So berechnen Sie den Dampfdruck

Wenn Sie sich in der Nähe von zu kochendem Wasser befinden, besteht Ihre Hauptsicherheitssorge wahrscheinlich darin, dass Sie sich aufgrund der hohen Temperatur des Wassers und des austretenden Dampfes nicht verbrühen. Aber Sie haben vielleicht noch etwas über Dampf oder jede Art von Materie in Form von Gas bemerkt: Er mag es nicht, eingeschlossen zu sein, und "kämpft" oft ziemlich energisch, um zu entkommen. Berichte über Unfälle mit explodierenden Dampfkesseln zeugen von dieser Bedrohung.

Wenn Wasser oder eine andere Flüssigkeit siedet, durchläuft es physikalisch gesehen einen Phasenübergang oder eine Zustandsänderung von flüssig zu gasförmig. Anders ausgedrückt, die Dampfdruck der Flüssigkeit hat begonnen, die des darüber liegenden Gases, normalerweise der Erdatmosphäre, zu übersteigen. ("Dampf" ist ein loser Begriff, der Gas bedeutet, z. B. "Wasserdampf" ist H₂O im gasförmigen Zustand.)

Festkörper können auch direkt in den gasförmigen Zustand übergehen und den flüssigen Zustand vollständig "umgehen" in einem Prozess, der als. bekannt ist

Auf der Erde existiert Materie unter natürlichen Bedingungen in einem von drei Zuständen: fest, flüssig oder gasförmig. Für jede einzelne Substanz stellen diese Phasen sequentielle Zunahmen der durchschnittlichen kinetischen Energie der Moleküle der Substanz dar, die sich in steigender Temperatur widerspiegeln. Einige Stoffe existieren jedoch bei Raumtemperatur als Gase, während andere Flüssigkeiten und wieder andere Feststoffe sind; Dies ist darauf zurückzuführen, dass einige Moleküle innerhalb einer Substanz durch einen gegebenen Eintrag von thermischer Energie (Wärme) leichter getrennt werden können.

Jedes Element und Molekül existiert als Feststoff bei 0 K oder dem absoluten Nullpunkt (ca. –273 °C). Die Struktur der Materie bei sehr niedrigen Temperaturen ist ein festes kristallines Gitter. Wenn die Temperatur steigt, können die Moleküle, die effektiv an Ort und Stelle sind, mit genug schwingen Energie, um sich aus dem Gitter zu lösen, und wenn dies stoffweit geschieht, befindet sich die Substanz in der Flüssigkeit Zustand.

Im flüssigen Zustand nimmt die Materie die Form ihres Behälters an, jedoch innerhalb der Grenzen der Schwerkraft. Wenn die kinetische Energie noch weiter ansteigt, beginnen Moleküle, aus dem Luft-Flüssigkeit-Schnittstelle und treten in den gasförmigen Zustand ein, in dem das einzige, was die Form des Gases begrenzt, der Behälter ist, der die Bewegung der hochenergetischen Moleküle begrenzt.

Wenn Sie einen Topf mit Wasser bei Raumtemperatur beobachten, ist dies möglicherweise nicht offensichtlich, aber einige Wassermoleküle flitzen etwa über der Wasseroberfläche, wobei eine gleiche (und sehr kleine) Zahl gleichzeitig in die Wasserphase zurückkehrt Zeit. Das System befindet sich also im Gleichgewicht, und der Dampfdruck, der durch das minimale Entweichen von H created entsteht,₂O-Moleküle ist der Gleichgewichtsdampfdruck von Wasser.

Wie Sie sehen werden, haben verschiedene Stoffe im flüssigen Zustand unterschiedliche charakteristische Dampfdruckniveaus P_Dampf bei Raumtemperatur, wobei dieser Wert von der Art der intermolekularen Kräfte zwischen Molekülen in der Flüssigkeit abhängt. Zum Beispiel haben Substanzen mit schwächeren intermolekularen Kräften wie Wasserstoffbrücken höhere Gleichgewichtsniveaus P_Dampf weil sich Moleküle leichter aus der Flüssigkeit lösen können.

Wenn jedoch die Gleichgewichtsbedingungen durch Wärmezufuhr gestört werden, steigt der Dampfdruck der Flüssigkeit in Richtung Atmosphärendruck (101,3 Kilopascal, 1 atm oder 762 Torr). Wenn der Dampfdruckwert nicht temperaturabhängig wäre, wäre es schwierig, Flüssigkeiten (oder Feststoffe) zum Sieden oder Verdampfen zu bringen, insbesondere solche mit hohen Eigendampfdruckwerten.

