Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
101
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
241.66 Кб
Скачать

Лабораторная работа № 8 давление насыщенного пара индивидуальных жидкостей

Одним из важнейших свойств жидкости является давление ее насыщенно­го пара, характеризующее способность жидкости к испарению. Тепловое движение молекул жидкости ведет к отрыву их от поверхности жидкости и к переходу в газовую фазу. Однако такой отрыв может проис­ходить только в том случае, если кинетическая энергия молекул окажется больше энергии взаимной связи между молекулами.

Часть молекул, оторвавшихся от поверхности жидкости, впоследствии снова конденсируется, другая же часть остается в газообразной фазе. Таким образом, на поверхности жидкости всегда происходит два процес­са - испарение и конденсация. Если эти процессы происходят в замкнутом пространстве, то скорости испарения и конденсации выравниваются, а между жидкой и газообразной фазой наступает состояние динамическо­го равновесия.

Давление, которое молекулы пара, находящегося в равновесии с жидкой фазой, оказывают на стенки сосуда и на поверхность жидкости на­зывается давлением насыщенного пара жидкости.

Давление пара, является функцией кинетической энергии молекул и их числа в единице объема и выражается формулой:

(1)

р – давление пара,

N – число молекул,

V – объем пара,

m – масса молекул,

w – средняя квадратичная скорость молекул.

Согласно закону распределения Больцмана, число молекул, обладающих энергией, большей некоторого заданного предела, рассчитывается по уравнению:

(2)

где NE – число молекул, обладающих энергией больше Е,

N – общее число молекул,

Т – абсолютная, температура,

R – постоянная Больцмана,

е – основание натуральных логарифмов.

Так как испарение обусловлено отрывом от жидкости молекул, обладающих энергией, достаточной для преодоления сил сцепления, а согласно уравнению /2/ количество таких молекул с повышением температуры возрастает в экспоненциальной зависимости, то скорость испарения быстро увеличивается с повышением температуры.

В то же самое время скорость конденсации определяется средней квадратичной скоростью молекул, для которой кинетическая теориягазов дает следующее выражение:

(3)

Таким образом, скорость конденсации с повышением температуры воз­растает пропорционально квадратному корню из температуры, т.е. значительно медленнее, чем скорость испарения. Поэтому с повышением тем­пературы сильно возрастает плотность газовой фазы, и, следовательно, давление пара.

Давление насыщенного пара чистой жидкости или твердого тела есть давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью или твердым телом при данной температуре. Из правила фаз Гиббса следует, что система с одним компонентом и двумя сосуществующими фазами имеет только од­ну степень свободы.

Давление пара каждого стабильного химического вещества определяет­ся только температурой. Давление пара при данной температуре является характерным свойством соединения, знание которого необходимо для многих практических расчетов в физической химии и инженерной прак­тике.

Так на основании данных о давлении пара Д.П. Коновалов создал классическую теорию неидеальных растворов, растворимости и фракционной перегонки. При помощи этой величины можно определить чистоту химичес­ких веществ, так как она является специфической константой каждого вещества. Знание этого свойства используется также для идентификацииорганических соединений.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражается уравнением Клапейрона-Клаузиуса:

(4)

где Н – теплота испарения, Дж/моль или кал/моль.

V – изменение объема при переходе 1 моль жидкости в пар.

Уравнение /4/ позволяет рассчитать любую из содержащихся в нем ве­личин, если остальные входящие в него величины известны. Например, для расчета Н необходимо располагать данными о мольных объемах па­ра и жидкости в условиях равновесия. Эти данные известны отнюдь не для всех случаев, а измерение их связано со значительными трудностями. Поэтому весьма ценным является то, что для некоторых частных случаев это уравнение можно упростить, сделав следующие допущения:

  1. Vп » Vж, поэтому можно пренебречь величиной Vж

  2. Пар подчиняется уравнению состояния идеальных газов:

pV = RT, n = 1

  1. Теплота испарения не зависит от температуры.

С учетом этих упрощений уравнение преобразуется в уравнение /5/

(5)

Это уравнение при постоянных Н и R может быть интегрировано. Для не­определенного интеграла получаем: , или (6)

где

Величина b зависит от единиц, в которых выражено давление. Уравнение /6/ отвечает линейной зависимости в координатах. По тангенсу угла наклона прямой можно определить теплоту испарения, т.к. Н = Rtg где – угол, образованный прямой и осью абсцисс. После определенного интегрирования получаем:

(7)

что позволяет, зная давление насыщенного пара при двух температурах, рассчитать теплоту испарения и, зная последнюю, рассчитать температуру кипения (возгонки) при заданном давлении.

Экспериментальная часть

Цель работы. Изучить зависимость давления насыщенного пара от температуры динамическим методом. На основании опытных данных по зависимости давления насыщенного пара от температуры вычислить теплоту парообразования и изменение энтропии в процессе парообразования.

Описание установки и порядок выполнения работы

Схема установки показана на рис.1.

Рис. 1.

Часть установки состоит из стеклянной посуды на шлифах, поэтому обращаться с ней надо осторож­но, не создавал напряжения неправильным закреплением отдельных ее частей. Все шлифы перед началом работы смазать тонким слоем вакуумной смазки.

