纯液体饱和蒸气压测定实验中的关键点分析

钟欣欣

摘 要：本文对静态升温法测定纯液体饱和蒸气压实验中的关键点进行了分析探讨，重点强调了排尽空气且维持气液两相平衡的重要性，以期学生在充分掌握实验测定原理的基础上，把握好所有的关键性步骤，进而保证高效率且准确地测定纯液体的饱和蒸气压。

关键词：静态升温；饱和蒸气压；气液两相平衡

中图分类号：TK123文献标志码：A文章编号：2095-9214（2016）09-0142-02

一、引言

“纯液体饱和蒸气压的测定实验”是众多高校大学生必做的物理化学实验之一，通常的测定方法有静态法、动态法与饱和气流法等，在现有的教材中，均采用静态法[1-5]。但是对于初次接触该实验的学生来说，静态升温法中液体易暴沸、静态降温法会出现空气倒灌等降低测量准确性的问题，而降温法比升温法耗时长且更难控制[6]，因此，我校开设的物理化学基础实验中采取静态升温法测定无水乙醇的饱和蒸气压。

二、基本原理

在真空状态下，一定温度的纯液体与其蒸气达到气液两相平衡时，此时气体的压力称为该温度下该液体的饱和蒸气压。纯液体的饱和蒸气压与温度相关联，在将气体视为理想气体的前提下，纯液体饱和蒸气压随温度的变化关系可用Clausius-Clapeyron方程表示：

dln（p*/[p]）dT=ΔvapH*mRT

式中T为热力学温度（K），ΔvapH*m为温度T时纯液体的摩尔汽化热（1mol液汽化为气体时所吸引的热量，J/mol），p*为温度T时纯液体的饱和蒸气压（Pa，p*/[p]为无单位的纯数），R为气体常数（8.314J/（mol·K））。在温度变化不大时，将ΔvapH*m用一定温度范围内的平均摩尔汽化热Δvap*m（与温度无关的常数）来代替，此时可将上式积分得到：

ln（p*/[p]）=-Δvap*mR×1T+C（常数）

由此可知，如果通过实验测定得到了一系列温度下纯液体的饱和蒸气压值，就可以作ln（p*/[p]）～1/T图，并进行数据拟合得到一条直线方程，此时直线的斜率为：

k=-Δvap*mR

于是我们就可以得到一定温度范围内纯液体的平均摩尔汽化热Δvap*m=-kR。

三、实验中的关键点

在实验测定中，我们要得到不同温度下纯液体的饱和蒸气压，温度可以通过SWQ智能数字恒温控制器直接读出，而A球纯液体上方气体的压力则由U形管中B、C端液面相平时DP-A精密数字压力计给出（U形管的纯液体与A球中相同，置于SYP玻璃恒温水浴中），简易装置图如下：

根据饱和蒸气压的定义，实验成功的关键在于A球液面到B端液面之间无空气残留（当有惰性气体，如空气存在时，在理想气体近似下，由lnpgp*=Vm，lRT（p外-p*）及p外>p*可知，此时纯液体蒸气的压力pg将大于其饱和蒸气压p*），因此，学生在做实验的过程中需要注意以下几个重要步骤：

1.抽气——排尽AB间的空气。打开真空泵、抽气阀和平衡阀2后，C端的气体将不断被抽出导致其压力变小，进而B端气体压力高于C端，于是U形管中的液体会从B管移向C管，直到B端液面到达U形管底部，AB中的空气方可逐渐排出。随着AB间空气越来越少，压力减小速率逐渐变慢，此时从AB中抽走一个气泡后，C端的瞬时压力却维持不变，于是U形管中的液体就会朝B端移动，注意：U形管中液面回落并非抽气步骤的终点！仍需持续对U形管进行减压，当AB间空气已被全部排尽后，A球中的纯液体与上方的蒸气达到气液两相平衡，此时从B端抽走一个气泡，A球中就会产生一个气泡，即B端压力恒定不变，为一定温度下纯液体的饱和蒸气压，而C端压力还在缓慢减小，于是U形管中的液体会不断沸腾以期达到相平衡的状态。因此，当U形管中的液体持续沸腾2～3分钟后，可认为AB间的空气已排尽，此时可终止抽气操作。

