كيفية حساب ضغط البخار

عندما تكون في وجود ماء بدأ في الغليان ، فمن المرجح ألا تتعرض للحروق بسبب ارتفاع درجة حرارة الماء والبخار المتسرب. لكن ربما تكون قد لاحظت شيئًا آخر حول البخار ، أو في هذا الصدد ، أي نوع من المواد في شكل غاز: لا يحب احتواؤه ، وسوف "يقاتل" ، في كثير من الأحيان بقوة شديدة ، للهروب. سمعت روايات الحوادث التي تنطوي على انفجار الغلايات البخارية على هذا التهديد.

عندما يغلي الماء أو سائل آخر ، من الناحية الفيزيائية ، فإنه يمر بمرحلة انتقالية أو تغير في الحالة من سائل إلى غاز. بعبارة أخرى ، فإن ضغط البخار من السائل قد بدأ يفوق غاز الغاز فوقه ، عادة الغلاف الجوي للأرض. ("بخار" مصطلح فضفاض يعني الغاز ، على سبيل المثال ، "بخار الماء" هو H₂يا في الحالة الغازية.)

يمكن أن تدخل المادة الصلبة أيضًا إلى الحالة الغازية مباشرة ، "متجاوزة" الحالة السائلة تمامًا في عملية تُعرف باسم تسامي. في هذه الحالة ، السبب الأساسي لانتقال الطور هو نفسه: المواد الصلبة لها ضغط بخار خاص بها ، وفي ظل ظروف معينة ، يمكن أن تتجاوز قيمة هذا الضغط الضغط الجوي. ولكن في كثير من الأحيان ، تتحول المواد الصلبة إلى سوائل.

على الأرض ، في ظل الظروف الطبيعية ، توجد المادة في واحدة من ثلاث حالات: صلبة أو سائلة أو غازية. بالنسبة لأي مادة واحدة ، تمثل هذه المراحل زيادات متتابعة في متوسط ​​الطاقة الحركية لجزيئات المادة ، تنعكس في زيادة درجة الحرارة. ومع ذلك ، توجد بعض المواد كغازات في درجة حرارة الغرفة ، في حين أن البعض الآخر عبارة عن سوائل ، والبعض الآخر مواد صلبة ينتج هذا عن سهولة فصل بعض الجزيئات داخل مادة ما عن طريق إدخال معين من الطاقة الحرارية (الحرارة).

يوجد كل عنصر وجزيء كمادة صلبة عند 0 كلفن ، أو الصفر المطلق (حوالي -273 درجة مئوية). إن بنية المادة عند درجات حرارة منخفضة للغاية عبارة عن شبكة بلورية صلبة. مع ارتفاع درجة الحرارة ، يمكن للجزيئات ، المثبتة بشكل فعال في مكانها ، أن تهتز بما يكفي الطاقة لتحرر من الشبكة ، وعندما يحدث هذا على مستوى المادة ، تكون المادة في السائل حالة.

في الحالة السائلة ، تتخذ المادة شكل الحاوية الخاصة بها ، ولكن ضمن حدود الجاذبية. عندما تزداد الطاقة الحركية أكثر ، تبدأ الجزيئات في الهروب من واجهة الهواء السائل وتدخل الحالة الغازية ، حيث يكون الشيء الوحيد الذي يحد من شكل الغاز هو الحاوية التي تحد من حركة الجزيئات عالية الطاقة.

عندما تلاحظ قدرًا من الماء في درجة حرارة الغرفة ، قد لا يكون واضحًا ، لكن بعض جزيئات الماء تتطاير حول سطح الماء ، مع عدد متساوٍ (وصغير جدًا) يعود إلى طور الماء في نفس الوقت زمن. وبالتالي فإن النظام في حالة توازن ، وضغط البخار الناتج عن الحد الأدنى للهروب من H₂جزيئات O هي توازن ضغط بخار الماء.

كما سترى ، المواد المختلفة في الحالة السائلة لها مستويات مميزة مختلفة من ضغط البخار P._بخار عند درجة حرارة الغرفة ، وتعتمد هذه القيمة على طبيعة القوى بين الجزيئات بين الجزيئات في السائل. على سبيل المثال ، المواد التي لديها قوى بين الجزيئات أضعف ، مثل الروابط الهيدروجينية ، سيكون لها مستويات أعلى من التوازن P_بخار لأنه يسهل على الجزيئات أن تتحرر من السائل.