В круглодонную колбу /1/ наливают 35-50 мл исследуемой жидкости /по указанию преподавателя/, добавляют несколько кусочков пемзы, чтобы избежать перегрева. На колбу надевают кольца термостата, чтобы по возможности более полно закрыть отверстие термостата, но в то же вре­мя, чтобы удобно было наблюдать за кипением жидкости в колбе. Затем в колбу вставляют двурогую насадку /2/ с термометром /3/, как пока­зано на рисунке. Термометр должен находиться над поверхностью жидкости. Колбу помещают в термостат /4/, чтобы дно ее оказалось на подставке /5, высоту подставки можно регулировать с помощью винтов /6/. Опус­кать и поднимать подставку нужно осторожно, придерживая рукой колбу.

Второе отверстие двурогой насадки соединяют с обратным холодильником. Следите, чтобы при присоединении обратного холодильника колба жестко не упиралась в подставку. Уровень воды в термостате должен быть чуть выше уровня жидкости в колбе.

Обратной холодильник при помощи крана /8/ сообщается со всей осталь­ной системой, состоящей из ртутного манометра /9/, с помощью которого измеряется разряжение в системе, буферной склянкой /10/. Свободный конец манометра /9/ в нерабочем состоянии закрыт зажимом, чтобы пары ртути не попадали в воздух. Перед началом работы зажим снять! Разряжение в системе создают с помощью насоса Комовского /11/. Для предохранения насоса от попадания в него паров и загрязнения маслом между краном /8/ и буферной склянкой /10/ установлена колонка /12/ с хлористым кальцием. Между буферной склянкой и насосом стоит трехходовой кран /13/. Динамический метод определения давления насыщенного пара основан на определении температуры кипения жидкости при различных давлениях. Измерения целесообразно проводить, переходя от максимального разряжения в системе к минимальному. Перед тем как создать разряжение, кран /13/ ставят в такое положение, при котором установка сообщается только с насосом Комовского /см. рис.2-а/. При помощи насоса Комовского создается максимальное разряжение. При этом показание манометра, /9/ должно быть 550-560 мм рт. столба. Показание манометра определяется как разность высот ртути в двух коленах. Эта разность составляется из высоты подъема ртути в одном колене, и снижения его в другом колене. После этого кран /13/ пе­реводят в положение, при котором система отключается от насоса и внеш­ней среды /см. рис.2-6/. Проверяют герметичность системы.

Затем открывают кран /8/, при этом давление во всей системе выравни­вается. Снова проверяют герметичность. Если система герметична, присту­пают к выполнению работы.

Включают термостат, контактный термометр устанавливают на 5 – 10°С выше, чем температура исследуемой жидкости, кран /8/ открыт, обратныйхолодильник включен!

Когда жидкость начинает закидать, температура паров повышается, сле­дите за показаниями термометра /3/, При установлении равновесия между кипящей жидкостью и ее насыщенным паром температура, держится постоян­ной. Отмечают эту температуру по термометру /3/ и снимают показания манометра в мм рт. ст., как было показано выше, т.е. отмечают положения ртутных менисков в обоих коленах.

После первого определения температуры кипения давление в системе увеличивают на 40-50 мм рт. ст., плавно поворачивая кран /13/ в поло­жение, при котором в систему входит воздух /см. рис.2-в/. При этом ки­пение жидкости прекращается, температура паров снижается. Требуется некоторое время /5 – 10 мин/, чтобы жидкость нагрелась до более высокойтемпературы и вновь закипела. Отмечают установившуюся температуру при новом давлении, как и в предыдущем случае, снимают показания маномет­ра. Необходимо произвести 8-10 таких измерений, последовательно уве­личивая давление в системе на 40-50 мм рт. ст. Последнее измерение про­извести при атмосферном давлении.

Результаты измерений записать в таблицу по следующему образцу:

Давление барометрическое (атмосферное давление) - ___________.

измерения

Показания

Давление пара

Рпара = Рбар - h

термометра

манометра

t, C

T, K

h

Рпара

ln Рпара

1

2

3

На основании полученных данных необходимо:

  1. Построить график зависимости давления пара исследуемой жидкости от температуры в координатах: р = f(t) и ln Pпара = f( )

  2. Вычислить теплоту испарения жидкости по графику

  3. Рассчитать теплоты испарения для трех интервалов температур по уравнению Клаузиуса-Клапейрона (7).

  4. Найти эмпирическое уравнение , и вычислить значения коэффициентов и, воспользовавшись методом наименьших квадратов:

,,

где n – число экспериментальных точек,

xi, yi – координаты i - ой точки/

Сумма в уравнении /8/ вычисляется по всем выражениям от 1 до 15. Вычислить теплоту испарения по эмпирическому уравнению прямой.

Определить температуру кипения жидкости при 1 атм. по уравнению Клапейрона-Клаузиуса.

По окончании работы необходимо:

  1. Выключить термостат,

  2. Отключить воду,

  3. Закрыть кран /8/ и зажимом закрыть свободное колено ртутного манометра

  4. Исследуемую жидкость слить в склянку.

Для работы рекомендуются жидкости:

  1. Четыреххлористый углерод

  2. Этанол

  3. Хлороформ

  4. Гексан

  5. Ацетон

  6. Этилацетат

Литература:

  1. Курс физической химии, под. ред. Герасимова Я.И. - т.1. - С. 138-151.

  2. Киреев В.А. Курс физической химии. Госхимиздат, 1955 - С. 221-230, 318-340.

1

8

2

7

3

6

4

5