測定純液體飽和蒸汽壓的對比[J].山東化工，2013,42(9)：135-138.