物理化学实验教学中饱和蒸汽压测定装置的改进

宋玉鹤，王 洁，梁吉雷，宋 娟，韦平和

(泰州学院，医药与化学化工学院，江苏省手性医药化学品生物制造重点实验室，江苏 泰州 225300)

物理化学实验教学中饱和蒸汽压测定装置的改进

宋玉鹤，王 洁，梁吉雷，宋 娟，韦平和

(泰州学院，医药与化学化工学院，江苏省手性医药化学品生物制造重点实验室，江苏 泰州 225300)

液体饱和蒸汽压测定是一个比较经典的物理化学实验，属于化工热力学范畴。在实验教学过程中，传统测定方法和实验装置对于初学者来说存在不易操作、测定误差较大等问题。因此，文章探讨了实验方法和实验装置的改进措施，使其更易于操作，并可以有效地缩短实验时间，提高效率。

饱和蒸汽压；静态法；动态法；新装置；改进

饱和蒸汽压是液体化合物相变过程重要的热力学参数，熟悉液体饱和蒸汽压的变化特性和掌握其测定方法是高等学校理工科专业学生在物理化学课程中必须达到的教学目标。它对初学者加深“气-液平衡”、“克劳修斯-克拉贝龙方程”、“吉布斯相律”、“状态方程”等概念的理解有益。液体饱和蒸气压测定是多数高校物理化学实验教学中必不可少的实验之一，测定方法可以分为静态法、动态法和气体饱和法[1-2]，我校在之前的物理化学实验教学中主要采用静态法测定。

1 原有实验方法和测定装置存在的不足

在前期实验教学中，作者发现原有实验装置存在诸多缺点，具体情况如下：

(1)采用静态法测定时，由于温度平衡与压力平衡需要一个自我调整过程，作为初学者的学生，对体系沸点缺乏预判能力，时间把握不准，读取温度缺乏耐心，造成测量值与真实值之间存在误差。(2)实验对操作技术要求较高，尤其是双液面等高操作较为困难，调平时间较长，初学者不易掌握测定技巧，往往学生们费时费力地测定出来的数据却缺乏准确性。(3)操作中对真空瓶的减压程度不明，容易出现负压用尽，难以保证减压测定的连续性；抽气时又容易引起空气倒灌导致实验失败，造成实验返工。(4)采用U型管水银压力计测量系统压力，受限于室内压力测量数据的准确性和室内环境，其真实性值得怀疑，且U型管水银压力计易损坏。(5)传统实验中，常用试剂为苯，丙酮等，造成实验环境较差。(6)传统实验中，水浴容积大，与环境温差大，精确控温困难，实验结果精度不高；且受水浴上限温度(≤90℃)制约，可测定的化合物不多。(7)若水浴温度设定过高，水分蒸发快，液面下降使浸于液面下的等压管露出，引起测量误差；除此，水浴蒸汽也会对测量过程的温度计造成影响，使温度数值失真。(8)U型储液管弯曲两次，使得加液、取液困难。(9)静态法的实验原理与“汽-液平衡”原理和“精馏原理”存在一定差别，不利于学生建立原理间的联系。

作者经查阅文献[3-4]发现，实验教学和科研工作者针对部分情况已经作了不同程度的改进，也达到了一定效果，但在实际教学工作中，作者还有一些自己的理解，并依据教学经验和体会对现有测定方法和装置提出了自己的修改建议。

2 实验方法和测定装置的改进

2.1 改进情况

针对上述问题，作者在综合考虑了传统液体饱和蒸气压测定装置的不足，努力吸收了文献所述方法各项优点的基础上，对饱和蒸气压测定实验方法进行了适当改进：如采用精密水银温度计测定平衡温度，增加温度计露颈校正；采用数字式真空数显测控仪测定压力数值；改用环已烷或正丁醇(Tb>100℃)作为实验试剂，减少学生实验过程对实验环境的污染等。

为了提高效率和实验数据的准确性，作者借鉴液-液平衡釜的结构特点[5]，对现有静态法液体饱和蒸汽压测定实验装置中的平衡釜进行了适当改进，设计了新平衡釜，采用超级恒温循环水槽为静态法新平衡装置提供稳定的平衡温度，避免测定过程温度控制不准确情况的发生。

除此，作者还借鉴Rose汽-液双循环平衡釜的结构特点[6]，设计了可用于液体饱和蒸汽压测定的Rose-Song釜，该釜测定方法属于动态法，釜底采用电磁搅拌加油浴供热的组合形式，控制沸腾状态，避免爆沸情况的发生，该装置所测化合物在不同压力下的沸点数据不受100℃限制。

