物理化学实验电子教案.ppt
2023/9/12,物理化学实验电子教案,祝大家学习愉快，天天进步！,2023/9/12,3 实验3 液体饱和蒸气压与温度的关系,实验3 液体饱和蒸气压与温度的关系,2023/9/12,3.1 实验目的及要求,1 学习动态法测定液体饱和蒸气压与温度的关系。用等压计测定在不同温度下乙醇的饱和蒸气压。使用克劳修斯克拉佩龙关系式计算水的汽化热。掌握气压计、U型管压差计的使用方法和真空泵的使用。学习Matlab处理实验数据。,2023/9/12,3.2 实验原理,在一定温度下与液体处于平衡状态时蒸气的压力称为该温度下液体的饱和蒸气压。密闭于真空容器中的液体，在某一温度下有动能较大的分子从液相跑到气相，也有动能较小的分子由气相碰回液相。当二者的速率相等时，就达到了动态平衡，气相中的蒸气密度不再改变，因而有一定的饱和蒸气。,2023/9/12,3.2 实验原理,液体的蒸气压是随温度而改变的，当温度升高时有更多的高动能的分子能够由液面逸出，因而蒸气压增大。当蒸气压与外界压力相等时，液体便沸腾。外压不同时液体的沸点也就不同。我们把外压为1个标准压力时的沸腾温度定义为液体的正常沸点。液体的饱和蒸气压与温度的关系可用克劳修斯一克拉贝龙方程式表示；（3-1）,2023/9/12,3.2 实验原理,式中：p为液体在温度T时的饱和蒸气压；T为绝对温度；H气为液体摩尔气化热（J.mol-1）；在温度较小的变化范围内，H气可视为常数，积分（31）式可得：（3-2）或（3-3）由（3-3）式可知，若用lgP对1/T作图应得一直线，斜率为；,2023/9/12,3.2 实验原理,测定液体饱和蒸气压的方法主要有以下三种：1饱和气流法在一定温度和压力下通过一定体积巳被待测液体所饱和的气流，用某物质完全吸收，然后称量吸收物质增加的重量，便可计算蒸气的分压，这个分压就是该温度下被测液体的饱和蒸气压。此法一般适用于蒸气压比较小的液体。2静态法,2023/9/12,3.2 实验原理,在某一温度下将被测液体放在一个密闭的体系中，直接测量其饱和蒸气压，此法一般适用于蒸气压比较大的液体。3动态法 利用当液体的蒸气压与外压相等时液体沸腾的原理，测定液体在不同外压时的沸点就可求出不同温度下的蒸气压。这些方法中以静态法准确性较高，即使蒸气压只有1333Pa(10mmHg)左右也可测定。静态法以等位计的两,2023/9/12,3.2 实验原理,臂液面等高来观察平衡较灵敏。对较高温度下的蒸气压测定，由于温度难以控制而准确度较差。动态法的优点是对温度的控制要求不高，对于沸点低于100的液体，如四氮化碳、丙酮、氯仿、乙酸乙酯、乙酸等亦可达到一定的精确度。饱和气流法不仅可测液体的饱和蒸气压，亦可测定固态易挥发物质，如碘的蒸气压。它的缺点是通常不易达到真正的饱和状态，因此实测值偏低。故这种方法通常只用来求溶液蒸气压的相对降低。由图解法求得直线的斜率即可由此得到液体的摩尔气化热（J.mol-1）：H气=-2.303Rm(3-4),2023/9/12,3.3 仪器和试剂,图3-18 动态法液体饱和蒸气压测定装置1-调压器，2-电热套，3-三颈瓶，4-沸石，5-纱布，6-温度计，7-温度计，8-冷凝管，9-压差计，10、11、12-三通阀，13缓冲瓶，14-接抽气装置,如图3-18装置一套，调压器（1kVA）1台，电热套（300-500W）1个，真空泵及附件1套。,2023/9/12,3.4 实验步骤,1准确读取实验时的大气压，实验结束时再读取一次，取平均值。2先用洗液清洗三颈瓶，再用自来水冲洗，最后用蒸馏水洗两次。瓶内加约1/2的蒸馏水，加入少许沸石。测温的温度计头用纱布包裹，部分浸入水中。用橡皮筋将测环境温度的温度计与测体系温度的温度计绑在一起，但要能移动，作露茎校正。3系统检漏：启动真空泵，系统减压400-500mmHg后，关闭真空泵，5分钟后系统压力不发生变化，则属正常。,2023/9/12,3.4 实验步骤,否则，检查各连接处是否漏气，可用少许真空酯涂在该处。4测定水在不同外压下沸腾的温度：启动真空泵，让体系压力低于环境压力约300-400mmHg左右。加热，让水平稳地沸腾，调整测露茎的温度计水银球于测体系温度的温度计汞柱露出部分的中部。隔2-3分钟读数，两次读数基本没有变化时,记录t观和t环，同时记录压差计的读数。降低体系与环境的压差约20-30mmHg，同样测定。直到体系与环境无压差，测定不少于10次。