2.11 压力的测量
在化学实验中，经常要涉及气体压力的测量。有的实验需要在真空下操作，有的实验需要使用高压气体。下面介绍几种常用仪器，包括气压计、U形压力计、气体钢瓶与减压阀。
2.11.1 气压计
测定大气压力的仪器称为大气压力计，简称气压计。气压计的种类很多，实验室最常用的是福廷式气压计。福廷式气压计是一种真空压力计，其原理如图2-97所示，它以汞柱所产生的静压力来平衡大气压力p，汞柱的高度h就可以度量大气压力的大小。在实验室，通常用毫米汞柱（mmHg）作为大气压力p的单位。
图2-97 气压计原理示意图
毫米汞柱作为压力单位时，它的定义是：当汞的密度为13.5951g·cm-3（即0℃时汞的密度，通常作为标准密度，用符号ρ表示），重力加速度为9.80m·s-2（即纬度45°的海平面上的重力加速度，通常作为标准重力加速度，用符号g0表示）时，1mm高的汞柱所产生的静压力为1mmHg。mmHg与Pa单位之间的换算关系为：1mm=133.32Pa。
（1）构造
如图2-98所示，气压计的外部为一黄铜管，内部是装有汞的玻璃管1，封闭的一端向上，开口的一端插入汞槽8中。玻璃管顶部为真空。在黄铜管3的顶端开有长方形窗口，并附有刻度标尺，以观察汞的液面高低。在窗口间放一游标2，转动螺旋4可使游标上下移动。黄铜管中部附有温度计10。汞槽的底部为一柔皮囊，下部由螺旋9支持，转动螺旋9可调节汞槽内汞液面7的高低。汞槽上部有一个倒置的固定象牙针6，其针尖即为标尺的零点。
图2-98 福廷式气压计
1—封闭的装有汞的玻璃管；2—游标尺的后板；3—刻度标尺；4—调节螺旋；5—黄铜管；6—零点象牙针；7—汞；8—汞槽；9—螺旋；10—温度计
（2）用法
气压计垂直放置后，旋转调节汞液面位置的底部螺旋9，以升高槽内汞的液面。利用槽后面的白瓷板的反光，注意水银面与象牙针间的空隙，直到汞液面升高到恰与象牙针尖接触为止（调节时动作要慢，不可旋转过急）。
转动螺旋4调节游标，使它比汞液面高出少许，然后慢慢旋下，直到游标前后两边的边缘与汞液面的凸月面相切（此时在切点两侧露出三角形的小孔隙），便可从黄铜刻度与游标尺上读数。
读毕，转动螺旋9，使汞液面与象牙针脱离。
（3）读数
读数时应注意眼睛的位置和汞液面齐平。找出游标零线所对标尺上的刻度，读出整数部分。从游标尺上找出一根恰与标尺上某一刻度线相吻合的刻度，此游标尺上的刻度值即为小数点后的读数（参阅图2-98）。记下读数后，还要记录气压计上的温度和气压计本身的仪器误差，以便进行读数校正。
（4）读数的校正
由于气压计上黄铜标尺的长度随温度而变，汞的密度也随温度而变，而重力加速度随纬度和海拔高度而变，所以由气压计直接读出的汞柱高度通常不等于上述以汞的标准密度、标准重力加速度定义的毫米汞柱，必须进行校正。此外，还需对仪器本身的误差进行校正。校正项目有：①温度校正；②重力加速度校正。具体校正办法参阅相关资料。
2.11.2 U形压力计
U形压力计是物理化学实验中用得最多的压力计。它构造简单，使用方便，测量的精确度也较高。它的示值取决于工作液体的密度，也就是与工作液体的种类、纯度、温度及重力加速度有关。它的缺点是测量范围不大。
（1）构造与工作原理
U形压力计由两端开口的垂直U形玻璃管及垂直放置的刻度标尺构成。管内盛有适量的工作液体，如图2-99所示。
图2-99 U形压力计
它实际上是一个压力差计。工作时将U形管的两端分别连接于体系的两个测压口上。若p1>p2，液面差为Δh，考虑到气体的密度远小于工作液体的密度，因此可得出：
p1-p2=Δhρg （2-4）
（2-5）
式中，ρ为给定温度下工作液体的密度；g为重力加速度。这样，压力差（p1-p2）的大小就可用液面差Δh来度量。若U形管的一端是开口（通大气）的，则可测得体系的压力与大气压力之差。
在测量微小压力差时，可采用斜管式U形压力计，如图2-100所示。设斜管与水平所成的角度为α，则
p1-p2=Δhρg=Δlρgsinα （2-6）
通过测量Δl和α，即可求得压力差（p1-p2）。
图2-100 斜管式U形压力计
（2）工作液体的选择
工作液体应选择不与被测体系内的物质发生化学反应，也不互溶，且沸点较高的物质。在一定的压差下，选用的液体密度越小，液面差Δh就越大，测量的灵敏度也就越高。最常用的工作液体是汞，其次是水。由于汞的密度较大，在压差较小的场合，可采用其他低密度的液体。此外，由于汞的蒸气对人体有毒，为了防止汞的扩散，可在汞的液面上加上少量的隔离液，如石蜡油、甘油或盐水等。