Sobald einer Flüssigkeit genügend Wärme zugeführt wird, um ihren Dampfdruck auf das Niveau des Atmosphärendrucks zu bringen, beginnt die Flüssigkeit zu sieden. Wie viel Wärme zugeführt werden muss, hängt von den Eigenschaften des Stoffes ab. Was aber, wenn es sich nicht um reines Wasser handelt, sondern um eine Lösung, in der ein fester Stoff in einer Flüssigkeit wie Wasser gelöst ist?

Die Zugabe von gelöstem Stoff hat typischerweise Auswirkungen auf viele der Parameter einer Flüssigkeit, einschließlich ihrer Siede- und Schmelzpunkte (d. h. Gefrierpunkte). Die von der Konzentration der gelösten Stoffe beeinflussten Parameter sind als kolligative ("verbindungsbezogene") Eigenschaften bekannt. Der Dampfdruck wird durch die Zugabe von gelöstem Stoff gesenkt, und das Ausmaß, in dem dies geschieht, hängt von der Menge des zugesetzten gelösten Stoffes und letztendlich vom Molverhältnis von gelöstem zu Lösungsmittel ab.

• Was bewirkt die Senkung des Dampfdrucks bis zum Siedepunkt einer Lösung? Wenn Sie an die Mathematik denken, bedeutet dies, dass die Flüssigkeit dann einen größeren Abstand zwischen ihrem eigenen Dampfdruck und dem Atmosphärendruck hat und Sie mehr Wärme benötigen, um sie zum Sieden zu bringen. Sein Siedepunkt wird daher um einen gewissen Betrag erhöht.

Die interessante Gleichung in diesen Situationen, die Sie unten sehen werden, ist eine Form von dem, was als bekannt ist Raoults Gesetz: P_gesamt=∑P_ichX_ich. Hier P_gesamt ist der Dampfdruck der Gesamtlösung und die rechte Seite die Summe der Produkte der einzelnen Dampfdrücke und Molenbrüche des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels.

Da Wasser eine allgegenwärtige Flüssigkeit und ein Lösungsmittel ist, lohnt es sich, die Faktoren, die seine Dampfdruckgleichung bestimmen, genauer zu untersuchen.

Wasser hat ein P_Dampf von 0,031 atm oder weniger als 1/30 des atmosphärischen Drucks. Dies erklärt seinen relativ hohen Siedepunkt für ein so einfaches Molekül; dieser niedrige Wert wiederum wird durch die Wasserstoffbrücken zwischen Sauerstoffatomen und Wasserstoffatomen benachbarter Moleküle erklärt (dies sind intermolekulare Kräfte, keine echten chemischen Bindungen).

Beim Erhitzen von Raumtemperatur (ca. 25 °C) auf ca. 60 °C steigt der Dampfdruck von Wasser nur geringfügig an. Er beginnt dann stärker zu steigen, bevor er bei 100 °C (per Definition) einen Wert von 1 atm erreicht.

Jetzt ist es an der Zeit, das Gesetz von Raoult in Aktion zu sehen. Wisse, wenn du dich diesen Problemen näherst, dass du immer Werte für P_Dampf für bestimmte Stoffe.

Eine Lösung enthält eine Mischung aus 1 Mol (Mol) H₂O, 2 mol Ethanol (C₂H₅OH) und 1 Mol Acetaldehyd (CH₃CHO) bei 293 K. Wie hoch ist der Gesamtdampfdruck dieser Lösung? Hinweis: Die Partialdrücke dieser Substanzen bei Raumtemperatur betragen 18 Torr, 67,5 Torr bzw. 740 Torr.

Stellen Sie zunächst Ihre Gleichung auf. Von oben hast du

P_gesamt = P_watX_wat + P_ethX_eth + P_AsX_As

Die Molanteile der jeweiligen Stoffe sind die Anzahl der Mole von jedem geteilt durch die Gesamtmole der Substanz in der Lösung, die 1 + 2 + 1 = 4 beträgt. Somit hast du X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 und X_As = 1/4 = 0.25. (Beachten Sie, dass die Summe der Molenbrüche immer genau 1 sein muss.) Jetzt können Sie die gegebenen Werte für die einzelnen Dampfdrücke und lösen nach dem Gesamtdampfdruck der Mischung aus mixture Lösungen:

P_gesamt = (0,25) (18 Torr) + (0,5) (67,5 Torr) + (0,25) (740 Torr) = 223,25 Torr.