大 学 化 学
Univ. Chem. 2022, 37 (6), 2107062 (1 of 5)
收稿：2021-07-16；录用：2021-09-07；网络发表：2021-10-19 *
通讯作者，Email: 基金资助：东华大学2021年度校级一流本科课程(DHYLA-2021-27)；上海市教育委员会本科重点课程项目(物理化学)；东华大学课程思政建设项目(105-20-0008058)
•化学实验• doi: 10.3866/PKU.DXHX202107062 www.dxhx.pku.edu 张帅，张健，边绍伟，赵亚萍，沈丽，咸春颖*
东华大学化学化工与生物工程学院，基础化学实验示范中心，上海 201620
摘要：在液体饱和蒸气压测定实验装置中，引入微流量调节阀对缓冲储气罐进行改造，使导入系统的空气流量精确可控，解决了调压时需反复调节、操控难、空气倒灌等问题，缩短了实验时间。使用该装置以静态法测定了乙醇的饱和蒸气压，在实验教学中获得了良好的效果。
关键词：物理化学实验；微流量调节阀；摩尔汽化热；静态法 中图分类号：G64；O6
Application of a Micro-Flow Regulating Valve in Saturated Vapor Pressure Measurements
Shuai Zhang, Jian Zhang, Shaowei Bian, Yaping Zhao, Li Shen, Chunying Xian *
Fundamental Experimental Chemistry Center, College of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China.
Abstract: A micro-flow regulating valve was introduced into an experimental device used for liquid vapor pressure measurements, to enable the accurate and control of the pressure of the system and address the problem of backward air flow into the experimental system. Desirable results were obtained in the experimental process with the use of the micro-flow regulating valve in the experimental device.
Key Words: Physical chemistry experiment; Micro-flow regulating valve; Molar heat of vaporization;
Static method
“液体饱和蒸气压的测量”是大学物理化学实验中的一个经典实验。其测定方法有静态法、动态法和饱和
气流法[1]。目前高校多采用准确性最高的静态法[1–4]，静态法是将被测液体置于密闭的系统中，通过测定不同温度条件下液体的饱和蒸气压，获得饱和蒸气压与温度的关系[1]。
在教学中我们采用的设备如图1所示，测定原理为：平衡管(图2)由三个相连的玻璃管a 、b 和c 管构成，a 管、b 管和c 管中存有被测液体，b 管和c 管在底部相通。当a 管和c 管上方充满待测液体的蒸气，且b 管和c 管的液面相平时，c 管液面上方的压力值即为该温度下待测液体的饱和蒸气压，此压力值可由串联在管路中的数字压力计读出。
1 实验中存在的问题
整个实验过程中最关键的步骤是达到设定温度后，通过缓冲储气罐的阀门1调节进入体系的空 气量，使b 、c 管液面相平。在原始的实验装置中，阀门1是普通的螺纹旋塞阀，螺纹较粗，旋塞末端有O 型橡胶密封圈，气体的导入量是通过旋转旋塞调节密封圈与气孔的间隙来控制的。由于体系与环境间压差较大，橡胶密封圈弹性不足、容易变形及老化等原因，在使用过程中进气量很难精准控制，b 、c 管液面不易调平，而且经常发生气孔瞬间打开的现象，由于进气量过大而导致空气反灌入体系，使实验失败，且不同仪器的阀门调节灵敏度也不一致，很难保证实验的顺利进行。
2 实验装置改进
