-
环己烷的饱和蒸汽压的测定
PB10xxxxxxxxx
中国科学技术大学材料科学系
摘要
：
本实
验根据克拉贝龙
-
克劳修斯方程
,
运用动态法研究环己烷的饱和
蒸气压与温度的关系，
并计算其摩尔汽化热。
在实验中了解了真空泵、
气压计
的使用方法及注意事项。
关键词
：
饱和蒸气压
摩尔汽化热
动态法
克拉贝龙
-
克劳修斯方程
序言
：
本实验研究的是单组分体系气
-
液相平衡
:
定温下把液体放在真空
容器中，液体开始蒸发变成气体态，气态物质又可重新回到液体中。
达到
平衡时，
通过液体表面进出的分子数相等，
定温下液体与其自身
的蒸气达到平衡时的蒸气压就是液体的饱和蒸气压
;
蒸发
1
摩尔液体
需要吸收
的热量即为该温度下液体的摩尔汽化热
H;
饱和蒸汽压与摩
尔汽化热之间的关系可以用克拉贝龙
-
克劳
修斯方程表示
:
d
l
n
p
?
v
a
p
H
m
?
d
T
R
T
2
当液体与外界大气压相通，
并且液体
的饱和蒸气压与外界压强相
等时，液体沸腾，此时的温度称为沸点
.
沸点是随着外压的改变而变
化的。
若温度改变的区间不大，
Δ
H
可视为为常数。积分上式得：
1
?
H
RT
ΔH
lnP
与
1/T
有线性关系。作图可得一直线，斜率为－
。因此可得
R
ln
P
?
A
'
?
实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热<
/p>
Δ
H
。
本实验采用的是在不同外部压力下
测定液体沸点的动态法。即测
量多组不同气压下的沸点，并通过直线拟和计算出纯水的摩
尔汽化
热。本实验操作较为复杂，
应注意保证体系中不要混入空
气，以免影
响实验结果。
实验部分：
（一）仪器
DTC
-2AI
控温仪
1
台
< br>
南京南大万和科技有限公司
WYB-I
型真空稳压包
2
台
南京南大万和科技有限公司
U
型压力计
1
个
江苏省常州市东风仪表厂
JJ-
1
型增力电动搅拌器
1
台
江苏金坛市环宇科学仪器厂
SHB
-
Ⅲ循环水式多用真空泵
1
台
郑州长城科工贸有限公
司
1/10
℃温度计
1
个
福廷式压力计
1
个
平衡管
1
个
（二）药品
环己烷液体
（三）操作步骤
1
）装置概述
平衡管由三个相连通的玻璃球构成，
顶部与冷凝管相连。
冷凝
管与
U
2
形压力计
6
和缓冲瓶
< br>7
相接。
在缓冲瓶
7
和安全瓶
11
之间，
接一
活
塞
9
，用来调节测量体系的压力。安
全瓶中的负压通过真空泵抽真空
来实现。
安全瓶和真空泵之间有
一三通阀，
通过它可以正确地操作真
空泵的启动和关闭。
A
球中装待测液体，
当
A
球的液面上纯粹是待测
液体的蒸汽，并且当
B
管与
C
管的液面处于同一水
平时，表示
B
管
液面上的蒸汽压
(
即
A
球面上的蒸汽
压
)
与加在
C
管液面上的外压相
等。
此时体系汽液两相平衡的温度称为液体在
此外压下的沸点。
用当
时读得的大气压减去压差计两水银柱的高
度差，
即为该温度下液体的
饱和蒸汽压。
图
2-1
纯液体饱和蒸汽压测定装置图
1-
盛水
大烧杯
;2-
温度计
(
分度值为
0.1
°
);3-<
/p>
搅拌
;4-
平衡管
;5-
冷凝管
;
?
< br>6-
开口
U
形水银压力计
;7-
具有保护罩的缓冲瓶
;8-
进气活塞
;9-
抽
气活塞
;
?
