“液體飽和蒸氣壓測(cè)定”實(shí)驗(yàn)探討

余建國(guó) 徐 夢(mèng) 安會(huì)琴 王 兵 高云天

（天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387）

《物理化學(xué)》作為一門理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課程，其實(shí)驗(yàn)課程既能驗(yàn)證已有的理論，也能不斷推動(dòng)物理化學(xué)理論向前發(fā)展。同時(shí)，通過(guò)《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程的學(xué)習(xí)，加深了學(xué)生對(duì)物理化學(xué)理論的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的實(shí)踐運(yùn)用。所以，《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》對(duì)學(xué)生深刻理解、并熟練掌握物理化學(xué)理論至關(guān)重要。下面以“液體飽和蒸氣壓測(cè)定”實(shí)驗(yàn)為例，具體闡述““液體飽和蒸氣壓測(cè)定”實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

“液體飽和蒸氣壓測(cè)定”實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了克勞修斯-克拉佩龍方程，如方程（1）所示，方程中p為可逆相變的飽和蒸氣壓，T為可逆相變的沸騰溫度，mvapH? （一定溫度范圍為常數(shù)）為液體蒸發(fā)的摩爾相變焓。通過(guò)測(cè)得各溫度下的飽和蒸汽壓，以lnp對(duì)1/T作圖，得一直線，再用直線的斜率可求得該液體的摩爾蒸發(fā)焓。

下面分別從綠色安全、測(cè)定及操作方法、數(shù)據(jù)處理等角度來(lái)具體闡述。

1 綠色化

該實(shí)驗(yàn)可以用來(lái)研究各種純液體，比如：苯、甲苯、四氯化碳、水、乙醇、丙酮等。眾所周知，苯有較高的毒性，是一種常見(jiàn)的致癌物質(zhì)，如用苯作為待測(cè)液體，對(duì)儀器裝置、環(huán)境、測(cè)定人員的熟練程度要求很高，由于該實(shí)驗(yàn)需要用真空泵抽氣減小壓強(qiáng)，抽出來(lái)的氣體需要回收處理，同時(shí)要保證儀器的氣密性完好，在大型的公共實(shí)驗(yàn)室，很難做到。從實(shí)驗(yàn)綠色化得角度，一般也不選擇毒性低一些的甲苯、四氯化碳和丙酮。多數(shù)會(huì)選擇水或乙醇作為該實(shí)驗(yàn)的待測(cè)液體，由于該實(shí)驗(yàn)中多數(shù)又以水浴來(lái)恒定溫度，如果水作為待測(cè)液體，高于85℃的溫度較難恒溫，因而選擇乙醇作為待測(cè)液體是常見(jiàn)的選擇。

2 靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法

所謂靜態(tài)法指的是在恒定溫度下測(cè)定其飽和蒸氣壓，即等壓計(jì)法；動(dòng)態(tài)法是在恒壓下測(cè)定其沸點(diǎn)溫度，即沸點(diǎn)計(jì)法。選擇哪種方法取決于測(cè)定的液體、壓強(qiáng)范圍及儀器裝置。而面向大量本科生的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，首先受限于實(shí)驗(yàn)裝置，比如U型等壓計(jì)裝置適合靜態(tài)法，通過(guò)恒定溫度來(lái)測(cè)定壓強(qiáng)。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，本校在10年前是采用動(dòng)態(tài)法測(cè)定四氯化碳的沸點(diǎn)溫度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在諸多不安全的因素，一是該裝置氣密性差，四氯化碳蒸汽難免泄漏到空氣中；二是升溫過(guò)程容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生爆沸現(xiàn)象；三是損壞的水銀溫度計(jì)中之水銀掉落在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，后期極難處理。之后實(shí)驗(yàn)室引入了U型等壓計(jì)裝置，采用靜態(tài)法測(cè)定乙醇的飽和蒸氣壓，優(yōu)點(diǎn)是綠色環(huán)保、試劑用量少、安全性高，但也存在調(diào)節(jié)液面高度相平時(shí)主觀性大，裝置還存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

3 靜態(tài)法測(cè)定乙醇飽和蒸氣壓的操作的問(wèn)題

3.1 抽氣前準(zhǔn)備

1）檢查U型管中乙醇的量，適宜的量為U型管1/2體積充滿乙醇，乙醇量太少或太多，均不利于后期調(diào)平U型管液面；

2）“壓差計(jì)”調(diào)零。取下球形冷凝管上方的磨口塞，使壓差計(jì)與大氣連通，把“壓差計(jì)”的單位切換到“kPa”，然后按壓“壓差計(jì)”的調(diào)零按鈕，使壓差計(jì)的讀數(shù)為“0”，儀器調(diào)零完成。把磨口塞涂上凡士林并塞緊。

3.2 氣密性

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，裝置處于低壓狀態(tài)，因而裝置的氣密性十分重要。實(shí)驗(yàn)中要抓住可能漏氣的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

1）玻璃裝置的接口處，檢查凡士林是否涂抹均勻；

2）檢查硅膠管是否漏氣；

3）檢查緩沖儲(chǔ)氣罐三個(gè)閥門是否漏氣；

4）抽氣檢查氣密性，通過(guò)真空泵抽氣至壓差計(jì)的讀數(shù)約為-90 kPa（注意：抽氣時(shí)需打開(kāi)冷凝水），關(guān)閉緩沖儲(chǔ)氣罐上的抽氣閥門。約30s后，觀察壓差計(jì)的讀數(shù)，如果壓差計(jì)讀數(shù)不變，表明裝置氣密性好；如壓差計(jì)讀數(shù)輕微變化，可能是溫度的變化，也可能是輕微的漏氣，一般而言，輕微漏氣并不會(huì)對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)操作產(chǎn)生影響，所以可以忽略；如讀數(shù)變化較快，需對(duì)上述（1）～（3）分別進(jìn)行檢查，判斷出具體漏氣點(diǎn)，找出解決的辦法。

4 重視作圖

學(xué)會(huì)用Origin處理數(shù)據(jù)，并注意圖像的美觀，如圖1所示。圖1a中未標(biāo)記出X和Y軸所代表的參數(shù)，其標(biāo)尺不協(xié)調(diào)，字體太小而不清晰，擬合的關(guān)鍵參數(shù)也未標(biāo)出，表明圖1a所示擬合圖像并不規(guī)范；圖1b所示擬合曲線線條、文字清晰，整體協(xié)調(diào)美觀。因而在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生不僅要作圖，還要把圖片做得好看。

圖1 “測(cè)定飽和蒸氣壓”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線

隨著社會(huì)和科技的高速發(fā)展，物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要與時(shí)俱進(jìn)，不斷探索、改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法，培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實(shí)的新時(shí)代人才。