Giáo trình th
Giáo trình thự ự c t c t ậậ p hóa lý p hóa lý
NXB
NXB
ĐạĐại h
i h
ọọc qu
c qu
ốốc gia Hà N
c gia Hà N
ộội 2007.
i 2007.
Tr 9 – 12.
Tr 9 – 12.
Tài liTài liệệu trong Thu trong Thư ư viviệệnn đ đ iiệện t n t ử ử Đ Đ H Khoa h H Khoa họọc T c T ự ự nhiên có thnhiên có thể ể đượ đượ c sc sử ử d d ụụng cho mng cho mụụcc
đ
đ ích hích họọc t c t ậậ p và nghiên c p và nghiên cứ ứ u cá nhân. Nghiêm cu cá nhân. Nghiêm cấ ấ m mm mọọi hình thi hình thứ ứ c sao chép, inc sao chép, in ấ ấ n phn phụụcc vvụụ các mcác mụụccđ đ ích khác ních khác nế ế u không u không đượ đượ c sc sự ự chchấ ấ p thu p thuậận cn củủa nhà xua nhà xuấ ấ t bt bảản và tác gin và tác giảả..
Bài s
Bài s
ố
ố
2
2
.. Áp xu
Áp xu
ấấ
t h
t h
ơ
ơ
i bão hòa
i bão hòa
PGS. TS. V
Bài số 2
ÁP SUẤT HƠ I BÃO HOÀ
Mục đích
Nghiên cứu sự phụ thuộc của áp suất hơ i bão hoà vào nhiệt độ và xác định nhiệt hoá hơ i của chất lỏng.
Lí thuyết
Áp suất hơ i bão hoà là áp suất của hơ i nằm cân bằng vớ i chất lỏng (hoặc vật r ắn).
Sự liên quan giữa áp suất hơ i bão hoà và nhiệt độ sôi của chất lỏng đượ c biểu thị bằng phươ ng trình Clapeyron - Clausius: hh h 1 H dP = dT T(V V ) Δ − (1)
ở đây: ΔHhhlà nhiệt hoá hơ i mol;
Vh, V1là thể tích mol của hơ i và lỏng.
Ở áp suất không lớ n và nhiệt độ xa nhiệt độ tớ i hạn có thể bỏ qua V1so vớ i Vh, đồng thờ i
xem hơ i tuân theo định luật của khí lí tưở ng (Vh=
P RT ), khi đó phươ ng trình (1) có dạng: 2 hh RT H = dT dlnP Δ (2) Trong khoảng nhiệt độ tươ ng đối hẹ p có thể chấ p nhận ΔHhh là không đổi, khi đó tích
phân phươ ng trình (2) thu đượ c: lgP = – T 1 2,303R Hhh ⋅ Δ + const = −A +B T 1 ⋅ (3)
Phươ ng trình (3) chứng tỏ sự phụ thuộc bậc nhất của lgP vào 1
T . Nếu đo áp suất hơ i bão hoà của chất lỏng ứng vớ i các nhiệt độ sôi khác nhau r ồi lậ p đồ thị lgP = f ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ T 1 sẽ thu đượ c một đườ ng thẳng (hình 1), dựa vào hệ số góc của đườ ng thẳng đó tính đượ c nhiệt hoá hơ i của chất lỏng:
ΔHhh=− 2,303.R.tgα (4)
Ở đây tgα đượ c xác định từ toạ độ của hai điểm M và N nằm chính xác nhất và xa nhau
nhiệt hoá hơ i trung bình xác định đượ c sẽ càng gần nhiệt hoá hơ i thực nhưng sai số của k ết quả sẽ càng lớ n (xem phần tính sai số của nhiệt hoá hơ i).
Hình 1 Sựphụthuộc của lgP vào 1/T Từ hình 1 ta có: tgα= 2 1 1 2 lgP lgP 1 1 T T − − Suy ra: ΔHhh= 1 2 2 1 2 1 4 ,575T T lg(P /P ) T − T (5)
Tiến hành thí nghiệm
Dụng cụ lắ p sẵn (hình 2) gồm 2 phần: phần bay hơ i chất lỏng và hệ thống thay đổi áp suất.
Phần bay hơ i chất lỏng gồm một bình hai cổ (1) chứa chất lỏng nghiên cứu, một cổ nối vớ i ống sinh hàn thẳng (2), một cổ cắm nhiệt k ế (3) và bình (4) để chứa hơ i ngưng của chất lỏng (trong tr ườ ng hợ p đun sôi mạnh), ngăn không cho hơ i ngưng sang áp k ế (5).
Hệ thống thay đổi áp suất gồm máy hút chân không (không có trong bình vẽ), bình điều áp (6) và áp k ế chữ U (5).