,2023/9/12,3.5 数据处理,1数据记录被测液体 室温 大气压：开始读数 结束读数 平均值,2023/9/12,3.5 数据处理,2绘pT图3用Matlab绘制lnp1/T图（操作方法见附录2，p.118-119），求H气化4求水的正常沸点。本实验也可以测定其他各种纯液体，如乙醇、丙酮等的蒸气压和平均摩尔汽化热。,2023/9/12,3.6 实验注意事项,1.整个实验过程中，应保持等位计I球液面上的空气排净。2.抽气的速度要合适，必须防止等位计内的液体沸腾过剧。3.因为蒸气压和温度有关，在测定过程中应控制恒温槽的温度波动为 0.1。4.实验过程中需防止球内的液体回流入I球内，带入空气，影响实验结果。,2023/9/12,3.7 思考题,1所测量仪器的精确度是多少？估计最后气化热的有效数字。2正常沸点与沸腾温度有什么不同？3如气压计读数为bar，压差计读数为mmHg，数据如何换算？4本实验方法能否用于测定溶液的蒸气压，为什么？,2023/9/12,3.8 附录1 温度计的校正,温度计的种类很多，其中水银温度计是最常用的。它的测温原理是基于不同温度时水银的体积变化不同来反应温度的变化。它的优点是结构简单、使用方便、价格便宜、测温范围广，一般适用于-350C-3600C。如以特制的硬质玻璃制成，内充Ne或Ar等惰性气体，可使测温范围扩大到7500C。当水银中加入Tl后，可测低温到-600C。但水银温度计在长期使用后玻璃的性质会发生改变。同时，温度计的读数是整体浸入被测体系时刻度的，当温度计各部分所处的温度不同时，读数也不能正确反映被测体系的真实温度。因此，使用温度计必须进行校正。,2023/9/12,3.8 附录1 温度计的校正,1零点校正：常用水的冰点校正，或用一套标准温度计校正。2露茎校正：所谓露茎是指温度计未浸入被测体系的部分。由于其所处的环境温度的不同，所示值需要进行校正。t=kl(t观-t环)（3-17）k=0.000157是水银对玻棒的相对膨胀系数；t观是测量温度计的读数；t环是附在测量温度计上的辅助温度计的读数；l是测量温度计水银柱露在空气中的部分的刻度长度。t校=t观+t（3-18）,2023/9/12,3.8 附录2 用Matlab处理数据,实验获取如下数据：室温 t0 露茎起点 L0实验开始时气压计读数 p1（cbar）实验结束时气压计读数 p2（cbar）观测温度t(摄氏度)左汞高pl(mmHg)右汞高pr(mmHg)为处理简单起见，将后3项的数据以文本形式单独存为一个文件，如s001.txt，存于指定目录，如c:student。在MATLAB中如下操作,对数据进行预处理。load c:students001.txt%调入原始数据,2023/9/12,3.8 附录2 用Matlab处理数据,t0=25;%环境温度（整个过程中t0并不是常数，但变化不大，可用平均值）L0=30;%露茎起点读数P1=98.7;%输入开始时气压计读数P2=97.6;%输入结束时气压计读数P0=(p1+p2)/2;%计算气压平均值t=s001(:,1);%观察温度数据转存于向量t中pl=s001(:,2);%左汞高数据存于向量pl中pr=s001(:,3);%右汞高数据存于向量pr中T=t+(t-t0)*(t-L0)*0.000157;%计算温度,2023/9/12,3.8 附录2 用Matlab处理数据,P=P0./101.325-(pr-pl)./760;%计算压力以上是温度和蒸气压的值通过用MATLAB的预处理，以下画出测定数据与拟合直线的对照图，同时计算出水的气化热。T1=1./(273.15+T);%计算1/Tp1=log(P);%计算ln(p)c=polyfit(T1,p1,1)%计算拟合系数（c(1)为斜率，c(2)为截距）p2=polyval(c,T1);%计算ln(p)的拟合值,2023/9/12,3.8 附录2 用Matlab处理数据,plot(T1,p2,T1,p1,+);%画出拟合的直线和用“+”标出测定的数据title(水的饱和蒸气压与温度的关系);%图标题xlabel(1/T);%横轴ylabel(ln(p);%纵轴legend(拟合结果,实验值);%图例grid on;%加网格线DH=-c(1)*8.314%输出水的气化热,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,压力是用来描述体系状态的一个重要参数。