近年来有许多人对等压调压装置进行了改进。如华等[5]设计了一种微小气流量调控装置，使操作调控可视化，以求解决调控难的问题。龚楚清等[6]在体系中引入了一组缓冲瓶，缓冲瓶内压力可增可减，且能实现连续调控，以此来实现对U 型管内液面的调节。这几种改进方法可较好地实现对体系压力的调控，但是需要增加配套的玻璃实验装置，对操作空间要求较高。
为了解决本实验仪器操控难的问题，我们和仪器公司合作对装置的压力调节部分进行了改进。首先将原阀门1改成黄铜金属堵头，端口3通过真空硅胶管和微流量调节阀(微调阀)连接，实验过程中通过微调阀精确控制向系统内导入空气的流量(图3，图4)，使体系压力缓慢上升。
图3 改进后的缓冲储气罐装置示意图
图4 改进后的缓冲储气罐装置实物图
阀门2将缓冲储气罐分隔为两个区域，上部的小区域与平衡管和数字压力计管相连，下部较大的缓冲区域与真空泵相连，实验时利用阀门2将缓冲罐上、下两部分分开，使上部小区域压力大于下部缓冲罐压力，所以当体系压力过高时，可通过阀门2减压。
微调阀和阀门2的配合使用，较好地解决了压力操控难问题，既避免了反复调节、空气倒灌等问题的发生，也不需要额外增加实验空间。
微调阀[7,8] (图5)为手动驱动的精密调节阀，具有以下特点：阀门采用细螺纹结构设计，阀门的工作是以手转动调节旋钮为动力，通过螺纹传动带动阀针升降来完成的；阀尖最小尺寸为1.2 mm ，阀针调节维度8°，气体流量可达0.01 mL ∙s −1，调节精度高；轴封采用聚四氟乙烯密封，密封性能好；
阀体采用不锈钢焊接，漏率小；阀门固定在长方形黑金属盒内，体积小，操作方便。
图1 静态法测量液体饱和蒸气压的装置示意图
图2 平衡管的示意图
图5 微流量调节阀实物及结构示意图
3 实验部分
3.1 仪器及试剂
仪器：DP-AF 饱和蒸气压实验装置(南京桑力电子设备厂，缓冲储气罐调压部分改为微调阀)，隔膜泵，恒温槽，福廷式大气压力计，冷阱，保温杯，干燥塔。
试剂：无水乙醇(AR)。 3.2 实验步骤
(1) 装样：向平衡管中加入适量的乙醇，连接实验测量装置。检查微调阀、阀门2，使之均处于打开状态，打开数字压力计电源，按下“采零键”，使显示数值为零。
(2) 气密性检查： ① 整体气密性检查。
冷阱保温杯中放置少量冰块，使玻璃三通阀处于通大气状态，关闭微调阀、抽气阀，启动隔膜泵。1 min 后关闭玻璃三通阀，缓慢打开抽气阀，抽真空至指定压力数值，关闭抽气阀。观察数字压力计压力读数是否稳定。
② “工作体系”气密性检查。
关闭阀门2，缓慢打开抽气阀，继续抽气1 min ，观察体系压力是否稳定。然后关闭抽气阀，缓慢打开玻璃三通后，关闭隔膜泵。
(3) 测量：接通冷凝水，设置恒温槽温度为30.00 °C 开始加热。升温过程中通过微调阀控制平衡管内
液体的沸腾程度，保持每秒1–2个气泡的鼓泡速率，防止爆沸。体系达到预设温度后，调节微调阀和阀门2 (若b 管液面高于c 管，则需打开阀门2进行调节)，使b 、c 管液面相平，记录温度和压力数值。
重复上述实验操作，每次升温4 °C ，记录b 、c 管液面相平时的平衡温度和液体蒸气压数值。本实验共测量7个实验点。
(4) 关闭实验仪器：实验完成后，依次缓慢打开微调阀、阀门2，使压力计恢复到零位。关闭冷凝水、恒温槽和数字压力计，拔下所有电源插头，清除冷阱保温杯中剩余冰块。所有实验设备和器材恢复至初始状态。
4 结果与讨论
4.1 实验结果
装置改进前后学生完成实验的情况对比见表1。改进后的实验装置操控性比较好，大部分学生在调节b 、c 管液面平衡时一次就可以成功，因调节失败导致空气倒灌的现象明显减少，学生整体完成实验的时间缩短了近1 h ，实验数据准确性也有了较大提高。
使用改造好的装置测得的实验数据列于表2。
表1 装置改进前后学生实验完成情况对比
实验完成情况
实验装置改进前
实验装置改进后
调节b 、c 管液面平衡一次成功率
< 25% > 90% 发生空气倒灌比例 > 60% < 5% 整体完成实验时间
3–4 h
2–3 h
乙醇平均摩尔汽化热值误差在±5%内比例 ~10% ~70% 乙醇平均摩尔汽化热值误差在±10%内比例 ~20%
~90%
表2 乙醇饱和蒸气压实验数据记录表
编号
沸点t /°C
沸点T /K
103T −1/K −1 压力差Δp /kPa
蒸气压p =大气压+ Δp /kPa ln(p /kPa)
