Работа № 2. Определение давления насыщенного пара и энтальпии испарения чистого вещества

2.1. Общие сведения

Насыщенным паром вещества называют пар, находящийся в равновесии с жидкой или твердой фазой данного вещества. Давление насыщенного пара для каждого вещества является величиной постоянной при данной температуре. Зависимость давления насыщенного пара от температуры может быть получена с использованием уравнения Клапейрона  Клаузиуса.

Из уравнения (21) следует

dP/dT = _фп / Т_фп(V^II - V^I). (22)

В случае равновесия между газообразной (пар) и жидкой фазами _фп  теплота испарения, V^II и V^I  объемы моля пара и моля жидкости. Уравнение (22) можно упростить, введя некоторые допущения:

1) поскольку V^II > V^I , то величиной V^I можно пренебречь;

2) cчитать, что пар  идеальный газ, т.е. V^II = RT/P;

3) в небольшом интервале температур (T_фп  Т) теплота испарения не зависит от температуры.

Благодаря первым двум допущениям уравнение (22) принимает вид:

dlnP/dT = _исп R². (23)

Третье допущение позволяет представить это уравнение в интегральном виде:

ln(P₂/P₁) = _исп(T₂ - T₁)/RT₂T₁ (24)

Отсюда можно получить формулу, позволяющую рассчитать теплоту испарения на основании данных о давлении насыщенного пара при двух температурах

_исп = RT₂T₁ ln(P₂/P₁)/( T₂ - T₁) (25)

2.2. Экспериментальная часть

Необходимое оборудование:

Установка для определения давления насыщенного пара методом уноса.

Необходимые реактивы:

Вещество, находящееся в жидком состоянии, например, бензол, толуол, ацетон.

Методика

В работе давление насыщенного пара определяется методом уноса вещества инертным газом. Сущность метода заключается в следующем. Через исследуемое вещество, находящееся в жидком состоянии в сосуде при постоянной температуре, медленно пропускают газ, не растворяющийся в жидкости и не взаимодействующий с ней. Газ насыщается парами вещества и уносит вещество из сосуда. По объему пропущенного газа V, количеству исследуемого вещества, унесенного газом g и молярной массе вещества М вычисляют давление насыщенного пара вещества при данной температуре.

Э

Рис. 4. Принципиальная схема установки для определения давления насыщенного пара

ксперимент проводят на установке, схема которой приведена на рис. 4. Сосуд 9 с исследуемым веществом расположен в термостате 8, температура которого настроена на температуру опыта. Инертным газом служит сухой воздух, который вытесняется из газгольдера 1 водой, поступающей в него через воронку 3 при открытом положении крана 2. Выходящий из газгольдера воздух поступает в колонку с хлоридом кальция 11, где осушается от влаги. Для того, чтобы воздух имел ту же температуру, что и исследуемое вещество, он проходит через теплообменник 5, помещенный в термостате 8. Сосуд 9 соединен с теплообменником 5 и конденсатором 6 при помощи резиновых трубок, плотно надеваемых на тубусы 10 и 7 сосуда 9. Через тубус 10 воздух поступает в сосуд, а через тубус 7 выходит из него.

Объем газа V, прошедшего через исследуемое вещество, равен объему воды, наливаемой в воронку 3 и служащей для вытеснения газа из газгольдера. Воздух должен проходит через систему медленно, чтобы обеспечивалось полное насыщение его парами исследуемого вещества. Это насыщение в данных условиях достигается при скорости барботажа газа не более 1 дм³/ч, что соответствует прохождению примерно 1  2 пузырька воздуха в секунду через сосуд 9. Скорость воздуха регулируют краном 4.

Сопротивление, оказываемое всей системой проходящему через нее воздуху, определяет необходимость создания в газгольдере некоторого избыточного (против внешнего) давления ₁, которое измеряют с помощью открытого манометра 12..

Количество унесенного инертным газом вещества g определяют по разности масс сосуда 9 с веществом до и после опыта. Внешнее давление Р_Б измеряют ртутным барометром в начале эксперимента, и показание его проверяется в конце эксперимента. В показание барометра вводят поправку на температуру. Величины температурных поправок ₂, которые следует вычитать из показаний барометра, приведены в табл. 1. Там же даны значения давления насыщенного пара воды ₃, которые надо вычитать при расчете давления сухого воздуха.