许多物理、化学性质，例如熔点、沸点、蒸气压几乎都与压力有关。在化学热力学和化学动力学研究中，压力也是一个很重要的因素。因此，压力的测量具有重要的意义。就物理化学实验来说，压力的应用范围高至气体钢瓶的压力，低至真空系统的真空度。压力通常可分为高压、中压、常压和负压。压力范围不同，测量方法不一样，精确度要求不同，所使用的单位也各有不同的传统习惯。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,一、压力的表示方法 压力是指均匀垂直作用于单位面积上的力，也可把它叫作压力强度，或简称压强。国际单位制（SI）用帕斯卡作为通用的压力单位，以Pa或帕表示。当作用于1m2(平方米)面积上的力为1N(牛顿)时就是1Pa(帕斯卡):,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,压力有不同的单位，它们之间的换算关系见附录。压力测量中还有绝对压力、表压和真空度的术语（见 图3-23）。在压力高于大气压的时:绝对压=大气压+表压 或 表压=绝对压-大气压在压力低于大气压的时候:绝对压=大气压-真空度 或 真空度=大气压-绝对压,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,二、常用测压仪表 1.液柱式压力计 液柱式压力计是物理化学实验中用得最多的压力计。它构造简单、使用方便，能测量微小压力差，测量准确度比较高，且制作容易，价格低廉，但是测量范围不大，示值与工作液密度有关。它的结构不牢固，耐压程度较差。现简单介绍一下U型压力计。液柱式U型压力计由两端开口的垂直U型玻璃管及垂直放置的刻度标尺所构成。管内部盛有适量工作液,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,体作为指示液。图3-6中U型管的两支管分别连接于两个测压口。因为气体的密度远小于工作液的密度，因此，由液面差h及工作液的密度、重力加速度g可以得到下式:,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,图3-22 绝对压、表压与真空度的关系 图3-23 U型压差计,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,U型压力计可用来测量:(1)两气体压力差;(2)气体的表压（p1为测量气压，p2为大气压）;(3)气体的绝对压力（令p2为真空，p1所示即为绝对压力）;(4)气体的真空度（p1通大气，p2为负压，可测其真空度）。图3-7 斜管式压差计在测量微小压差时，可采用斜管式U型压差计，如图3-24所示。设斜管与水平所成的角度为a，则：,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,图3-24 斜管式压差计,p1-p2=hg=lg sin a。,工作液体的选择应为不与体系的物质发生反应，也不互溶，且沸点较高的物质。在实验测定的一定压差下，液体的密度越小，液面差h越大，灵敏度越高。常用的液体是汞，其次是水。由于汞的密度大，在压差小的场合，可以考虑密度小的物质。汞蒸气对人有毒，可在汞的液面上加隔离液，如石蜡油、甘油、盐水等。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,液体的密度是与温度有关的，在温度较高或压差较大时，要进行温度的校正。在不考虑标尺的线性膨胀系数的情况下可采用如下公式：h0=ht(1-0.00018t/)h0为标准密度下的h，ht为工作温度下的h。2.弹性式压力计 利用弹性元件的弹性力来测量压力，是测压仪表中相当重要的一种形式。由于弹性元件的结构和材料不同，它们具有各不相同的弹性位移与被测压力的关,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,系。物化实验室中接触较多的为单管弹簧管式压力计。这种压力计的压力由弹簧管固定端进入，通过弹簧管自由端的位移带动指针运动，指示压力值。如图3-25所示。,图3-25 弹簧管压力计1.金属弹簧管;2.指针;3-连杆;4.扇型齿轮;5.弹簧;6-底座;7.测压接头;8.小齿轮;9.外壳。,必须正确地选用压力表，不同类型的压力表在不同的场合使用。注意被测体系中的物质和工作环境对仪表是否有特殊的要求。