Khi máy hút chân không chạy, mở khoá (7) và đóng khoá (8), không khí bị hút dần khỏi hệ, áp suất trong hệ giảm đi, mức thuỷ ngân ở nhánh (a) của áp k ế dâng lên và ở nhánh (b) hạ xuống, độ chênh lệch chiều cao của hai cột thuỷ ngân (h) chính là độ chênh lệch giữa áp suất khí quyển và áp suất bên trong hệ, do đó tính đượ c áp suất của hệ:
Phệ= (Pkhí quyển− h) mmHg
Việc tăng áp suất của hệ (đến áp suất khí quyển) đượ c thực hiện bằng cách mở từ từ khoá (8) để hệ thông vớ i không khí bên ngoài.
1 2 3 8 4 5 a b h 6 7 Tíi m¸y hót ch©n kh«ng Hình 2 Dụng cụxácđịnh áp suất hơi bão hoà
Thí nghi
ệm ti
ến hành nh
ưsau:
Lấy benzen đến nửa bình (1). Bỏ vào bình vài viên đá bọt. Kiểm tra các chỗ nối sao cho hệ đượ c kín. Muốn vậy đóng khoá (8), mở khoá (7), cho máy chân không ch ạy. Đến khi nào áp suất trong hệ hạ xuống còn khoảng 450 − 500 mmHg thì tắt máy, đóng khoá (7) lại. Nếu
trong vòng 10 phút mà áp su ất của hệ không thay đổi thì có thể coi hệ nghiên cứu là kín và có thể tiến hành thí nghiệm:
Cho nướ c chảy vào ống sinh hàn (2). Đun cách thuỷ bình (1). Khi chất lỏng sôi đều, quan sát nhiệt k ế thấy nhiệt độ dừng lại thì ghi lấy nhiệt độ này. Xác định chiều cao h trên áp k ế. Đọc áp suất khí quyển ở áp k ế thuỷ ngân đặt trong phòng thí nghiệm. Giá tr ị áp suất tính đượ c theo biểu thức P = Pkq − h chính là áp suất hơ i bão hoà của chất lỏng ở nhiệt độ sôi tươ ng ứng
(một chất lỏng sôi khi áp suất hơ i của nó bằng áp suất ngoài).
Mở khoá (8) cho áp suất của hệ tăng lên khoảng 50 mmHg (chiều cao h giảm 25 mmHg). Đóng khoá (8) lại. Xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng ở áp suất mớ i và ghi h tươ ng ứng. Tiế p tục xác định nhiệt độ sôi của chất lỏng ở các áp suất khác nhau, mỗi đợ t tăng 50 mmHg, cho đến khi áp suất trong hệ bằng áp suất khí quyển.
Yêu cầu 1: Ghi các k ết quả thí nghiệm và tính toán theo bảng 1.
Bảng 1 Hình 2 Dụng cụxácđịnh áp suất hơi bão hoà Nhiệtđộsôi TT Áp suấtđọcởphong vũ biểu Pkq(mmHg) Chiều cao cột thuỷ ngânởáp kếh (mmHg) Áp suất hơi bão hoà P = pkq h lgP toC T T 1 Yêu cầu 2: Vẽ đồ thị lgP = f(1/T)
Ghi chú: Cách tính sai số của nhi ệ t hoá hơ i
− Lấy loga hai vế phươ ng trình (5)
lnΔH = ln4,575 + lnT1 + lnT2+ ln(lgP2/P1) −ln(T2− T1) − Lấy vi phân: 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 1 1 T T ) T (T d ) /P lg(P 2,303 ) P / P ( dln + T dT + T dT = H H d − − − Δ Δ
− Chuyển sang sai số thu đượ c:
1 2 1 2 1 2 2 2 1 2 2 1 1 2 1 1 T T T + T P P H = + + + P P H T T T T 2,303P lg 2,303P lg P P ε ε ε ε ε ε εΔ + Δ − Ví dụ đối vớ i CCl4: ở T1 = 313 K, P1= 215 mmHg ở T2 = 323 K, P2= 317 mmHg
Sai số của nhiệt k ế (chia đến 1o) là 0,5o.
Sai số của áp k ế (chia đến 1 mmHg) là 0,5 mmHg. Sai số tươ ng đối của nhiệt hoá hơ i sẽ là:
H 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 = + + + + H 313 323 323 - 313 2,303.215.0,666 2,303.317.0,666 εΔ + Δ = 0,0016 + 0,0015 + 0,1 + 0,006 + 0,004 ≈ 0,1
K ết quả tính toán cho thấy độ chính xác của phép đo nhiệt độ sẽ quyết định sai số của k ết quả. Nếu khoảng nhiệt độ đo càng hẹ p thì sai số sẽ càng lớ n. Nếu khoảng nhiệt độ đo tươ ng đối r ộng, ví dụ T2 − T1 = 40othì sai số tươ ng đối sẽ giảm nhưng khi đó việc chấ p nhận