1 30.04 303.04 3.298 −90.76 10.78 2.378
2 34.11 307.11 3.256 −88.24 13.30 2.588
3 38.07 311.07 3.213 −85.17 16.37 2.795
4 42.08 315.08 3.172 −81.44 20.10 3.001
5 46.01 319.01 3.133 −77.00 24.54 3.200
6 50.00 323.00 3.095 −71.82 29.72 3.392
7 53.97 326.97
3.057
恒温阀门−65.65 35.89 3.580
室温：19.3 °C ；大气压力：101.54 kPa
4.2 实验数据处理依据
液体的饱和蒸气压随温度的变化关系用克劳修斯-克拉贝龙方程[9]表示：
vap m
2
dln d H p T RT ∆= (1) 式中，p 是液体在温度T 时的饱和蒸气压(kPa)；T 是热力学温度(K)，∆vap H m 是液体的摩尔气汽化热；R 是摩尔气体常数。当温度的变化范围较小时，∆vap H m 可视为常数。将(1)式积分得：
vap m
ln H p A RT
∆=-+ (2)
由(2)式可知，通过实验测量在不同温度条件下液体的饱和蒸气压，并将ln p –1/T 作图，可得到一条直线。通过此直线的斜率可计算出实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热。当外压为101325 Pa ，从图中可求得该液体的正常沸点。 4.3 实验数据处理结果
以ln p 为纵坐标，1/T 位为横坐标作图得一直线(图6)。由图6可知，ln p 与1/T 成线性关系，且直线的线性相关系数也比较好。
l n (p /k P a )
103
T -1
/K
-1
图6 ln p –1/T 的关系及其线性拟合图
根据直线的斜率计算乙醇的平均摩尔汽化热△vap H m 的数值。
1vap m Δ==8.314( 4.9939) 1000=41.52 kJ mol H R --⨯-⨯-⨯⋅斜率
与∆vap H m 的文献值41.50 kJ ∙mol −1相比[10]，平均摩尔汽化热相对误差为：
41.5241.50
100%0.05%41.50
η-=
⨯=
5 结语
本实验通过引入微流量调节阀对实验装置进行改进，解决了原装置调压困难、空气容易倒灌的问题，提高了实验数据的稳定性和准确性。改进后的装置操控性较好，从仪器的组装、样品的加入，到实验条件的精准调控，整个实验过程学生可一人单独操作完成，有助于加强学生对所用仪器基本原理的理解，提高学生的动手、动脑和创新思维能力。将改进后装置应用于上海市大学生化学实验竞赛，也取得了良好的效果。
参 考 文 献
[1] 复旦大学, 等编. 庄继华, 等修订. 物理化学实验. 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2004: 28–31. [2] 邱金恒, 孙尔康, 吴强. 物理化学实验. 北京: 高等教育出版社, 2010: 25–28.
[3] 北京大学化学学院物理化学实验教学组, 编. 物理化学实验. 第4版. 北京: 北京大学出版社, 2002: 44–46.
[4] 吉林大学, 朱万春, 张国艳, 李克昌, 徐家宁. 基础化学实验. 第2版. 物理化学实验分册. 北京: 高等教育出版社, 2017: 147–150. [5] 华, 龚楚清, 张海波, 邓立志, 夏春兰. 大学化学, 2018, 33 (12), 51. [6] 龚楚清, 邓媛, 邓立志, 夏春兰. 大学化学, 2016, 31 (3), 49.
[7] 董湧法, 陈平, 刘辉, 张玉春. 一种高真空针阀: 中国, CN201220575339.0[P]. 2013-07-03. [8] 张利平. 一种超高真空手动阀: 中国, CN201921310224.7[P]. 2020-05-22.
[9] 傅献彩, 沈文霞, 姚天扬, 侯文华. 物理化学. 第5版. 北京: 高等教育出版社, 2005: 277–279. [10] 蒋风雷, 蔡雨萌, 邓立志, 邓媛, 龚楚清, 刘义. 大学化学, 2015, 30 (4), 47.
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