10.5. Измерение давления пара вещества

Определение давления пара основано либо на непосредственном измерении давления, создаваемого паром, находящимся в фазовом равновесии с жидким или твердым веществом, либо путем косвенных наблюдений за поведением пара в предположении, что он обладает свойствами идеального газа.

Для определения давления пара вещества можно применять практически любой тип манометра. Однако многие исследователи предпочитают использовать для этой цели специально сконструированные приборы, получившие название тензиметров (от латин. tendere - натягивать, напрягать + ... метр).

Тензиметр объединяет в одно целое, без каких-либо переходных узлов, манометр и нагреваемый сосуд с веществом, давление пара которого измеряют. Прибор позволяет и произвести отбор порции пара для определения его молекулярного состава.

Известно много различных тензиметров, среди которых наиболее простыми являются приборы, в которых пар находится в изолированном от внешней среды объеме, и приборы, позволяющие переносить пар вещества потоком инертного газа. Первые получили название статических, а вторые - динамических тензиметров.

Статические тензиметры. В приборах этого типа часто применяют принцип работы вакуумметров Боденштейна и ложечкового (см. рис. 247).

Тензиметр Суворова (рис. 249,о) изготавливают из схеме с малым термическим коэффициентом линейного расширения (стекло марки ТС или "пирекс", ), позволяют использовать прибор в температурном интервале 30 - 500 °С.

В этом тензиметре к стеклянной мембране, 12 диаметром 20 мм приваривают строго по центру стеклянную нить 8 толщиной около 1 мм. Под мембраной снаружи к трубке сосуда 14

Рис. 249. Тензиметр Суворова (а) и изотонископ Смита - Меньеса (6): б 1 - трубка; 2 - трехходовой кран; 3 - сосуд для ртути: 4 - нуль-манометр; 5 - сосуд с веществом; 6- отросток; 7- термостат; 8- термометр

приваривают вторую нить 10 такой же толщины и концы их спаивают на расстоянии 100 - 150 мм от поверхности мембраны. При колебаниях мембраны нить 8 перемещается вдоль своей оси, что приводит к изгибу иглы (из-за неподвижности нити 10) вправо или влево относительно индикатора нуля 7. Система двух нитей увеличивает смещение иглы примерно в 100 раз относительно изменения положения мембраны. Конструкция прибора позволяет наблюдать за колебаниями иглы вне термостата 15.

Чтобы измерить давление пара, навеску вещества массой не более 1 г вводят через отросток 13 в сосуд 14 после чего из него Удаляют, воздух и отросток запаивают. Тензиметр присоединяют пРи помощи вакуумного шланга 6 к компенсационно-измерительному узлу 1-5. Трубку 5 присоединяют к вакуумметру, а трубку 1 к вакуум-ому насосу. Трубка 3 связана через трехходовой кран 2 с атмосферой. Кран 4 во время работы прибора должен быть всегда закрыт. Его открывают только для компенсации давления в камере 14.

После загрузки вещества прибор помещают в термостат 15 с заданной температурой, контролируемой термометром 9.

Давление пара вещества снизу на мембрану 12 вызывает смещение иглы 8 относительно индикатора 7. Для возвращения иглы к исходному положению в сосуд 11, вакуумированный перед опытом, осторожно впускают воздух через трубку 3, открыв кран 4 и отмечают по вакуумметру, присоединенному к трубке 5, давление, которое и будет давлением пара вещества.

Суворов Андрей Владимирович (р. 1926) - русский физикохимик, изучаю ший термодинамику газообразного состояния вещества.

Изотонископ Смита - Меньеса (рис. 249,6) представляет прибор с встроенным ртутным манометром. В изотонископ (от греч isos - равный, одинаковый + tonos - напряжение + skopeo - наблюдаю, смотрю) через отросток б вносят в сосуд 5 исследуемое вещество, а в сосуд 3 осторожно наливают через трубку 1 и трехходовой кран 2 ртуть. Отросток 6 запаивают и весь прибор тщательно вакуумируют через трубку 1. Затем изотонископ наклоняют и переливают всю ртуть в манометр 4, предварительно закрыв кран 2. В таком виде прибор готов для измерения давления пара вещества, находящегося в сосуде 5.

