水的飽和蒸氣壓測定新方法
——綠色化教學(xué)改革研究

喬艷紅 孫玉繡

(天津師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院 天津 300387)

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革實(shí)踐中，可以通過對實(shí)驗(yàn)中的裝置、藥品、操作步驟等的改進(jìn)，減少環(huán)境污染、降低成本，提高安全性，使學(xué)生認(rèn)識到綠色化學(xué)的重要性，既增加學(xué)生的環(huán)保意識，激發(fā)學(xué)生對物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，又有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)技能[1-4]。綠色化教學(xué)改革研究正在成為物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革的熱點(diǎn)之一[5-6]。

液體飽和蒸氣壓的測定是基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一，常用的試劑是苯，而苯易揮發(fā)，且具有致癌性。雖有人將試劑改為乙醇，但依然存在實(shí)驗(yàn)成本高，真空操作過于繁雜且難控制的缺點(diǎn)[7]。一些針對實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)也沒有得到非常理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8-9]。

我們采用的是非真空系統(tǒng)、不用有機(jī)溶劑、以水為待測物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法，可以達(dá)到同樣的教學(xué)目的和實(shí)驗(yàn)效果。新的被測物質(zhì)水對人體無害，對環(huán)境無污染，價(jià)格便宜，使實(shí)驗(yàn)費(fèi)用大大降低。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

一定量的空氣被封閉于量氣管頂端(圖1)。量氣管上端的空氣為水蒸氣所飽和，在水蒸氣與空氣的氣體混合物中，水蒸氣的量隨溫度而變化，而空氣的量不變。

圖1 水的飽和蒸氣壓簡易測定裝置

顯然，在一定溫度下，兩管液面平齊時(shí)，有：

p大氣=p空氣+p水蒸氣

(1)

(2)

其中，T、V分別為測量溫度和空氣體積；n空氣是空氣的物質(zhì)的量。

假設(shè)在5℃時(shí)，p水蒸氣可以忽略，則有：

(3)

其中T0、V0分別為5℃以下測量空氣的溫度和體積。

將測量值T0、V0代入式(3)便可求得n空氣。將n空氣代入式(1)，即可算出各測量溫度下空氣的分壓p空氣；將p空氣代入式(2)，即可算出各測量溫度下水的飽和蒸氣壓。將各溫度下水的飽和蒸氣壓代入克勞修斯-克拉貝龍方程：

(4)

(5)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

U型量氣管一支，恒溫槽一套，塑料冰槽一個(gè)，精密溫度計(jì)(0～100℃)一支，長滴管一支，蒸餾水，冰，自來水。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

① 在U型量氣管中加入適量的蒸餾水，使管中封閉3～4mL空氣。

② 把U型量氣管放入冰槽中，調(diào)節(jié)冰槽溫度為3～5℃，用長滴管調(diào)節(jié)量氣管兩液面平齊后，讀取T0、V0。

③ 把U型量氣管放入恒溫槽中，調(diào)節(jié)恒溫槽溫度為75℃，恒溫后，用長滴管調(diào)節(jié)量氣管兩管液面平齊，讀取氣體體積。

④ 用上述方法每隔2℃左右測定一個(gè)量氣管中被封氣體的體積，分別記下數(shù)據(jù)。

⑤ 采取低溫到高溫的實(shí)驗(yàn)方案重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均按上述方法處理，將計(jì)算結(jié)果列于表2。

表1 數(shù)據(jù)記錄及計(jì)算

p大氣=1.0217×105Pa，冰槽溫度T0=277.55K，氣體體積V0=0.00340dm3。

圖2 經(jīng)Orgin軟件處理得到的線性關(guān)系圖

實(shí)驗(yàn)方案序號水的摩爾氣化熱/J·mol-1相關(guān)系數(shù)相對誤差/%高溫到低溫13.98×104-0.99931.9023.95×104-0.99902.7134.12×104-0.99921.48低溫到高溫14.56×104-0.962512.3224.65×104-0.941314.5334.78×104-0.959517.73

近兩年本校學(xué)生約400人做了降溫法測定水在不同溫度下的飽和蒸氣壓的實(shí)驗(yàn)，所求出的水的摩爾氣化熱與文獻(xiàn)值比較，相對誤差在2%之內(nèi)的學(xué)生大約占總?cè)藬?shù)的30%左右，而相對誤差在3%之內(nèi)的學(xué)生總數(shù)可以達(dá)到90%以上。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，用該方法測定水的飽和蒸氣壓的精度符合實(shí)驗(yàn)所允許的誤差要求(物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)的相對誤差在3%之內(nèi))。

2.2 結(jié)果分析

用同樣的實(shí)驗(yàn)方法,但采取由低溫到高溫的實(shí)驗(yàn)方案,得到的結(jié)果有較大的相對誤差和較差的線性相關(guān)系數(shù)。經(jīng)過分析，認(rèn)為采取降溫法得到的測量值比升溫法更準(zhǔn)確的原因如下：由于是在常壓下測定不同溫度水的飽和蒸氣壓，因此實(shí)驗(yàn)需要在較高溫度下進(jìn)行，此時(shí)如采用升溫法，一方面恒溫槽的滯后性表現(xiàn)明顯，靈敏度變差，溫度梯度變大，使所測得的蒸氣壓的偏差變大；另一方面，水在升溫過程中不容易達(dá)到飽和，也會使所測蒸氣壓的偏差變大。采用降溫法有助于克服這種缺陷。在高溫情況下，水的蒸氣壓達(dá)到飽和，逐漸降溫過程中可以保持這種飽和程度，因此測量偏差較小。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用了一種通過測量溫度和體積來測定水的飽和蒸氣壓的實(shí)驗(yàn)方法。通過對實(shí)驗(yàn)裝置和試劑的改進(jìn)，去掉了操作較難的真空實(shí)驗(yàn)技術(shù)，同時(shí)達(dá)到了綠色環(huán)保和降低成本的目的。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出，采取高溫到低溫方案得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無論從計(jì)算結(jié)果還是線性相關(guān)系數(shù)來看，都令人滿意，計(jì)算出的水的平均摩爾氣化熱與理論值相對誤差在3%之內(nèi)；而采用低溫到高溫實(shí)驗(yàn)方案得到的結(jié)果相對誤差較大，線性相關(guān)系數(shù)也相對較差。因此，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采取高溫到低溫的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)大概需用3～4小時(shí)，適合物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

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