Таблица 1

Т, С	2, [мм рт. ст.] при показании барометра 720 730 740 750 760 770 780							3, мм рт. ст.*
10	1,25	1,27	1,29	1,30	1,32	1,34	1,35	9,21
11	1,38	1,40	1,42	1,43	1,45	1,47	1,49	9,84
12	1,51	1,53	1,55	1,57	1,59	1,61	1,63	10,52
13	1,63	1,65	1,67	1,69	1,71	1,73	1,75	11,23
14	1,75	1,78	1,80	1,82	1,84	1,87	1,89	11,99
15	1,88	1,90	1,93	1,95	1,98	2,00	2,03	12,79
16	2,01	2,03	2,06	2,09	2,11	2,14	2,16	13,63
17	2,14	2,16	2,19	2,22	2,25	2,27	2,30	14,53
18	2,25	2,28	2,31	2,34	2,37	2,40	2,43	15,48
19	2,38	2,41	2,44	2,47	2,50	2,53	2,57	16,48
20	2,51	2,54	2,57	2,61	2,64	2,67	2,70	17,54
21	2,63	2,67	2,70	3,74	2,77	2,81	2,84	18,65
22	2,76	2,80	2,83	2,87	2,91	2,94	2,98	19,83
23	2,88	2,92	2,95	2,99	3,03	3,07	3,10	21,07
24	3,01	3,05	3,08	3,12	3,16	3,20	3,24	22,38
25	3,13	3,17	3,22	3,26	3,30	3,34	3,38	23,76
26	3,26	3,30	3,35	3,39	3,43	3,47	5,52	25,21
27	3,39	3,43	3,48	3,52	3,56	3,61	3,65	26,74
28	3,51	3,55	3,60	3,64	3,69	3,73	3,78	28,35

* Согласно СИ давление должно измеряться в паскалях (Па). Для перехода от мм рт. ст. к Па следует пользоваться соотношением р(Па)=р(мм рт. ст.)/0,0075.

Рекомендуется следующий порядок проведения эксперимента:

1) взвесить сосуд 9 с исследуемым веществом на аналитических весах (тубусы 7 и 10 должны быть закрыты пробочками);

2) собрать установку по приведенной схеме, присоединить сосуд 9 к трубке 5 и конденсатору 6, погрузить сосуд в термостат;

3) измерить температуру воздуха в помещении и атмосферное давление P_Б;

4) при закрытом кране 2 влить 500 см³ воды (объем ее определить мерным цилиндром) в воронку 3;

5) открыть кран 2 и , отрегулировав скорость потока воздуха краном 4, следить за вытеканием воды из воронки 3;

6) измерить избыточное давление Р₁ по манометру;

7) когда вода в воронке 3 достигнет крана 2, закрыть его и подождать, пока пузырьки воздуха перестанут барботироваться через исследуемую жидкость; далее следует извлечь сосуд 9, закрыть его пробочками и взвесить на аналитических весах.

Давление насыщенного пара исследуемого вещества вычисляют как парциальное давление одного из компонентов газовой смеси, предполагая, что эта смесь, содержащая воздух и пары исследуемого вещества, подчиняется закону Дальтона. При расчете давления насыщенного пара используют уравнение

Р = P_общX,

где Р_общ = P_Б  ₂  общее давление газовой смеси, Х  молярная доля паров исследуемого вещества в газовой смеси.

Х = = ,

где n  число молей исследуемого вещества, М  молярная масса исследуемого вещества, N  число молей сухого воздуха.

Число молей сухого воздуха, прошедшего через исследуемое вещество, можно рассчитать по уравнению состояния идеального газа:

N = P_ВV_В /RT_В,

где V_В  объем сухого воздуха, дм³, Т_В  температура воздуха в помещении, К, R = 62,36 дм³ мм рт. ст./моль K.

Давление воздуха рассчитывают по формуле:

Р_В = P_Б + ₁  ₂  ₃ .

Как уже указывалось, определение давления пара при двух температурах позволяет найти теплоту испарения по уравнению (25).

Результаты

Масса сосуда с веществом до опыта (g₁)...................................................

Масса сосуда с веществом после опыта (g₂)........................................….

Масса исследуемого вещества, унесенная газом (g)……………………

Молярная масса исследуемого вещества (M).........................................…

Число молей исследуемого вещества (n)....................................................

Объем сухого воздуха (V_B)...........................................................................

Показания барометра (Р_Б).............................................................................

Температура воздуха в помещении (T_B).....................................................

Поправки:

₁ .................................................................................................................

_{2..............................................................................................................................................................................}

_{3...............................................................................................................................................................................}

Давление сухого воздуха (Р_В).....................................................................

Число молей сухого воздуха (N).................................................................