2.11 壓力的測量
在化學實驗中，經常要涉及氣體壓力的測量。有的實驗需要在真空下操作，有的實驗需要使用高壓氣體。下面介紹幾種常用儀器，包括氣壓計、U形壓力計、氣體鋼瓶與減壓閥。
2.11.1 氣壓計
測定大氣壓力的儀器稱為大氣壓力計，簡稱氣壓計。氣壓計的種類很多，實驗室最常用的是福廷式氣壓計。福廷式氣壓計是一種真空壓力計，其原理如圖2-97所示，它以汞柱所產生的靜壓力來平衡大氣壓力p，汞柱的高度h就可以度量大氣壓力的大小。在實驗室，通常用毫米汞柱（mmHg）作為大氣壓力p的單位。
圖2-97 氣壓計原理示意圖
毫米汞柱作為壓力單位時，它的定義是：當汞的密度為13.5951g·cm-3（即0℃時汞的密度，通常作為標準密度，用符號ρ??表示），重力加速度為9.80m·s-2（即緯度45°的海平面上的重力加速度，通常作為標準重力加速度，用符號g0表示）時，1mm高的汞柱所產生的靜壓力為1mmHg。mmHg與Pa單位之間的換算關系為：1mm=133.32Pa。
（1）構造
如圖2-98所示，氣壓計的外部為一黃銅管，內部是裝有汞的玻璃管1，封閉的一端向上，開口的一端插入汞槽8中。玻璃管頂部為真空。在黃銅管3的頂端開有長方形窗口，并附有刻度標尺，以觀察汞的液面高低。在窗口間放一游標2，轉動螺旋4可使游標上下移動。黃銅管中部附有溫度計10。汞槽的底部為一柔皮囊，下部由螺旋9支持，轉動螺旋9可調節汞槽內汞液面7的高低。汞槽上部有一個倒置的固定象牙針6，其針尖即為標尺的零點。
圖2-98 福廷式氣壓計
1—封閉的裝有汞的玻璃管；2—游標尺的后板；3—刻度標尺；4—調節螺旋；5—黃銅管；6—零點象牙針；7—汞；8—汞槽；9—螺旋；10—溫度計
（2）用法
氣壓計垂直放置后，旋轉調節汞液面位置的底部螺旋9，以升高槽內汞的液面。利用槽后面的白瓷板的反光，注意水銀面與象牙針間的空隙，直到汞液面升高到恰與象牙針尖接觸為止（調節時動作要慢，不可旋轉過急）。
轉動螺旋4調節游標，使它比汞液面高出少許，然后慢慢旋下，直到游標前后兩邊的邊緣與汞液面的凸月面相切（此時在切點兩側露出三角形的小孔隙），便可從黃銅刻度與游標尺上讀數。
讀畢，轉動螺旋9，使汞液面與象牙針脫離。
（3）讀數
讀數時應注意眼睛的位置和汞液面齊平。找出游標零線所對標尺上的刻度，讀出整數部分。從游標尺上找出一根恰與標尺上某一刻度線相吻合的刻度，此游標尺上的刻度值即為小數點后的讀數（參閱圖2-98）。記下讀數后，還要記錄氣壓計上的溫度和氣壓計本身的儀器誤差，以便進行讀數校正。
（4）讀數的校正
由于氣壓計上黃銅標尺的長度隨溫度而變，汞的密度也隨溫度而變，而重力加速度隨緯度和海拔高度而變，所以由氣壓計直接讀出的汞柱高度通常不等于上述以汞的標準密度、標準重力加速度定義的毫米汞柱，必須進行校正。此外，還需對儀器本身的誤差進行校正。校正項目有：①溫度校正；②重力加速度校正。具體校正辦法參閱相關資料。
2.11.2 U形壓力計
U形壓力計是物理化學實驗中用得最多的壓力計。它構造簡單，使用方便，測量的精確度也較高。它的示值取決于工作液體的密度，也就是與工作液體的種類、純度、溫度及重力加速度有關。它的缺點是測量范圍不大。
（1）構造與工作原理
U形壓力計由兩端開口的垂直U形玻璃管及垂直放置的刻度標尺構成。管內盛有適量的工作液體，如圖2-99所示。
圖2-99 U形壓力計
它實際上是一個壓力差計。工作時將U形管的兩端分別連接于體系的兩個測壓口上。若p1>p2，液面差為Δh，考慮到氣體的密度遠小于工作液體的密度，因此可得出：
p1-p2=Δhρg （2-4）
（2-5）
式中，ρ為給定溫度下工作液體的密度；g為重力加速度。這樣，壓力差（p1-p2）的大小就可用液面差Δh來度量。若U形管的一端是開口（通大氣）的，則可測得體系的壓力與大氣壓力之差。
在測量微小壓力差時，可采用斜管式U形壓力計，如圖2-100所示。設斜管與水平所成的角度為α，則
p1-p2=Δhρg=Δlρgsinα （2-6）
通過測量Δl和α，即可求得壓力差（p1-p2）。
圖2-100 斜管式U形壓力計
（2）工作液體的選擇
工作液體應選擇不與被測體系內的物質發生化學反應，也不互溶，且沸點較高的物質。在一定的壓差下，選用的液體密度越小，液面差Δh就越大，測量的靈敏度也就越高。最常用的工作液體是汞，其次是水。由于汞的密度較大，在壓差較小的場合，可采用其他低密度的液體。此外，由于汞的蒸氣對人體有毒，為了防止汞的擴散，可在汞的液面上加上少量的隔離液，如石蠟油、甘油或鹽水等。
