新型調(diào)壓裝置在液體飽和蒸氣壓測定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

龔楚清　鄧　媛　鄧立志　夏春蘭

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

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新型調(diào)壓裝置在液體飽和蒸氣壓測定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

龔楚清*鄧媛鄧立志夏春蘭

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，武漢430072)

摘要：引入可控進(jìn)氣量和具有獨(dú)立操作的增、減壓緩沖瓶的調(diào)壓裝置，使氣壓調(diào)節(jié)緩慢可控，能連續(xù)調(diào)節(jié)緩沖瓶內(nèi)氣體壓力以適應(yīng)不同溫度點(diǎn)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(tài)下飽和氣壓值，較好地克服了以往實(shí)驗(yàn)中存在的調(diào)壓操作困難、易發(fā)生空氣倒灌及未知蒸氣飽和的問題，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)；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(jīng)典的基礎(chǔ)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對學(xué)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(shè)此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1－3]。測定液體飽和蒸氣壓的主要方法有動態(tài)法、靜態(tài)法和氣體飽和法，其中以靜態(tài)法的準(zhǔn)確性最高[4]。目前高校多采用靜態(tài)法，但靜態(tài)法的實(shí)驗(yàn)裝置較復(fù)雜，學(xué)生操控不當(dāng)會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來較大偏差，甚至是失敗。為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及實(shí)驗(yàn)效率，很多工作者在溫度、壓力的顯示與調(diào)控、平衡管結(jié)構(gòu)以及測定介質(zhì)等多方面進(jìn)行了改進(jìn)[5－8]。然而靜態(tài)法實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵操作是調(diào)壓控制，這也是該實(shí)驗(yàn)操作的難點(diǎn)。目前的實(shí)驗(yàn)調(diào)壓操作對于初次接觸該實(shí)驗(yàn)的學(xué)生來說較困難，因?yàn)槠胶夤軆?nèi)的U形液柱對兩端壓力差非常敏感，若調(diào)壓時(shí)氣壓變化大，則容易發(fā)生U形液柱過沖或外部氣體倒灌，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。此外，還存在讀數(shù)時(shí)未知密閉的液體蒸氣是否處于飽和狀態(tài)的問題。

我們在現(xiàn)階段較廣泛使用的成套實(shí)驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，引入新型調(diào)壓裝置，實(shí)現(xiàn)了可連續(xù)、緩慢調(diào)控氣體壓力以適應(yīng)不同溫度點(diǎn)時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置說明及改進(jìn)

1.1典型實(shí)驗(yàn)裝置及優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)前采用較多的成套實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)裝置有明顯優(yōu)點(diǎn)：采用恒溫水浴槽實(shí)現(xiàn)溫度自動控制；配備數(shù)字控溫儀和精密數(shù)字(真空)壓力計(jì)，其溫度和壓力顯示靈敏、及時(shí)；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(shí)驗(yàn)要求，因而高校較廣泛采用此實(shí)驗(yàn)裝置[9－11]。

圖1　靜態(tài)法測定液體飽和蒸氣壓的實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置的不足點(diǎn)是以儲氣罐形式調(diào)壓在操作上比較難于控制。存在問題如下：(1)該實(shí)驗(yàn)裝置在調(diào)壓連通大氣時(shí)，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(jì)一端中，容易發(fā)生進(jìn)氣過量，需要再次抽真空，還可能會發(fā)生空氣倒灌導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失?。?2)儲氣罐螺旋墊片式閥門因長期擠壓循環(huán)使用，易導(dǎo)致閥門內(nèi)密封墊片破損，造成系統(tǒng)漏氣，而檢查和排除工作較為費(fèi)時(shí)；(3)若調(diào)壓時(shí)使U形液柱快速移動至兩端平齊時(shí)讀取壓力計(jì)數(shù)值，則因待測液體蒸氣體積瞬間膨脹或壓縮變化時(shí)，液體蒸氣并不一定達(dá)到氣液平衡狀態(tài)，此時(shí)讀取的壓力數(shù)值并不能正確指示飽和氣壓值，故以往的實(shí)驗(yàn)中往往發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，結(jié)果誤差大。