最后，作者分别选取环己烷(99.8 %)和正丁醇(99.8 %)作为被测化合物，采用新方法和新装置实验测定了两个化合物的饱和蒸汽压实验数据。其中，采用静态法新装置(图1)测定了环己烷的饱和蒸汽压数据，采用动态法新装置(图2)测定了正丁醇的饱和蒸汽压数据。

2.2 新设计装置结构

图1 改进后的静态法饱和蒸汽压测定装置

图2 新设计动态法Rose-Song饱和蒸汽压测定装置

3 实验数据及分析

表1 环己烷饱和蒸汽压数据测量值与文献值对比

表1(续)

表2 正丁醇饱和蒸汽压数据测量值与文献值对比

图3 环己烷饱和蒸汽压测定值与文献值对比

图4 正丁醇饱和蒸汽压测定值与文献值对比

通过采用新方法和新装置测得的实验数据与文献值进行对比，发现相对标准偏差均小于0.5%(以压力计)，结果令人满意，验证了新方法和新装置测定效果的可靠性和准确性，因此，可以在教学以及科研过程中推广使用。

4 结语

通过引入数字压力测定仪表、新设计测试装置和引入环己烷、正丁醇作为实验试剂，完成了对旧有饱和蒸气压测定试验方法和实验装置的改进。新方法和新装置灵敏度高，方法简单快捷，读数容易，实验数据准确，数据重现性好，既保护了环境，又缩短了平衡时间，学生上手快，提高了学生的积极性、主动性，同时也符合目前提倡的物理化学实验一人一组的教学改革要求。为液体饱和蒸汽压数据测定提供了一种较为精密的测量手段，有利于培养和训练学生的动手能力。通过一学期的实验授课，改进后的装置实验效果良好，新装置的引入使本实验具有了更为广泛的应用价值。

[1] 李 珊，钟爱国. 静态平衡法测定液体饱和蒸汽压实验装置的改进，2000, 14 (1): 77-79.

[2] Walas S M. Phase Equilibria in Chemical Engineering[M].1st ed. Boston: Butterworth, 1985.

[3] 梁克中，傅杨武. 液体饱和蒸汽压实验装置的改进[J]. 重庆三峡学院学报， 2010 , 26 (3) :132-135.

[4] 杨 涛，汪建明，钱文霞，等. 液体饱和蒸汽压测定实验装置的改进[J]. 高校实验室工作研究，2010 (1): 78-79.

[5] 刘德威，李青松，陈振新. 用浊点法-平衡釜法-变温法测定四组二元系互溶度数据 [J]. 天然气化工，1994, 19 (3): 52-58.

[6] Song Y H, Li J Q, Zhang H P. Isobaric vapor-liquid equilibrium for the binary systems of1-butanol + methoxy(methoxymethoxy)methane, and1-butanol + 2,4,6,8-tetraoxanonane at 101.3 kPa [J]. Fluid Phase Equilib., 2014, 377: 33-37.

[7] 程能林. 溶剂手册[M]. 5版.北京: 化学工业出版社, 2015.

ImprovementonMeasuringDeviceofSaturatedVaporPressureinTeachingofthePhysicalChemistryExperiment

SongYuhe,WangJie,LiangJilei,SongJuan,WeiPingh`e

(College of Pharmacy and Chemistry & Chemical Engineering，Jiangsu Key Laboratory of Chiral Pharmaceuticals Biosynthesis，Taizhou University，Taizhou 225300，China)

There is a classical physicochemical experiment for the measurement of saturated vapor pressure which belong to the category of chemical thermodynamics. For beginners, there are some problems about the traditional measurement methods and devices, such as complex operational approach and large measurement error. Therefore, we explored the improved method about the experimental method and experimental apparatus in this paper. The new method is easier to operate and saves more time, so the experimental efficiency will be improved.

saturated vapor pressure; stationary method; dynamic method; new device; improve

2017-09-18

宋玉鹤(1982—)，山东济宁人，讲师，工学博士，从事分离技术及工艺开发研究。

G642.423

B

1008-021X(2017)22-0100-02

(本文文献格式：宋玉鹤，王洁，梁吉雷，等.物理化学实验教学中饱和蒸汽压测定装置的改进[J].山东化工，2017，46(22)：100-101，103.)