إذا كانت ظروف التوازن مضطربة بسبب إضافة الحرارة ، فإن ضغط بخار السائل يرتفع باتجاه الضغط الجوي (101.3 كيلو باسكال ، 1 ضغط جوي أو 762 تور). إذا كانت قيمة ضغط البخار لا تعتمد على درجة الحرارة ، فسيكون من الصعب جعل أي سوائل (أو مواد صلبة) تغلي ، أو تتبخر ، خاصة تلك التي تحتوي على قيم عالية لضغط البخار.

بمجرد إضافة حرارة كافية إلى سائل لدفع ضغط بخاره إلى مستوى الضغط الجوي ، يبدأ السائل في الغليان. تعتمد كمية الحرارة التي يجب إضافتها على خصائص المادة. ولكن ماذا لو لم تكن المادة ماءً نقيًا ، بل هي محلول تذوب فيه مادة صلبة في سائل مثل الماء؟

عادةً ما يكون لإضافة المذاب تأثيرات على العديد من معاملات السائل ، بما في ذلك نقاط غليانه وذوبانه (أي نقطة التجمد). تُعرف المعلمات المتأثرة بتركيز المذاب بالخصائص التجميعية ("المتعلقة بالاتصال"). ينخفض ​​ضغط البخار بإضافة المذاب ، ويعتمد مدى حدوث ذلك على كمية المذاب المضافة وفي النهاية النسبة المولية للمذاب إلى المذيب.

• ماذا يفعل خفض ضغط البخار لدرجة غليان المحلول؟ عندما تفكر في الرياضيات ، فهذا يعني أن السائل سيكون عندها فجوة أكبر بين ضغط البخار والضغط الجوي ، وستحتاج إلى مزيد من الحرارة المضافة حتى يغلي. وبالتالي يتم زيادة درجة غليانه بمقدار ما.

معادلة الاهتمام في هذه المواقف ، والتي سترى موضحًا أدناه ، هي شكل مما يُعرف بـ قانون راولت: ص_مجموع= ∑P_أناX_أنا. هنا P_مجموع هو ضغط بخار المحلول ككل ، ويمثل الجانب الأيمن مجموع منتجات ضغوط البخار الفردية و كسور الخلد من المذاب والمذيب.

نظرًا لأن الماء عبارة عن سائل ومذيب في كل مكان ، فمن الجدير التحقق من العوامل التي تحدد معادلة ضغط البخار بمزيد من التفصيل.

الماء له ف_بخار 0.031 ضغط جوي ، أو أقل من 1/30 من الضغط الجوي. يساعد هذا في تفسير نقطة غليانه العالية نسبيًا لمثل هذا الجزيء البسيط ؛ يتم تفسير هذه القيمة المنخفضة بدورها من خلال الروابط الهيدروجينية بين ذرات الأكسجين وذرات الهيدروجين على الجزيئات المجاورة (هذه قوى بين الجزيئات وليست روابط كيميائية حقيقية).

عند التسخين من درجة حرارة الغرفة (حوالي 25 درجة مئوية) إلى حوالي 60 درجة مئوية ، يرتفع ضغط بخار الماء قليلاً فقط. ثم تبدأ في الارتفاع بشكل أكثر حدة قبل أن تصل إلى قيمة 1 atm عند 100 درجة مئوية (حسب التعريف).

الآن ، حان الوقت لكي ترى قانون رولت قيد التنفيذ. اعرف عندما تتعامل مع هذه المشكلات أنه يمكنك دائمًا البحث عن قيم P_بخار لمواد معينة.

يحتوي المحلول على خليط من 1 مول (مول) H₂O ، 2 مول إيثانول (C₂ح₅OH) و 1 مول أسيتالديهيد (CH₃CHO) عند 293 ك. ما هو ضغط البخار الكلي لهذا المحلول؟ ملحوظة: الضغط الجزئي لهذه المواد في درجة حرارة الغرفة هو 18 تور و 67.5 تور و 740 تور على التوالي.

أولاً ، قم بإعداد المعادلة الخاصة بك. من فوق ، لديك

ص_مجموع = ص_واتX_وات + ص_ethX_eth + ص_أجادX_أجاد

الكسور المولية للمواد المعنية هي عدد مولات كل منها مقسومًا على إجمالي مولات المادة في المحلول ، وهو 1 + 2 + 1 = 4. وهكذا يكون لديك X_وات = 1/4 - 0.25 ، س_eth = 2/4 = 0.5 و X_أجاد = 1/4 = 0.25. (لاحظ أن مجموع الكسور المولية يجب أن يكون دائمًا 1.) الآن ، أنت جاهز لتوصيل المعطى قيم ضغوط البخار الفردية وتحل لضغط البخار الكلي لمزيج حلول:

ص_مجموع = (0.25) (18 تور) + (0.5) (67.5 تور) + (0.25) (740 تور) = 223.25 سيل.