例如：普通压力表的弹簧管多采用铜合金，而氨用压,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,力表（氨表）的弹簧管采用碳钢的，因为氨对铜的腐蚀极强。又如氧的强氧化性，所以氧表是禁油的，在校验、使用、保管中都必须注意。使用弹性式压力计时应注意以下几点:(1)合理选择压力表量程。为了保证足够的测量精度，选择的量程应在仪表分度标尺的1234范围内。(2)使用时环境温度不得超过35，如超过应给予温度修正。（3)测量压力时，压力表指针不应有跳动和停滞现象。(4)对压力表应定期进行校验。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,3.数字式低真空压力测试仪 数字式低真空压力测试仪是运用压阻式压力传感器原理测定实验系统与大气压之间压差的仪器。它可取代传统的U型水银压力计，无汞污染现象，对环境保护和人类健康有极大的好处。该仪器的测压接口在仪器后的面板上。使用时，先将仪器按要求连接在实验系统上（注意实验系统不能漏气），再打开电源预热10min;然后选择测量单位，调节旋钮，使数字显示为零;最后开动真空泵，仪器上显示的数字即为实验系统与大气压之间的压差值。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,三、气压计 测量环境大气压力的仪器称为气压计。气压计的种类很多，实验室常用的是福廷式气压计。福廷式气压计的构造如图326所示。它的外部是一黄铜管，管的顶端有悬环，用以悬挂在实验室的适当位置。气压计内部是一根一端封闭的装有水银的长玻璃管。玻璃管封闭的一端向上，管中汞面的上部为真空，管下端插在水银槽内。水银槽底部是一羚羊皮袋，下端由螺旋支持，转动此螺旋可调节槽内水银面的高低。水银槽的顶盖上有一倒置的象牙针，其针尖是黄铜标尺刻度的零点。此黄铜标尺上附有游标尺，转动游标调节螺旋，可使游标尺上下游动。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,图3-9 福廷式气压计1.玻璃管 2.黄铜标尺 3.游标尺4.调节螺栓 5.黄铜管 6.象牙 7.汞槽 8.羚羊皮袋 9.调节汞面的螺栓 10.气孔 11.温度计,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,1.福廷式气压计的使用方法:(1)慢慢旋转螺旋，调节水银槽内水银面的高度，使槽内水银面升高。利用水银槽面反光，注视水银面与象牙尖的空隙，直至水银面的影像象牙尖与象牙尖刚刚接触，然后用手轻轻扣一下铜管上面，使玻璃管上部水银面凸面正常。稍等几秒钟，待象牙针尖与水面的接触无变动为止。(2)调节游标尺转动气压计旁的螺旋，使游标尺升起，并使下沿略高于水银面。然后慢慢调节游标，直到游标尺底边及其后边金属片的底边同时与水银面凸面顶端相切。这时观察者眼睛的位置应和游标尺前后两个底边的边缘在同一水平线上。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,(3)读取汞柱高度当游标尺的零线与黄铜标尺中某一刻度线恰好重合时，则黄铜标尺上该刻度的数值便是大气压值，不须使用游标尺。当游标尺的零线不与黄铜标尺上任何一刻度重合时，那么游标尺零线所对标尺上的刻度，则是大气压值的整数部分（mm）。再从游标尺上找出一根恰好与标尺上的刻度相重合的刻度线，则游标尺上刻度线的数值便是气压值的小数部分。(4)整理工作记下读数后，将气压计底部螺旋向下移动，使水银面离开象牙针尖。记下气压计的温度及所附卡片上气压计的仪器误差值，然后进行校正。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,2.气压计读数的校正水银气压计的刻度是以温度为0，纬度为45的海平面高度为标准的。若不符合上述规定时，从气压计上直接读出的数值，除进行仪器误差校正外，在精密的工作中还必须进行温度、纬度及海拔高度的校正。(1)仪器误差的校正由于仪器本身制造的不精确而造成读数上的误差称“仪器误差”。仪器出厂时都附有仪器误差的校正卡片，应首先加上此项校正。(2)温度影响的校正,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,由于温度的改变，水银密度也随之改变，因而会影响水银柱的高度。