Как да изчислим налягането на парите

Когато сте в присъствието на вода, която започва да кипи, вашата основна грижа за безопасността най-вероятно не е попарена поради високата температура на водата и излизащата пара. Но може би сте забелязали нещо друго за парата, или по този въпрос, за всякакъв вид материя под формата на газ: тя не обича да бъде задържана и ще се „бие“, често доста силно, за да избяга. Сметките за произшествия, включващи експлодиращи парни котли, слушат тази заплаха.

Когато водата или друга течност кипи, във физически смисъл тя претърпява фазов преход или промяна на състоянието от течност в газ. Казано по друг начин, налягане на парите от течността е започнала да надвишава тази на газа над нея, обикновено земната атмосфера. ("Изпарения" е свободен термин, означаващ газ, напр. "Водна пара" е Н₂O в газообразно състояние.)

Твърдото вещество може също да влезе директно в газообразно състояние, като "заобикаля" течното състояние изцяло в процес, известен като сублимация. В този случай основната причина за фазовия преход е една и съща: Твърдите вещества имат собствено налягане на парите и при определени условия стойността на това налягане може да надвишава атмосферното налягане. Но по-често твърдите вещества преминават в течности.

На Земята при естествени условия материята съществува в едно от трите състояния: твърдо, течно или газово. За всяко едно вещество тези фази представляват последователно увеличаване на средната кинетична енергия на молекулите на веществото, отразено в повишаване на температурата. Някои вещества обаче съществуват като газове при стайна температура, докато други са течности, а трети са твърди вещества; това е резултат от това, че някои молекули се отделят по-лесно в дадено вещество чрез даден принос на топлинна енергия (топлина).

Всеки елемент и молекула съществуват като твърдо вещество при 0 K или абсолютна нула (около –273 ° C). Структурата на материята при много ниски температури е твърда кристална решетка. С увеличаване на температурата молекулите, ефективно заключени на място, са в състояние да вибрират достатъчно енергия, за да се освободи от решетката и когато това се случи за цялото вещество, веществото е в течността държава.

В течно състояние веществото приема формата на своя контейнер, но в границите на гравитацията. Когато кинетичната енергия се увеличи още повече, молекулите започват да избягват интерфейс въздух-течност и влизат в газообразно състояние, където единственото, което ограничава формата на газа, е контейнерът, ограничаващ движението на високоенергийните молекули.

Когато наблюдавате гърне с вода със стайна температура, може да не е очевидно, но някои водни молекули трептят около над повърхността на водата, с еднакъв (и много малък) брой, връщащ се във водната фаза в същото време време. Следователно системата е в равновесие и налягането на парите, създадено от минималното изтичане на H₂O молекулите е равновесното налягане на парите на водата.

Както ще видите, различните вещества в течно състояние имат различни характерни нива на парно налягане P_пара при стайна температура, като тази стойност зависи от естеството на междумолекулните сили между молекулите в течността. Например вещества, които имат по-слаби междумолекулни сили, като водородни връзки, ще имат по-високи нива на равновесие P_пара защото за молекулите е по-лесно да се освободят от течността.

Ако условията на равновесие се нарушат от добавянето на топлина, обаче, парното налягане на течността се повишава към атмосферно налягане (101,3 килопаскала, 1 атм или 762 тора). Ако стойността на налягането на парите не зависи от температурата, ще бъде трудно да се накарат течности (или твърди вещества) да заврят или да се изпарят, особено тези с високи стойности на налягането на парите.

След като към течността се добави достатъчно топлина, за да се накара налягането на парите до нивото на атмосферното налягане, течността започва да кипи. Колко топлина трябва да се добави зависи от характеристиките на веществото. Но какво, ако веществото не е чиста вода, а вместо това разтвор, в който твърдо вещество се разтваря в течност като вода?

Добавянето на разтворено вещество обикновено има ефект върху много от параметрите на течността, включително нейните точки на кипене и топене (т.е. замръзване). Параметрите, засегнати от концентрацията на разтвореното вещество, са известни като колигативни ("свързани с връзката") свойства. Налягането на парите се понижава чрез добавяне на разтворено вещество и степента, в която това се случва, зависи от количеството добавено разтворено вещество и в крайна сметка от моларното съотношение на разтвореното вещество към разтворителя.

• Какво прави понижаването на налягането на парите до точката на кипене на разтвор? Когато мислите за математиката, това означава, че след това течността ще има по-голяма разлика между собственото си налягане на парите и атмосферното налягане и ще ви е необходимо добавяне на повече топлина, за да закипи. Следователно точката му на кипене се увеличава с известно количество.

Уравнението на интереса в тези ситуации, което ще видите демонстрирано по-долу, е форма на това, което е известно като Законът на Раул: P_{обща сума}= ∑P_iх_i. Тук P_{обща сума} е парното налягане на разтвора като цяло, а дясната страна представлява сумата от произведенията на отделните налягания на парите и молни фракции на разтвореното вещество и разтворителя.

Тъй като водата е повсеместна течност и разтворител, струва си да се проучат факторите, които определят нейното уравнение на налягането на парите по-подробно.

Водата има P_пара от 0,031 атм или по-малко от 1/30 от атмосферното налягане. Това помага да се обясни относително високата му точка на кипене за такава проста молекула; тази ниска стойност от своя страна се обяснява с водородните връзки между кислородните атоми и водородните атоми на съседни молекули (това са междумолекулни сили, а не истински химически връзки).

При нагряване от стайна температура (около 25 ° C) до около 60 ° C, парното налягане на водата се повишава само леко. След това започва да се покачва по-рязко, преди да достигне стойност от 1 атм при 100 ° C (по дефиниция).

Сега е време да видите закона на Раул в действие. Докато се приближавате към тези проблеми, знайте, че винаги можете да търсите стойности за P_пара за определени вещества.

Разтворът съдържа смес от 1 мол (мол) Н₂O, 2 mol етанол (C₂Н₅OH) и 1 mol ацеталдехид (CH₃CHO) при 293 К. Какво е общото налягане на парите на този разтвор? Забележка: Парциалното налягане на тези вещества при стайна температура е съответно 18 torr, 67,5 torr и 740 torr.

Първо настройте уравнението си. От горе, имате

P_{обща сума} = Р_ватх_ват + P_етх_ет + P_асох_асо

Молните фракции на съответните вещества са броят на моловете на всеки, разделен на общия брой молове на веществото в разтвора, който е 1 + 2 + 1 = 4. По този начин имате X_ват = 1/4 - 0,25, X_ет = 2/4 = 0,5 и X_асо = 1/4 = 0.25. (Обърнете внимание, че сумата на молните фракции винаги трябва да бъде точно 1.) Сега сте готови да включите даденото стойности за индивидуалното налягане на парите и се определят за общото налягане на парите на сместа от решения:

P_{обща сума} = (0,25) (18 тора) + (0,5) (67,5 тора) + (0,25) (740 тора) = 223,25 тора.