10-
放
空活塞
;11-
安全瓶
;12
、
13-
橡皮管
14-
三通活塞
实验中，安全瓶和缓冲瓶由
两台
WYB-I
型真空稳压包代替了。
3
2
）实验步骤
1
、熟悉实验装置，掌握真空泵的正确使用，了解系统各部分及
活塞的作用，读取实验前的气压与温度。
2
、不同
外部压力下环己烷沸点的测定：
A
、将平
衡管浸入盛有蒸馏水的大烧杯中，并使其全部浸没在液
体中。加热，并开启搅拌马达，使
水浴中的水温度均匀。
B
、关闭
活塞
9
，使活塞
8
与大气相通。此时平衡管，压力计，
缓冲瓶处于开放状态。将活塞
< br>14
通大气，插真空泵电源抽气，把活
塞
14
旋转至与安全瓶相通，抽
5
分钟，再将活塞
14
通大气。拔下
电
源，此时安全瓶内为负压，待用。
C
、随着
水浴中液体的温度的不断升高，
A
球上面的待测液体的
蒸汽压逐渐增加，使
C
管中逐渐有气泡逸出。本
实验所测的液体为
环己烷，所以待测水浴中的液体沸腾后仍需继续煮沸
< br>5-10
分钟，把
A
球中的空气
充分赶净，
使待测水上面全部为纯液体的蒸汽。
停止加
热，
让水浴温度在搅拌中缓缓下降，
C
管中的气泡逐渐减少直至消失，
液面开始下降，
B
管液面开始上升，认真注视两管液面，一旦处于同
一水平，<
/p>
立即读取此时的温度。
这个温度便是实验大气压条件下液体
的沸点。
D
、关闭
活塞
8
，用活塞
9
调节缓冲瓶
7
中的真空度，从而降低
平衡管上端的外压，
U
形压力计两水银柱相差约
40mm
左右，这时
A
管中
的待测液又开始沸腾，
C
管中的液面高于
B
管的液面，
并有气
泡很快逸出，随
着温度的不断下降，气泡慢慢消失，
B
管液面慢慢升
4
高，
在
B
、
C
两管液面相平时，说明
A
、
B
之间的蒸汽压与外压相等。
立即记下此时的温度和
U
形压力计上的读数。此时的温度即外压为
大气压减
去两汞柱差的情况下液体的沸点。
继续用活塞
9
调节缓冲瓶的压力，
体系产生新的沸腾，
再次测量蒸汽
压与外压平衡时的温度，反复多次，
约
10
个点。温度控制在
80C
以
上，压差计的水银柱相差约
400mm
左右为止。
重复
BCD
步骤两次，获得三组数据。
实验结束，再读取气压与温度，取前后的平均值。
结果与讨论：
㈠
实验结果
实验测得，在
58~81
℃温度范围内，环己烷的摩尔汽化热
=31.91kJ/mol,
沸点为
353.70K.
环己烷在
20
℃下的理论摩尔汽化热为
33.055kJ/mol
相对误
差为
|31.91-33.055|/33.055=3.75%
环己烷理论沸点为
(80.7+273.15)=353.85K
相对误
差为
|353.70-353.85|/353.85=0.0424%
㈡
实验结果分析
用该实验测得的摩尔汽化热和沸点都与资料非常接近而且偏低，
分析
原因可能包含如下几个方面：
1.
实验理论上的误差：
克拉伯龙
-
克劳修斯方程推导中有多个假设：
①将蒸汽视为理想气体；
5
②在汽化过程前后忽略液体的体积；
③在一定温度范围内认为摩尔汽化热为常数。
其中理想气体仅是理想化的模型，
汽化过程之前的液体也占据一定的
体积，摩尔汽化热实际上也是随温度变化而变化的。以上都会引起
lnP~
1/T
曲线对线性的偏离。结合所学的物化知识可知，实际的
l
nP~1/T
曲线应该在拟合直线的上方，
这就能说明摩尔汽化
热和沸点
的值为什么会偏低。
2.
实验方法中引入的误差：
本实验所采
用的动态法中，判断气液相平衡的标志是两边液面相平。
实际上此时并不是严格静态的平
衡。而且人眼观察液面也会引入误
差。所以实验中要分工明确，同一种数据指定一个同学
完成，可以减
小误差。另外，将气体排出系统时，完全根据个人经验，很难保证将
气体全部赶出体系，造成误差。
3.