同时由于铜管本身的热胀冷缩，也会影响刻度的准确性。当温度升高时，前者引起偏高，后者引起偏低。由于水银的膨胀系数较铜管的大，因此当温度高于0 时，经仪器校正后的气压值应减去温度校正值;当温度低于0 时，要加上温度校正值。气压计的温度校正公式如下:,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,式中:p为气压计读数（mmHg）;t为气压计的温度（）;为水银柱在温度为035 之间的平均体膨胀系数（=0.0001818）;为黄铜的线膨胀系数(=0.0000184);p0为读数校正到0 时的气压值（mmHg）。显然，温度校正值即为。其数值列有数据表，实际校正时，读取p,t后可通过计算求得。,(3)海拔高度及纬度的校正 重力加速度（g）随海拔高度及纬度不同而异，致使水银的重量受到影响，从而导致气压计读数的误差。其校正办法是:经温度校正后的气压值再乘以,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,(4)其它如水银蒸气压的校正、毛细管效应的校正等，因校正值极小，一般都不考虑。3.使用时注意事项(1)调节螺旋时动作要缓慢，不可旋转过急。(2)在调节游标尺与汞柱凸面相切时，应使眼睛的位置与游标尺前后下沿在同一水平线上，然后再调到与水银柱凸面相切。(3)发现槽内水银不清洁时，要及时更换水银。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,四、真空的获得 真空是指压力小于一个大气压的气态空间。真空状态下气体的稀薄程度，常以压强值表示，习惯上称作真空度。不同的真空状态，意味着该空间具有不同的分子密度。在现行的国际单位制（SI）中，真空度的单位与压强的单位均为帕斯卡（Pasca），简称帕，符号为Pa。在物理化学实验中，通常按真空度的获得和测量方法的不同，将真空区域划分为:粗真空(101325Pa1333Pa);低真空(1333Pa0.1333Pa);高真空(0.1333Pa1.33310-6Pa)；超高真空(1.33310-6Pa)。为了获得真空，就必须设法将气体分子从容器中抽出。凡是能从容器中抽出气体，使气体压力降低的装置，均可称为真空泵。如水流泵、机械真空泵、油泵、扩散泵、吸附泵、钛泵等等。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,图3-27 旋片式真空泵1.进气嘴;2.旋片弹簧;3.旋片;4.转子;5.泵体;6.油箱;7.真空泵油;8-排气嘴。,实验室常用的真空泵为旋片式真空泵，如图3-27所示。它主要由泵体和偏心转子组成。经过精密加工的偏心转子下面安装有带弹簧的滑片，由电动机带动，偏心转子紧贴泵腔壁旋转。滑片靠弹簧的压力也紧贴泵腔壁。滑片在泵腔中连续运转，使泵腔被滑片分成的两个不同的容积呈周期性的扩大和缩小。气体从进气嘴进入，被压缩后经过排气阀排出泵体外。如此循环往复，将系统内的压力减小。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,旋片式机械泵的整个机件浸在真空油中，这种油的蒸气压很低，既可起润滑作用，又可起封闭微小的漏气和冷却机件的作用。在使用机械泵时应注意以下几点:1.机械泵不能直接抽含可凝性气体的蒸气、挥发性液体等。因为这些气体进入泵后会破坏泵油的品质，降低了油在泵内的密封和润滑作用，甚至会导致泵的机件生锈。因而必须在可凝气体进泵前先通过纯化装置。例如，用无水氯化钙、五氧化二磷、分子筛等吸收水分;用石蜡吸收有机蒸气;用活性炭或硅胶吸收其它蒸气等。,2023/9/12,3.9 附录3 压力测量,2.机械泵不能用来抽含腐蚀性成分的气体。如含氯化氢、氯气、二氧化氮等的气体。因这类气体能迅速侵蚀泵中精密加工的机件表面，使泵漏气，不能达到所要求的真空度。遇到这种情况时，应当使气体在进泵前先通过装有氢氧化钠固体的吸收瓶，以除去有害气体。3.机械泵由电动机带动。使用时应注意电动机的电压。若是三相电动机带动的泵，第一次使用时特别要注意三相电动机旋转方向是否正确。正常运转时不应有摩擦、金属碰击等异声。运转时电动机温度不能超过50度60度。4.机械泵的进气口前应安装一个三通活塞。停止抽气时应使机械泵与抽空系统隔开而与大气相通，然后再关闭电源。这样既可保持系统的真空度，又避免泵油倒吸。,