1.2改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置說明

為使調(diào)壓操作緩慢、可控進(jìn)行，我們對調(diào)壓部分作了改進(jìn)，用圖2裝置代替圖1中的緩沖儲氣罐來調(diào)節(jié)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(xì)玻璃管是外徑為8 mm而中心是毛細(xì)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(diào)壓裝置具有如下特點(diǎn)：(1)可控制增壓緩沖瓶進(jìn)氣量?？潭任抗?1下端浸沒在真空泵油中，在活塞8處于關(guān)閉狀態(tài)下，活塞7可控制泵油吸入吸量管的量，即增壓緩沖瓶進(jìn)氣量；(2)易于操控。通過毛細(xì)玻璃管9減緩氣體流動速度使得進(jìn)氣量操控方便，而且因?yàn)椴捎谜婵詹ＡЩ钊?，其密封性好，即便漏氣也容易處理，且活塞轉(zhuǎn)動靈活，可連續(xù)細(xì)微轉(zhuǎn)動，能緩慢連續(xù)控制氣流量的大小；(3)可獨(dú)立、連續(xù)調(diào)節(jié)氣壓。增、減壓緩沖瓶是以并聯(lián)方式連接在測量管路上，可分別實(shí)現(xiàn)增壓和減壓；(4)可預(yù)定調(diào)節(jié)增壓緩沖瓶的壓力變化量。通過估算調(diào)節(jié)增壓緩沖瓶的壓力變化量。因此該實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓可控、緩慢進(jìn)行，不易漏氣，操作方便。

關(guān)于可預(yù)定調(diào)節(jié)增壓緩沖瓶壓力變化量作如下說明：在一般實(shí)驗(yàn)室的溫度及氣壓條件下，氣體狀態(tài)可簡化為理想氣體處理，假設(shè)調(diào)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(dāng)進(jìn)行進(jìn)氣操作后，刻度吸量管吸入泵油量為V2，即外界空氣進(jìn)入量為V2，此空氣量為n2mol，此時(shí)增壓緩沖瓶氣壓為p2，溫度為T2。

圖2　改進(jìn)的調(diào)壓裝置

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，調(diào)壓前：

為簡化數(shù)學(xué)推算處理，可認(rèn)定此V2體積的空氣全部進(jìn)入增壓緩沖瓶。(實(shí)際上，由于氣壓變化，進(jìn)氣量稍小于V2，但整體影響小，可忽略。)

進(jìn)氣調(diào)壓后：

調(diào)節(jié)前后溫度變化不大，可設(shè)定調(diào)節(jié)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(jìn)氣量及增壓緩沖瓶容積比例有關(guān)。在該實(shí)驗(yàn)裝置條件下，最大可測控的進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置直接將外界空氣連通到U型等位計(jì)中的操控好得多，且真空活塞可控制V2連續(xù)減小，故可連續(xù)控制增壓量。

由此，可根據(jù)式(e)預(yù)先設(shè)定所需氣壓的增壓量，逐步調(diào)節(jié)緩沖瓶氣壓接近平衡管內(nèi)氣壓，避免出現(xiàn)調(diào)壓時(shí)因增壓過大導(dǎo)致空氣倒灌的現(xiàn)象。

那么調(diào)壓前后增壓緩沖瓶氣壓增量為：

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器及試劑

儀器：DP-AF成套飽和蒸氣壓實(shí)驗(yàn)裝置(南京桑力電子設(shè)備廠產(chǎn)品，但調(diào)壓部分改為圖2裝置)，真空泵，精密溫度計(jì)，水銀氣壓計(jì)。

試劑：無水乙醇(上海國藥)。

2.2實(shí)驗(yàn)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(jìn)行系統(tǒng)檢漏，排除漏氣，壓力計(jì)示值穩(wěn)定后可進(jìn)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(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教材相同，有關(guān)排空氣、調(diào)節(jié)氣壓和讀數(shù)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(tài)下抽真空至平衡管內(nèi)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(diào)壓操作。當(dāng)?shù)谝粋€溫度點(diǎn)穩(wěn)定數(shù)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(jì)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(fù)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(fù)而無不當(dāng)后果。而增壓操作則需謹(jǐn)慎適度，不能一次增壓過大導(dǎo)致空氣倒灌。增壓操作步驟為：①記錄氣壓計(jì)當(dāng)前示值。②調(diào)控增壓緩沖瓶內(nèi)氣壓值較記錄值高1－10 kPa。先觀測增壓緩沖瓶內(nèi)氣壓值，即將活塞1關(guān)閉后再完全開啟活塞5(圖2)，此時(shí)氣壓計(jì)示值即為增壓緩沖瓶內(nèi)氣壓值，將此值同先前記錄值進(jìn)行比較，再據(jù)此差值大小，按前面給出的式(e)反推計(jì)算出所需進(jìn)氣量，然后進(jìn)行進(jìn)氣操作。進(jìn)氣操作如下：在活塞8處于關(guān)閉狀態(tài)下，旋動活塞7控制吸入所需量的泵油進(jìn)入吸量管，然后關(guān)閉活塞7，完成一次進(jìn)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(fù)充填空氣，為下一次進(jìn)氣操作做好準(zhǔn)備。)若一次增壓操作緩沖瓶氣壓仍不夠，可重復(fù)此進(jìn)氣過程至氣壓值達(dá)到目標(biāo)范圍。③增壓調(diào)平U形液柱，當(dāng)增壓緩沖瓶氣壓調(diào)整好后，緩慢轉(zhuǎn)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(shí)，關(guān)閉活塞5，完成增壓調(diào)平操作。