实验仪器带来的误差：
实验中使用搅拌器加快对流以使体系温度尽量一致，
但无法保证温
度完全的一致。
而且搅拌器引起的晃动也会影响液面相平的观察。
测
量的环己烷纯度有限，其中的少量杂质引起沸点上的偏差。另外，实
验中需要直接读取的数据是
U
形气压计
的刻度、温度计的读数。压
差计的精度较低，只能分辨到
1mm
，而要读两个液面的刻度，因此
会产生
2mm
的误差，
换算成压力就是
266
.6Pa
。
因此所算得的液体
饱和蒸汽
压有一定偏差是很正常的。温度计的最小分度值
Δ
T
=
0.05
℃，实验者以及眼睛的视
觉差异都会带来读数误差。
6
实验操作引起的误差：
实验中排净体
系空气很重要，每次测量前一定要充分煮沸并持续
5~10
分钟
排净空气。若体系中空气没有排净，由公式可知位排净的
空气也会对实验结果产生影响，
则测量的值并非饱和蒸汽压。
煮沸时
间
不够或减压不及时，
都会造成体系中混有空气。
实验要求读取平
衡
瞬间的压力和温度，应尽量做到迅速读取，以保证一致性。
4.
实验小体会：
此次试
验为两人合作，一人观察平衡球，另一人读取数据，所以
两人的配合程度直接关系到实验
的速度和准确度。
一开始我们配合的
不是很密切，为保证不错过
平衡点，只得早早准备好，因而有点事倍
功半。但后来我们渐渐熟练了对方的特点，就轻
松多了。所以这种合
作实验双方一开始一定不能松懈，
要尝试去
找寻一些规律，
并调整自
己，耐心点，两人自然就达成默契了。
另外，这个实验的顺序是从高温到低温测量，实验过程中的节奏
感很
强，要做到井然有序，不慌不忙。
参考资料：
①物理化学实验电子讲义
刘光明
中国科学技术大学
2012
年
②物理化学
(
第五版
)
上册
付献彩、
沈文霞等
高等教育出版社
2006
年
7
月第
5
版
③蒸汽压和沸点的数据来自百度百科
7
The Determination of Saturated Vapour
Pressure of Cyclohexane
Abstract
：
We
apply
dynamic
method
to
research
the
relationship between saturate vapor
pressure of liquid
and temperature. To
measure different saturate vapor
pressure
under
different
temperature,
we
calculated
the
molar heat of vaporization of the liquid according
to
Clapeyron-Clausius
equation,
and
learn
some
technology about barometer and vacuum
pump.
Key words
：
saturate
vapor
pressure
molar
heat
of
vaporization
dynamic
method
Clapeyron-
Clausius
equation
附件：实验数据处理
1.
仪器
/
药品主要参数：
1/10
℃分度水银温度计测量误差：
0.
05
℃。
1mm
< br>刻度直尺测水银柱高度的测量误差：
0.5mm
。
2.
原始数据处理
1)
大气压的计算
8
初始
结束
76.375
平均
76.358
大气压
(cmHg)
76.340
< br>合肥重力加速度
g=9.7933m/s
，水银密度
ρ
Hg
=13.5575g
·
cm-3
根据公式
P
=
ρ
gh
，
可以得到试验的大气压是
101513Pa
，后面大
气压的计算也是通过这种方式求得。
2)
环己烷的蒸汽压和温度关系
注：未处
理的数据为黑色字体，处理过为
蓝色
字体。
第一组：
序
号
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
左侧水银
柱高度
/cm
0.00
-2.00
-3.80
-5.40
-7.45
-9.30
-11.50
-13.35
-15.60
-17.45
-19.55
右侧水银柱
水银柱高度
高度
/cm
0.00
2.65
4.45
6.20
8.20
10.10
12.30
14.10
16.30
18.20
20.30
差
/cm
0.00
4.65
8.25
11.60
15.65
19.40
23.80
27.45
31.90
35.65
39.85
9
饱和蒸汽
压
p/Pa
101513
95339.1
90559.3
86111.4
80734.1
75755.2
69913.2
65066.9
59158.5
54179.5
48603.1
沸点
（℃）
沸点
T
（
K)
80.65
353.80
78.60
351.75
77.00
350.15
75.35
348.50
73.30
346.45
71.25
344.40
68.75
341.90
66.65
339.80
63.90
337.05
61.25
334.40
58.15
331.30
-
-
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-
-
-
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-
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