2.系统气密性检查。在排尽AB间空气步骤之前，需要对整个装置的气密性进行检查，这个过程是非常重要的，原因在于：气密性太差会导致减压操作无法实现，则无法测定室温下纯液体的饱和蒸气压。很多实验教材中对装置气密性要求非常严格，如十分钟内保持压力计示数不变等，而严格的气密性对装置要求极高，在大学生基础实验中的可行性不高；此外，我们认为只要不造成空气倒灌的情况出现，即空气排尽后AB间不再有空气漏入，且在B、C端液面等高时及时记下压力值，那么实验测量的准确性便可得到保证[7]。因此，即使系统略有漏气，只要1分钟内系统压力的改变值在1kPa之内，仍然认为系统气密性达到要求，实验可以正常进行。

3.减压与加压操作。在整个实验测量过程中，所有的减压（排气）与加压（漏入空气）操作均需缓慢进行，否则会严重影响实验。在排气过程中，特别是最后的液体沸腾阶段，若压力减小过快，那么液体将发生暴沸，A球中的液体将不断变成蒸气并在U形管中冷凝，造成U形管中液体过多，不利于B、C端液面等高结果的判定，更严重者甚至导致A球中液体全部被抽干。在打开平衡阀1漏入空气时，随着C端压力的增加，U形管中液体逐渐向B管中移动，瞬时AB间气体体积减小，压力增大，气液两相平衡被破坏，蒸气将凝结成液体减小压力进而重新达到两相平衡状态，显而易见，漏入空气过快且在B、C端液面相平时立刻记下压力值，此时气相来不及凝结而导致气液两相未达平衡状态，那么压力值会偏离饱和蒸气压而引起实验测量误差。

4.在升温过程中，根据Clausius-Clapeyron方程可知，纯液体的饱和蒸气压将随温度的升高而增大，于是升温会导致B端压力增加，进而造成U形管中液体沸腾，若B、C端压力差距大则液体将暴沸，因此，升温过程中应缓慢地打开平衡阀1漏入适量的空气对C端进行增压，以防止液体暴沸对实验的影响。

5.在测量得到一个温度下的饱和蒸气压，学生已熟悉整个实验操作后，即可关闭真空泵以免其长期使用影响寿命。此外应注意，关闭真空泵前一定要先关闭抽气阀；且真空泵关闭时要先打开三通活塞使其与大气相连通，否则会造成真空泵油倒吸影响下次抽真空效果。

四、结论

在纯液体饱和蒸气压的测定中，实验成功的关键在于A球上方的空气要全部排净，且测量系统不能严重漏气，因此，要严格把握几个关键操作：系统气密性检查时压力的改变值不能超过1kPa/分钟；在排气阶段，U形管中的液体持续缓慢沸腾3分钟左右后，终止抽气操作；开启平衡阀1或2时动作应缓慢，升温时加热档放在“弱”位，切记不能造成空气倒灌或液体暴沸；先关闭抽气阀再关闭真空泵，且泵要先与大气连通再停止油泵运转，方可保证学生高效高质量地完成纯液体饱和蒸气压的测定。

（作者单位：湖北大学化学化工学院）

参考文献：

[1]复旦大学.物理化学实验（第3版）.北京：高等教育出版社，2004.

[2]董超，李建平.物理化学实验.北京：化学工业出版社，2010.

[3]韩国彬.物理化学实验.厦门：厦门大学出版社，2010.

[4]夏海涛.物理化学实验.南京：南京大学出版社，2014.

[5]冯霞，朱莉娜，朱荣娇.物理化学实验.北京：高等教育出版社，2015.

[6]朱平辽，刘华卿，徐景士，莫春生，罗永胜，方春仙.纯液体饱和蒸气压测量的实验方法.实验室研究与探索，2006，25（7）：776.

[7]傅丽，李爱昌，吴昊，庞思胜.对“纯液体饱和蒸气压的测量”实验的几点思考.廊坊师范学院学报（自然科学版），2012，12（4）：60.