蒸餾燒瓶中上下溫度存在差異的原因探析

吳孫富+陳國(guó)雄

摘要：經(jīng)實(shí)驗(yàn)探究指出，蒸餾燒瓶中上下各處溫度存在差異的兩個(gè)主要原因，一是傳熱導(dǎo)致了蒸氣在上升過(guò)程中降低了溫度，二是溫度計(jì)水銀線受熱的長(zhǎng)短不同；實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度計(jì)水銀球的位置應(yīng)與蒸餾燒瓶的支管口持平；提出了四條降低蒸氣測(cè)定溫度與蒸氣實(shí)際溫度間誤差的建議。

關(guān)鍵詞：蒸餾燒瓶；溫度讀數(shù)差異；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2015）7–0066–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

虞麗和劉長(zhǎng)林二位老師在“由一道高考實(shí)驗(yàn)題啟示的實(shí)驗(yàn)探索及教學(xué)反思”[1]一文中用實(shí)驗(yàn)探究了蒸餾過(guò)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(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，蒸餾燒瓶中溫度計(jì)水銀球的各位置如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的溫度如表1所示。

虞、劉二位老師由實(shí)驗(yàn)得出的“顯然”結(jié)論是：蒸氣剛要離開(kāi)蒸餾燒瓶路徑上的第三點(diǎn)位置準(zhǔn)確表示了蒸餾液體的沸點(diǎn)。由此結(jié)論，虞劉二位老師否定了“蒸餾裝置中，溫度計(jì)水銀球的位置應(yīng)與蒸餾燒瓶支管口持平”的說(shuō)法，確定了一種新說(shuō)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(shí)驗(yàn)探究可以說(shuō)明一些問(wèn)題，但得出的“顯然”結(jié)論是值得商榷的，燒瓶中不同位置的沸點(diǎn)溫度及溫度存在差異的原因需要探究說(shuō)明。在此，筆者特就這兩個(gè)問(wèn)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(shí)驗(yàn)操作的事實(shí)相吻合的。蒸餾燒瓶中上下各處的溫度為什么會(huì)存在著溫度梯度呢？其原因主要有如下兩點(diǎn)。

一是傳熱導(dǎo)致了降溫。用上述裝置實(shí)驗(yàn)時(shí)，酒精燈是放在蒸餾燒瓶底部加熱的，燒瓶壁并沒(méi)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(guò)程中會(huì)與燒瓶壁發(fā)生熱交換，發(fā)生熱交換的結(jié)果是使水蒸氣的溫度逐步降低。水蒸氣在上升過(guò)程中降溫后，會(huì)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(dòng)下難以下落——就像霧中的微液滴難以下落一樣，會(huì)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(shí)上并不是100℃、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)上確實(shí)會(huì)比沸水的溫度略低一些。

傳熱導(dǎo)致溫度降低的程度大小主要受環(huán)境溫度和蒸餾燒瓶的高度影響。一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度越低，燒瓶?jī)?nèi)外溫差就會(huì)越大，燒瓶壁的傳熱速率就會(huì)越大，由此就會(huì)導(dǎo)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(dòng)所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，外傳的熱量就會(huì)越多，由此導(dǎo)致的降溫程度也會(huì)越大。反之亦然。

二是溫度計(jì)水銀球位置的逐步上升會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的溫度逐步降低。在虞、劉二位老師的實(shí)驗(yàn)中，溫度計(jì)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(jì)處在蒸氣中的水銀線部分受到了蒸氣的加熱，溫度計(jì)處在蒸氣外的水銀線部分沒(méi)有受到蒸氣的加熱。由于“普通溫度計(jì)的刻度是在溫度計(jì)的水銀線全部均勻受熱的情況下刻出來(lái)的”[2]，所以溫度計(jì)水銀線處在蒸氣中的部分越多、測(cè)定結(jié)果就越接近于準(zhǔn)確值，溫度計(jì)水銀線處在蒸氣中的部分越少，測(cè)定結(jié)果就越偏小于準(zhǔn)確值。在圖2中，溫度計(jì)水銀球的位置在從1移向6的過(guò)程中，溫度計(jì)水銀線處在蒸氣中的部分越來(lái)越多，這就會(huì)使測(cè)定的溫度越來(lái)越高。

