Sådan beregnes damptryk

Når du er i nærværelse af vand, der begynder at koge, bliver din største sikkerhedsproblem sandsynligvis ikke skoldet på grund af vandets høje temperatur og den udstrømmende damp. Men du har måske bemærket noget andet om damp eller for den sags skyld enhver form for stof i form af gas: Det kan ikke lide at være indeholdt og vil "kæmpe" ofte ret kraftigt for at flygte. Konti af ulykker, der involverer eksploderende dampkedler, lytter til denne trussel.

Når vand eller en anden væske koger, gennemgår det fysisk set en faseovergang eller ændring af tilstand fra væske til gas. Sagt på en anden måde, den Damptryk af væsken er begyndt at overstige gassen over den, normalt Jordens atmosfære. ("Damp" er et løst udtryk, der betyder gas, f.eks. "Vanddamp" er H₂O i gasform.)

Fast stof kan også komme direkte ind i gasformet tilstand og "omgå" den flydende tilstand helt i en proces kendt som sublimering. I dette tilfælde er den underliggende årsag til faseovergangen den samme: faste stoffer har deres eget damptryk, og under visse betingelser kan værdien af ​​dette tryk overstige atmosfærisk tryk. Men oftere overgår faste stoffer til væsker.

På Jorden findes der under naturlige forhold stof i en af ​​tre tilstande: fast stof, væske eller gas. For ethvert stof repræsenterer disse faser sekventielle stigninger i den gennemsnitlige kinetiske energi af stoffets molekyler, hvilket afspejles i stigende temperatur. Nogle stoffer findes dog som gasser ved stuetemperatur, mens andre er væsker, og atter andre er faste stoffer; dette er resultatet af, at nogle molekyler lettere adskilles inden i et stof ved en given tilførsel af termisk energi (varme).

Hvert element og molekyle eksisterer som et fast stof ved 0 K eller absolut nul (ca. –273 ° C). Stoffets struktur ved meget lave temperaturer er et fast krystallinsk gitter. Når temperaturen stiger, er molekylerne, effektivt låst på plads, i stand til at vibrere med nok energi til at løsne sig fra gitteret, og når dette sker stofdækkende, er stoffet i væsken stat.

I flydende tilstand antager stof formen på sin beholder, men inden for tyngdekraftsgrænserne. Når kinetisk energi stiger endnu mere, begynder molekyler at undslippe grænseflade mellem luft og væske og gå ind i luftformen, hvor det eneste, der begrænser gasens form, er beholderen, der begrænser bevægelsen af ​​højenergimolekylerne.

Når du ser en gryde med vand ved stuetemperatur, er det måske ikke tydeligt, men nogle vandmolekyler fladder omtrent over vandoverfladen, med et lige (og meget lille) antal, der vender tilbage til vandfasen på samme tid tid. Systemet er derfor i ligevægt, og damptrykket skabes ved minimal undslip af H₂O-molekyler er vandets ligevægtsdamptryk.

Som du vil se, har forskellige stoffer i flydende tilstand forskellige karakteristiske niveauer af damptryk P_damp ved stuetemperatur, hvor denne værdi afhænger af arten af ​​de intermolekylære kræfter mellem molekyler i væsken. For eksempel vil stoffer, der har svagere intermolekylære kræfter, såsom hydrogenbindinger, have højere niveauer af ligevægt P_damp fordi det er lettere for molekyler at bryde fri for væsken.

Hvis ligevægtsforhold forstyrres ved tilsætning af varme, stiger dog væskens damptryk mod atmosfærisk tryk (101,3 kilopascal, 1 atm eller 762 torr). Hvis værdien af ​​damptryk ikke var temperaturafhængig, ville det være vanskeligt at få væsker (eller faste stoffer) til at koge eller fordampe, især dem med høje iboende damptrykværdier.

Når der er tilsat nok varme til en væske til at drive dens damptryk til niveauet for atmosfærisk tryk, begynder væsken at koge. Hvor meget varme der skal tilføjes afhænger af stoffets egenskaber. Men hvad hvis stoffet ikke er rent vand, men i stedet en opløsning, hvor et fast stof opløses i en væske såsom vand?

Tilsætningen af ​​opløst stof har typisk virkninger på mange af væskens parametre, herunder dens kogepunkter og smeltepunkter (dvs. frysepunkter). Parametrene, der er påvirket af koncentrationen af ​​opløst stof, er kendt som kolligative egenskaber ("forbindelsesrelaterede"). Damptrykket sænkes ved tilsætning af opløst stof, og i hvilket omfang dette sker afhænger af mængden af ​​tilsat opløst stof og i sidste ende molforholdet mellem opløst stof og opløsningsmiddel.

• Hvad betyder sænkning af damptryk med en opløsnings kogepunkt? Når du tænker på matematikken, betyder det, at væsken derefter har et større mellemrum mellem sit eget damptryk og atmosfæriske tryk, og du får brug for mere varme for at få det til at koge. Dets kogepunkt øges derfor med et vist beløb.

Ligningen af ​​interesse i disse situationer, som du vil se demonstreret nedenfor, er en form for det, der er kendt som Raoults lov: P_Total= ∑P_jegx_jeg. Her P_Total er dampens tryk i opløsningen som helhed, og højre side repræsenterer summen af ​​produkterne fra de enkelte damptryk og molfraktioner af opløst stof og opløsningsmiddel.

Da vand er en allestedsnærværende væske og opløsningsmiddel, er det værd at undersøge de faktorer, der bestemmer dets damptryksligning mere detaljeret.

Vand har en P_damp 0,031 atm eller mindre end 1/30 af atmosfærisk tryk. Dette hjælper med at forklare dets relativt høje kogepunkt for et så simpelt molekyle; denne lave værdi forklares igen ved hydrogenbindingerne mellem iltatomer og hydrogenatomer på tilstødende molekyler (disse er intermolekylære kræfter, ikke ægte kemiske bindinger).

Ved opvarmning fra stuetemperatur (ca. 25 ° C) til ca. 60 ° C stiger vanddamptrykket kun lidt. Derefter begynder den at stige skarpere, før den når en værdi på 1 atm ved 100 ° C (pr. Definition).

Nu er det tid for dig at se Raoults lov i aktion. Ved, når du nærmer dig disse problemer, at du altid kan slå værdier op for P_damp for bestemte stoffer.

En opløsning indeholder en blanding af 1 mol (mol) H₂O, 2 mol ethanol (C₂H₅OH) og 1 mol acetaldehyd (CH₃CHO) ved 293 K. Hvad er det samlede damptryk for denne opløsning? Bemærk: Partiets tryk på disse stoffer ved stuetemperatur er henholdsvis 18 torr, 67,5 torr og 740 torr.

Indstil først din ligning. Ovenfra har du det

P_Total = P_watx_wat + P_ethx_eth + P_esx_es

Molfraktionerne af de respektive stoffer er antallet af mol for hver divideret med det samlede mol stof i opløsningen, hvilket er 1 + 2 + 1 = 4. Således har du X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 og X_es = 1/4 = 0.25. (Bemærk, at summen af ​​molfraktionerne altid skal være nøjagtigt 1.) Nu er du klar til at tilslutte det givne værdier for de enkelte damptryk og løse det samlede damptryk for blandingen af løsninger:

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