（3）U形压力计的读数及其校正
①正确读数的方法 由于液体的毛细现象，汞在玻璃管内的液面呈凸形，水则呈凹形。在读数时，视线应与液柱弯月面的最低点或最高点相切，如图2-101所示。
图2-101 U形压力计的读数
②读数的温度校正 在用U形压力计测量时，也要像气压计一样进行读数的温度校正。设工作液体为汞，在室温t时的读数为Δht，若不考虑标尺的线膨胀系数，校正到汞的密度为标准密度下的Δh0，有：
Δh0=Δht（1-0.00018t） （2-7）
当温度t较高以及Δht数值很大时，温度校正值是不可忽视的。
2.11.3 气体钢瓶与减压阀
在物理化学实验室，经常要用到O2、N2、H2和Ar等气体，这些气体通常储存在耐高压（104kPa）的专用钢瓶里。使用时钢瓶上必须装上一个减压阀，使气体压力降低到实验所需的压力范围。
（1）气体钢瓶的类型及其标记
气体钢瓶是由无缝碳素钢或合金钢制成的。常用的气体钢瓶类型见表2-10。
表2-10 常用的气体钢瓶类型
为了安全，气体钢瓶均有专用的漆色及标记（参见表1-10）。
（2）气体减压阀
最常用的减压阀为氧气减压阀，也称氧气表。下面就以它为例来说明减压阀的工作原理与使用。
氧气瓶上的减压阀装置如图2-102所示。其高压部分与钢瓶连接，为气体进口；其低压部分为气体出口，通往使用体系。高压表的示值为钢瓶内储存气体的压力。低压表的示值为出口压力，可由减压阀来调节和控制。
图2-102 氧气减压阀装置
减压阀的构造如图2-103所示。使用时，先打开钢瓶阀门，高压表11立即指示钢瓶内储存气体的压力。由于回动弹簧6的压力作用，减压阀门5紧闭。如果按顺时针方向慢慢旋动调节螺杆9，它就压缩调节弹簧8并转动薄膜4和支杆7，使减压阀门5微微开启。这时高压气体由高压室1经阀门节流减压后，进入低压室3，随后进入工作体系。通过调节螺杆9改变减压阀门5的开启程度，配合低压表12，就可以控制出口气体的压力。减压阀内装有安全阀门10，如果由于阀门损坏等原因，当低压室内气体超过许可值时，安全阀门10就会自动打开，以保护减压阀的安全使用。
图2-103 氧气减压阀的构造
1—高压室；2—管接头；3—低压室；4—薄膜；5—减压阀门；6—回动弹簧；7—支杆；8—调节弹簧；9—调节螺杆；10—安全阀门；11—高压表；12—低压表
使用氧气减压阀应注意以下几点。
①依使用要求的不同，氧气减压阀有多种规格。最高进口压力多为15MPa，最低进口压力应大于出口压力的2.5倍。出口压力的规格较多，最低为0～0.1MPa，最高为0～4MPa。
②氧气减压阀严禁接触油脂类物质，以免发生火灾事故。
③停止工作时，应先将减压阀内余气放净，然后旋松调节螺杆（旋到最松位置），即关闭减压阀门。
④减压阀应避免撞击和振动，不可与腐蚀性气体接触。
有些气体，例如H2、N2、空气、Ar等可以采用氧气减压阀。但有些气体，如NH3等腐蚀性气体，则需要用专用的减压阀，其使用方法及注意事项与氧气减压阀基本相同，但要注意调节螺杆的螺纹方向。
（3）气体钢瓶的安全使用
使用气体钢瓶应注意安全，密闭时应保证不漏气，对可燃性气体钢瓶应绝对避免发生爆炸事故。钢瓶发生爆炸主要有以下几个方面原因：钢瓶受热，内部气体膨胀导致压力超过它的最高负荷；瓶颈螺纹因年久损坏，瓶中气体会冲脱瓶颈以高速喷出，钢瓶则向喷气的相反方向高速飞行，可能造成严重的事故；钢瓶的金属材料不佳或受腐蚀，在钢瓶坠落或撞击时容易引发爆炸。
使用钢瓶时应注意以下几点。
①钢瓶应存放在阴凉、干燥及远离热源（如炉火、暖气、阳光等）的地方，放置时必须垂直放稳并用一定的方法固定好。
②搬运时要稳走轻放，并把保护阀门的瓶帽旋上。
③使用时要用气体减压阀（CO2、NH3可例外）。对一般不燃性气体或助燃性气体（例如N2、O2），钢瓶气门螺纹按顺时针方向旋转时为关闭；对可燃性气体（例如H2、C2H2），钢瓶气门螺纹按逆时针方向旋转时为关闭。
④绝不允许把油或其他易燃性有机物沾染在钢瓶上（特别是在出口和气压表处），也不可用棉、麻等物堵漏，以防燃烧。
⑤开启气门时，工作人员应避开瓶口方向，站在侧面，并缓慢操作，以策安全。
⑥不可把钢瓶内气体用尽，应留有剩余压力，以核对气体的种类和防止灌气时有空气或其他气体进入而发生危险。钢瓶每2～3年必须进行一次检验，不合格的应及时报废。
⑦氢气钢瓶应放在远离实验室的地方，用导管引入实验室，要绝对防止泄漏，并应加上防止回火的装置。