這兩個(gè)因素的影響使得虞、劉二位老師所測(cè)的蒸餾燒瓶中的沸點(diǎn)自下至上逐步降低。

3 水的沸點(diǎn)問(wèn)題

攝氏溫標(biāo)[3]是瑞典人攝氏（Celsius）于1740年提出的。攝氏溫標(biāo)是指：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。根據(jù)水的這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)對(duì)玻璃水銀溫度計(jì)進(jìn)行分度，將玻璃水銀溫度計(jì)的這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)間的長(zhǎng)度100等分，每一等分稱為1攝氏度，記作 1℃。由此可見(jiàn)，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)必定為0℃、水的沸點(diǎn)必定為100℃。若在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下所測(cè)水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)與此不符，則溫度計(jì)或測(cè)定方法中至少有一項(xiàng)存在問(wèn)題。

由于在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的純水沸點(diǎn)和純水蒸氣的溫度都是100℃，所以在虞、劉二位老師的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水銀球處在第6個(gè)測(cè)定點(diǎn)時(shí)測(cè)定的溫度應(yīng)該最接近100℃，因?yàn)榇藭r(shí)的溫度計(jì)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(gè)測(cè)定點(diǎn)測(cè)定的水的沸點(diǎn)明顯偏高，其可能的原因主要有兩點(diǎn)。一是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)的大氣壓偏高，大氣壓高于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，因?yàn)閴簭?qiáng)越大，所測(cè)同一種物質(zhì)的沸點(diǎn)越高。遺憾的是虞、劉二位老師沒(méi)有說(shuō)明測(cè)定時(shí)的大氣壓數(shù)值。二是溫度計(jì)的零點(diǎn)發(fā)生了變動(dòng)，溫度計(jì)的實(shí)際零點(diǎn)高于標(biāo)定零點(diǎn)，需要對(duì)溫度計(jì)的刻度進(jìn)行校正。若用“定點(diǎn)法”[4]校正溫度計(jì)的話，可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)進(jìn)行校正。

4 溫度計(jì)水銀球在蒸餾燒瓶中的位置問(wèn)題

由上述探討知，虞、劉二位老師所說(shuō)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(jì)水銀球應(yīng)該放置的正確位置，此位置實(shí)際上是在大氣壓不確切、溫度計(jì)可能不準(zhǔn)的情況下碰巧測(cè)出了一個(gè)100.0℃。

由上述探討知，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，在通常的實(shí)驗(yàn)條件下（如虞、劉二位老師的實(shí)驗(yàn)），在溫度計(jì)刻度已經(jīng)校正的前提下，溫度計(jì)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(shí)驗(yàn)所測(cè)的蒸氣溫度都會(huì)略低于相應(yīng)純物質(zhì)的沸點(diǎn)。

筆者認(rèn)為，溫度計(jì)水銀球的位置還是應(yīng)該與蒸餾燒瓶的支管口持平，因?yàn)槲覀兯鶞y(cè)的溫度是支管口的氣體溫度。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)誤差不可避免會(huì)存在，我們要找出存在系統(tǒng)誤差的原因，想辦法盡量消除或降低系統(tǒng)誤差，而不是回避系統(tǒng)誤差。筆者在上述探討中已經(jīng)找出了蒸餾時(shí)支管口氣體溫度存在系統(tǒng)誤差的主要原因，為了降低這種系統(tǒng)誤差，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中可以采取以下一些措施降低誤差。一是校正溫度計(jì)的刻度和溫度計(jì)外露段引起的讀數(shù)誤差，這兩種校正的文字?jǐn)⑹鲚^多，有興趣的老師可以參看相關(guān)的文獻(xiàn)[5]。二是在室溫較高的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(dāng)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(shí)間。四是在蒸餾燒瓶的周圍放置用隔板制作的擋風(fēng)墻，這可以減少空氣的流動(dòng)、提高蒸餾燒瓶周圍的環(huán)境溫度。

以上措施的實(shí)施可以降低所測(cè)蒸氣溫度與物質(zhì)沸點(diǎn)之間的差距，但誤差是一定存在的。我們要明確的是：實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)的“準(zhǔn)確”不一定是正確，實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)“存在偏差”不一定是錯(cuò)誤。教師要努力弄清楚“準(zhǔn)確”與“存在偏差”的原因，想辦法解決問(wèn)題，科學(xué)地解答教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞麗，劉長(zhǎng)林.由一道高考實(shí)驗(yàn)題啟示的實(shí)驗(yàn)探索及教學(xué)反思[J].化學(xué)教學(xué)，2013，（6）：64～65.

[2][4][5]曾昭瓊主編.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)（第1版）[M].北京：人民教育出版社，1981.

[3]百度搜索：攝氏溫標(biāo).