(3)讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模式。經(jīng)過上述調(diào)壓操作后在U形液柱平齊時(shí)，讀取氣壓計(jì)示值，此值即為該溫度點(diǎn)乙醇的飽和蒸氣壓。注意：讀數(shù)時(shí)調(diào)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(jìn)行增壓操作，讓平衡管內(nèi)封閉氣體處于被外壓緩慢壓縮至氣液平衡狀態(tài)(平衡狀態(tài)的判斷：可從實(shí)驗(yàn)中觀察到密閉的氣體在壓縮移動過程中有短暫時(shí)間內(nèi)的數(shù)字氣壓計(jì)數(shù)值維持不變)時(shí)讀取氣壓計(jì)數(shù)值，該模式操作能確保密封的液體蒸氣達(dá)到飽和，使數(shù)據(jù)的重復(fù)性和可靠性得以提高，從而減少系統(tǒng)誤差。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置測試了不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1可知，實(shí)驗(yàn)所測不同溫度下乙醇的飽和蒸氣壓數(shù)值同安托尼方程式計(jì)算結(jié)果相當(dāng)接近，說明新實(shí)驗(yàn)裝置對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有較好的提升效果。

根據(jù)飽和蒸氣壓與溫度關(guān)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(nèi)氣壓：100.98 kPa)

利用表1的lnp與1/T數(shù)據(jù)作圖處理得到線性關(guān)系直線及其方程式，據(jù)其斜率可求得乙醇的摩爾蒸發(fā)熱?vapHm(圖3)。求得?vapHm= 4.954×8.314×1000 = 41.12 kJ?mol－1，很接近據(jù)文獻(xiàn)[13]熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算出的?vapHm平均值41.50 kJ?mol－1?？梢姼倪M(jìn)調(diào)壓方式后所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性好，且線性相關(guān)系數(shù)高，進(jìn)一步說明新實(shí)驗(yàn)裝置對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有明顯提高。

圖3　lnp-T－1關(guān)系及線性擬合圖

表2　新舊調(diào)壓方式學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)情況對比

學(xué)生完成該實(shí)驗(yàn)的情況見表2。由表2可知：由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)手、眼動作協(xié)調(diào)能力原因，在儲氣罐調(diào)壓方式下，超過半數(shù)的學(xué)生會發(fā)生U形液柱調(diào)平時(shí)增壓過量致空氣倒灌而不得不重新開始實(shí)驗(yàn)；而新調(diào)壓方式下可預(yù)置增壓，僅少數(shù)學(xué)生會因操作不當(dāng)發(fā)生空氣倒灌現(xiàn)象。新調(diào)壓方式下整體學(xué)生完成該實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較以前縮短約1小時(shí)，而且計(jì)算出的乙醇汽化熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確度大幅度提高。故調(diào)壓方式的改進(jìn)有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作，并能提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。

4　結(jié)論

使用新型的調(diào)節(jié)氣壓實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得以提高，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得好評，并應(yīng)用于大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)邀請賽物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)競賽中，收到了良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).第2版.武漢:武漢大學(xué)出版社, 2012.

[2]顧月姝,宋淑娥.基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(III)——物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).第2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2011.

[3]北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)組編.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).第4版.北京:北京大學(xué)出版社, 2002.

[4]邱金恒,孫爾康.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社, 2010.

[5]李慎新.大學(xué)化學(xué), 1995, 10 (2), 40.

[6]何北菁,于建忠,于振琪,陳國勇,楊元良.大學(xué)化學(xué), 2003, 18 (1), 42.

[7]陳麗莉,歐陽靜,唐愛東.實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26 (4), 42.

[8]楊濤,汪建明.高校實(shí)驗(yàn)室工作研究, 2010, 103 (1), 78.

[9]李月生.咸寧學(xué)院學(xué)報(bào), 2003, 23 (6), 49.

[10]梁克中,傅楊武.重慶三峽學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 26 (125), 132.

[11]傅麗,李愛昌.廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2012, 12 (4), 60.

[12]復(fù)旦大學(xué)等校,合編.莊繼華等,修訂.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn).第3版.北京:高等教育出版社, 2004.

[13]傅獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng).物理化學(xué).第5版.北京:高等教育出版社, 2005.

?化學(xué)實(shí)驗(yàn)?

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