Изотонископ погружают в термостат 7. Давление пара вещества вызывает повышение столбика ртути в левом колене манометра. Для выравнивания уровней ртути в коленах манометра в него через трубку 1 при открытом кране 2 осторожно впускают воздух и отмечают давление по манометру, присоединенному через боковую трубку трехходового крана. Это давление и будет давлением пара вещества, находящегося в сосуде 5. Одновременно записывают показания термометра 8.

Существенный недостаток изотонископа - контакт пара с ртутью или другой манометрической жидкостью, что ограничивает круг веществ, давление паров которых возможно определить с помощью этого прибора.

Динамические тензиметры. В приборах такого типа над нагретым твердым веществом пропускают газ, который насыщается парами вещества, а затем от них освобождается, что и позволяет установить давление пара. Динамические тензиметры дают надежные результаты только в том случае, если давление пара заметно меньше давления газа-носителя. Обычно верхним пределом считается давление пара порядка (1 - 3) • 104 Па (до 200 торр).

Тензиметр с потоком газа-носителя (рис. 250,а) состоит из следующих узлов: реометра 1, термостата 3, сатуратора 4, конденсатора 5 и газометра 7 с приемником жидкости 8.

Газ-носитель, проходя реометр, поступает в сатуратор с исследуемым веществом. Температура сатуратора поддерживается постоянной и контролируется термометром 2.

\c. 250 Прибор для измерения давления пара методом потока (а) и сатураторы (б-г):

ft / - капилляр; 2 - колба с веществом; J - пористый стеклянный патрон; г. I - стеклянный змеевик; 2- пористая стеклянная пластинка; 3- вещество; г. I - пористый стеклянный патрон; 2 - вешество

В сатураторе газ-носитель насыщается паром вещества и поступает в конденсатор, охлаждаемый в сосуде Дьюара 6.В конденсаторе происходит десублимация вещества, а газ-носитель собирается в газометре для определения объема при строго определенных атмосферном давлении и температуре. Вместо объема газа измеряют объем вытесненной из газометра воды.

Давление пара вещества р (в торр) находят по уравнению состояния идеального газа, допуская, что парциальное давление ПаРа мало по сравнению с общим давлением газа-носителя:

(10.10)

где к mв - масса конденсата, г; Мв — молярная масса вещества пара, г/моль; R - универсальная газовая постоянная, равная 62,363 л торр/(моль К); Г - температура, К; V- объем прошедшего газа-носителя, л.

Для расчета давления пара р применяют и другие соотноше-Если исходить из уравнения Дальтона для идеальных газов:

(10.11)

где Р - общее давление: рх - определяемое парциальное давление пара вещества: рг - парциальное давление газа-носителя), то объединяя уравнение (10.11) с уравнением Менделеева - Клайпейрона, получим

(10.12)

где nх и nг - число молей вещества, обнаруженного в конденсаторе 5 и числo моделей инертного газа-носителя, собранного в газометре 7. 40

(Дальтон Джон (1766-1844) - английский химик и физик, открывший кратных отношений и обосновавший основные идеи химической атомистики)

Важной частью установки, в которой используется метод no. тока, является сатуратор 4, где происходит насыщение газа. носителя паром вещества и выравнивание их температур. Отдельные виды сатураторов приведены на рис. 250,6 г.

В сатураторе поверхность контакта вещества с газом-носителем должна быть возможно большей для насыщения последнего паром. Чтобы предотвратить диффузию пара в направлении, обратном потоку газа, входная трубка 1 сатуратора (рис. 250,б,в) оканчивается либо капилляром, либо змеевиком. Иногда используют только пористый стеклянный патрон 1 на выходной трубке (рис. 250,г).

Уменьшение термодиффузии пара в направлении потока газа-носителя достигается введением в выводную трубку сатуратора перед конденсатором пористого стеклянного фильтра 9 (рис. 250,о) и 3 (рис. 250,6) или пористой стеклянной пластинки 2 (рис. 250,в). Чтобы газ-носитель принял температуру пара перед прохождением через вещество, его вначале направляют в стеклянный змеевик (рис. 250,в). Как правило, скорость газа-носителя поддерживают в интервале от 1 до 50 мл/мин, регулируя ее реометром 1 (рис. 250,а). При меньшей скорости увеличивается диффузия пара в сторону, обратную движению потока газа-носителя, а при больших скоростях последний не насыщается паром.

 

К оглавлению