（3）U形壓力計的讀數及其校正
①正確讀數的方法 由于液體的毛細現象，汞在玻璃管內的液面呈凸形，水則呈凹形。在讀數時，視線應與液柱彎月面的最低點或最高點相切，如圖2-101所示。
圖2-101 U形壓力計的讀數
②讀數的溫度校正 在用U形壓力計測量時，也要像氣壓計一樣進行讀數的溫度校正。設工作液體為汞，在室溫t時的讀數為Δht，若不考慮標尺的線膨脹系數，校正到汞的密度為標準密度下的Δh0，有：
Δh0=Δht（1-0.00018t） （2-7）
當溫度t較高以及Δht數值很大時，溫度校正值是不可忽視的。
2.11.3 氣體鋼瓶與減壓閥
在物理化學實驗室，經常要用到O2、N2、H2和Ar等氣體，這些氣體通常儲存在耐高壓（104kPa）的專用鋼瓶里。使用時鋼瓶上必須裝上一個減壓閥，使氣體壓力降低到實驗所需的壓力范圍。
（1）氣體鋼瓶的類型及其標記
氣體鋼瓶是由無縫碳素鋼或合金鋼制成的。常用的氣體鋼瓶類型見表2-10。
表2-10 常用的氣體鋼瓶類型
為了安全，氣體鋼瓶均有專用的漆色及標記（參見表1-10）。
（2）氣體減壓閥
最常用的減壓閥為氧氣減壓閥，也稱氧氣表。下面就以它為例來說明減壓閥的工作原理與使用。
氧氣瓶上的減壓閥裝置如圖2-102所示。其高壓部分與鋼瓶連接，為氣體進口；其低壓部分為氣體出口，通往使用體系。高壓表的示值為鋼瓶內儲存氣體的壓力。低壓表的示值為出口壓力，可由減壓閥來調節和控制。
圖2-102 氧氣減壓閥裝置
減壓閥的構造如圖2-103所示。使用時，先打開鋼瓶閥門，高壓表11立即指示鋼瓶內儲存氣體的壓力。由于回動彈簧6的壓力作用，減壓閥門5緊閉。如果按順時針方向慢慢旋動調節螺桿9，它就壓縮調節彈簧8并轉動薄膜4和支桿7，使減壓閥門5微微開啟。這時高壓氣體由高壓室1經閥門節流減壓后，進入低壓室3，隨后進入工作體系。通過調節螺桿9改變減壓閥門5的開啟程度，配合低壓表12，就可以控制出口氣體的壓力。減壓閥內裝有安全閥門10，如果由于閥門損壞等原因，當低壓室內氣體超過許可值時，安全閥門10就會自動打開，以保護減壓閥的安全使用。
圖2-103 氧氣減壓閥的構造
1—高壓室；2—管接頭；3—低壓室；4—薄膜；5—減壓閥門；6—回動彈簧；7—支桿；8—調節彈簧；9—調節螺桿；10—安全閥門；11—高壓表；12—低壓表
使用氧氣減壓閥應注意以下幾點。
①依使用要求的不同，氧氣減壓閥有多種規格。最高進口壓力多為15MPa，最低進口壓力應大于出口壓力的2.5倍。出口壓力的規格較多，最低為0～0.1MPa，最高為0～4MPa。
②氧氣減壓閥嚴禁接觸油脂類物質，以免發生火災事故。
③停止工作時，應先將減壓閥內余氣放凈，然后旋松調節螺桿（旋到最松位置），即關閉減壓閥門。
④減壓閥應避免撞擊和振動，不可與腐蝕性氣體接觸。
有些氣體，例如H2、N2、空氣、Ar等可以采用氧氣減壓閥。但有些氣體，如NH3等腐蝕性氣體，則需要用專用的減壓閥，其使用方法及注意事項與氧氣減壓閥基本相同，但要注意調節螺桿的螺紋方向。
（3）氣體鋼瓶的安全使用
使用氣體鋼瓶應注意安全，密閉時應保證不漏氣，對可燃性氣體鋼瓶應絕對避免發生爆炸事故。鋼瓶發生爆炸主要有以下幾個方面原因：鋼瓶受熱，內部氣體膨脹導致壓力超過它的最高負荷；瓶頸螺紋因年久損壞，瓶中氣體會沖脫瓶頸以高速噴出，鋼瓶則向噴氣的相反方向高速飛行，可能造成嚴重的事故；鋼瓶的金屬材料不佳或受腐蝕，在鋼瓶墜落或撞擊時容易引發爆炸。
使用鋼瓶時應注意以下幾點。
①鋼瓶應存放在陰涼、干燥及遠離熱源（如爐火、暖氣、陽光等）的地方，放置時必須垂直放穩并用一定的方法固定好。
②搬運時要穩走輕放，并把保護閥門的瓶帽旋上。
③使用時要用氣體減壓閥（CO2、NH3可例外）。對一般不燃性氣體或助燃性氣體（例如N2、O2），鋼瓶氣門螺紋按順時針方向旋轉時為關閉；對可燃性氣體（例如H2、C2H2），鋼瓶氣門螺紋按逆時針方向旋轉時為關閉。
④絕不允許把油或其他易燃性有機物沾染在鋼瓶上（特別是在出口和氣壓表處），也不可用棉、麻等物堵漏，以防燃燒。
⑤開啟氣門時，工作人員應避開瓶口方向，站在側面，并緩慢操作，以策安全。
⑥不可把鋼瓶內氣體用盡，應留有剩余壓力，以核對氣體的種類和防止灌氣時有空氣或其他氣體進入而發生危險。鋼瓶每2～3年必須進行一次檢驗，不合格的應及時報廢。
⑦氫氣鋼瓶應放在遠離實驗室的地方，用導管引入實驗室，要絕對防止泄漏，并應加上防止回火的裝置。