Jak vypočítat tlak par

Pokud jste v přítomnosti vody, která začíná vřít, vaše hlavní bezpečnostní obavy se pravděpodobně neobarí kvůli vysoké teplotě vody a unikající páře. Ale možná jste si všimli něčeho jiného, ​​co se týče páry, nebo, vlastně, jakéhokoli druhu hmoty ve formě plynu: Nelíbí se, aby byla obsažena, a bude „bojovat“, často docela energicky, aby unikla. Účty nehod s explozí parních kotlů naslouchají této hrozbě.

Když voda nebo jiná kapalina vaří, fyzicky prochází fázovým přechodem nebo změnou stavu z kapaliny na plyn. Jinak řečeno, tlak páry kapaliny začala převyšovat hladinu plynu nad ní, obvykle zemskou atmosféru. („Vapor“ je volný termín, což znamená plyn, např. „Vodní pára“ je H₂O v plynném stavu.)

Pevná látka může také vstoupit do plynného stavu přímo a úplně obejít kapalný stav v procesu známém jako sublimace. V tomto případě je základní důvod fázového přechodu stejný: Pevné látky mají svůj vlastní tlak par a za určitých podmínek může hodnota tohoto tlaku překročit atmosférický tlak. Častěji však pevné látky přecházejí do kapalin.

Na Zemi za přirozených podmínek hmota existuje v jednom ze tří stavů: pevné, kapalné nebo plynné. U jakékoli látky představují tyto fáze postupné zvyšování průměrné kinetické energie molekul látky, což se projevuje zvyšováním teploty. Některé látky však při pokojové teplotě existují jako plyny, zatímco jiné jsou kapaliny a jiné jsou pevné látky; je to důsledek toho, že některé molekuly jsou v látce snadněji odděleny daným vstupem tepelné energie (tepla).

Každý prvek a molekula existuje jako pevná látka při 0 K nebo absolutní nule (přibližně –273 ° C). Struktura hmoty za velmi nízkých teplot je pevná krystalická mřížka. Jak teplota stoupá, molekuly, které jsou účinně zajištěny na svém místě, jsou schopné dostatečně vibrovat energie, aby se uvolnila z mřížky, a když k tomu dojde v celé látce, je látka v kapalině Stát.

V kapalném stavu hmota zaujímá tvar nádoby, ale v mezích gravitace. Když se kinetická energie ještě zvyšuje, molekuly začnou unikat rozhraní vzduch-kapalina a vstoupit do plynného stavu, kde jedinou věcí omezující tvar plynu je nádoba omezující pohyb vysokoenergetických molekul.

Když pozorujete hrnec vody při pokojové teplotě, nemusí to být zřejmé, ale některé molekuly vody kolísají asi nad vodní hladinou, se stejným (a velmi malým) počtem, který se ve stejné době vrací do vodní fáze čas. Systém je proto v rovnováze a tlak par je vytvářen minimálním únikem H₂Molekuly O je rovnovážný tlak par vody.

Jak uvidíte, různé látky v kapalném stavu mají různé charakteristické úrovně tlaku par P_pára při pokojové teplotě, přičemž tato hodnota závisí na povaze mezimolekulárních sil mezi molekulami v kapalině. Například látky, které mají slabší mezimolekulární síly, jako jsou vodíkové vazby, budou mít vyšší úrovně rovnováhy P_pára protože molekuly se snáze uvolňují z kapaliny.

Pokud jsou podmínky rovnováhy narušeny přídavkem tepla, tlak páry kapaliny stoupá k atmosférickému tlaku (101,3 kPa, 1 atm nebo 762 torr). Pokud by hodnota tlaku par nebyla závislá na teplotě, bylo by obtížné přimět jakékoli kapaliny (nebo pevné látky) k varu nebo odpařování, zejména těch, které mají vysoké vlastní hodnoty tlaku par.

Jakmile se do kapaliny přidá dostatek tepla, aby se tlak její páry dostal na úroveň atmosférického tlaku, kapalina začne vřít. Kolik tepla je třeba přidat, závisí na vlastnostech látky. Ale co když látkou není čistá voda, ale roztok, ve kterém je pevná látka rozpuštěna v kapalině, jako je voda?

Přidání rozpuštěné látky má obvykle účinky na mnoho parametrů kapaliny, včetně jejích bodů varu a tání (tj. Bodu mrazu). Parametry ovlivněné koncentrací rozpuštěné látky jsou známé jako koligativní („související s připojením“) vlastnosti. Tlak par se sníží přidáním rozpuštěné látky a rozsah, v jakém k tomu dojde, závisí na množství přidané rozpuštěné látky a nakonec na molárním poměru rozpuštěné látky k rozpouštědlu.

• Co dělá snížení tlaku par s bodem varu roztoku? Když přemýšlíte o matematice, znamená to, že kapalina bude mít větší mezeru mezi vlastním tlakem par a atmosférickým tlakem a budete potřebovat více tepla, aby se dostala do varu. Jeho bod varu se proto do určité míry zvyšuje.

Rovnice zájmu v těchto situacích, kterou uvidíte níže, je formou toho, co je známé jako Raoultův zákon: P_celkový= ∑P_iX_i. Zde P_celkový je tlak par roztoku jako celku a pravá strana představuje součet produktů jednotlivých tlaků par a molární zlomky rozpuštěné látky a rozpouštědla.

Protože voda je všudypřítomná kapalina a rozpouštědlo, stojí za to podrobněji prozkoumat faktory, které určují její rovnici tlaku par.

Voda má P._pára 0,031 atm nebo méně než 1/30 atmosférického tlaku. To pomáhá vysvětlit jeho relativně vysoký bod varu pro tak jednoduchou molekulu; tato nízká hodnota je zase vysvětlena vodíkovými vazbami mezi atomy kyslíku a atomy vodíku na sousedních molekulách (jsou to mezimolekulární síly, nikoli skutečné chemické vazby).

Při zahřátí z pokojové teploty (přibližně 25 ° C) na přibližně 60 ° C stoupá tlak páry vody jen mírně. Poté začne prudce stoupat, než dosáhne hodnoty 1 atm při 100 ° C (podle definice).

Nyní je čas, abyste viděli Raoultův zákon v akci. Při přístupu k těmto problémům víte, že vždy můžete vyhledat hodnoty P_pára pro konkrétní látky.

Roztok obsahuje směs 1 mol (mol) H₂O, 2 mol ethanolu (C.₂H₅OH) a 1 mol acetaldehydu (CH₃CHO) při 293 K. Jaký je celkový tlak par tohoto roztoku? Poznámka: Parciální tlaky těchto látek při teplotě místnosti jsou 18 torr, 67,5 torr, respektive 740 torr.

Nejprve nastavte rovnici. Shora máte

P_celkový = P_watX_wat + P_ethX_eth + P_esoX_eso

Molární zlomky příslušných látek jsou počet molů každého z nich dělený celkovým počtem molů látky v roztoku, což je 1 + 2 + 1 = 4. Takto máte X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 a X_eso = 1/4 = 0.25. (Všimněte si, že součet molárních zlomků musí být vždy přesně 1.) Nyní jste připraveni k připojení daného hodnoty pro jednotlivé tlaky par a řešení celkového tlaku par směsi řešení:

P_celkový = (0,25) (18 torr) + (0,5) (67,5 torr) + (0,25) (740 torr) = 223,25 torr.