Πώς να υπολογίσετε την πίεση ατμών

Όταν βρίσκεστε παρουσία νερού που αρχίζει να βράζει, η κύρια ανησυχία σας για την ασφάλεια είναι πιθανό να μην ζεματίζεται λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του νερού και του ατμού που διαφεύγει. Αλλά μπορεί να έχετε παρατηρήσει κάτι άλλο για τον ατμό, ή για αυτό το θέμα, οποιοδήποτε είδος ύλης με τη μορφή αερίου: Δεν του αρέσει να συγκρατείται, και θα "πολεμά", συχνά πολύ δυνατά, για να ξεφύγετε. Λογαριασμοί ατυχημάτων που περιλαμβάνουν έκρηξη ατμολέβητων ακούνε αυτήν την απειλή.

Όταν το νερό ή άλλο υγρό βράζει, σε φυσικούς όρους, υφίσταται μια φάση μετάβασης ή αλλαγή κατάστασης από υγρό σε αέριο. Με άλλα λόγια, το πίεση ατμού του υγρού έχει αρχίσει να υπερβαίνει εκείνο του αερίου πάνω από αυτό, συνήθως την ατμόσφαιρα της Γης. ("Ατμός" είναι ένας χαλαρός όρος που σημαίνει αέριο, π.χ., "υδρατμοί" είναι Η₂O στην αέρια κατάσταση.)

Το στερεό μπορεί επίσης να εισέλθει απευθείας στην αέρια κατάσταση, "παρακάμπτοντας" την υγρή κατάσταση εντελώς σε μια διαδικασία γνωστή ως εξάχνιση. Σε αυτήν την περίπτωση, ο υποκείμενος λόγος για τη μετάβαση φάσης είναι ο ίδιος: Τα στερεά έχουν τη δική τους τάση ατμών, και υπό ορισμένες συνθήκες η τιμή αυτής της πίεσης μπορεί να υπερβαίνει την ατμοσφαιρική πίεση. Αλλά πιο συχνά, τα στερεά μεταβαίνουν σε υγρά.

Στη Γη, υπό φυσικές συνθήκες, η ύλη υπάρχει σε μία από τις τρεις καταστάσεις: στερεό, υγρό ή αέριο. Για οποιαδήποτε ουσία, αυτές οι φάσεις αντιπροσωπεύουν διαδοχικές αυξήσεις στη μέση κινητική ενέργεια των μορίων της ουσίας, που αντικατοπτρίζονται στην αύξηση της θερμοκρασίας. Ορισμένες ουσίες, ωστόσο, υπάρχουν ως αέρια σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ άλλες είναι υγρά, και άλλες είναι στερεά. Αυτό είναι το αποτέλεσμα ορισμένων μορίων που διαχωρίζονται ευκολότερα μέσα σε μια ουσία με δεδομένη είσοδο θερμικής ενέργειας (θερμότητα).

Κάθε στοιχείο και μόριο υπάρχει ως στερεό σε 0 K, ή απόλυτο μηδέν (περίπου –273 ° C). Η δομή της ύλης σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες είναι ένα στερεό κρυσταλλικό πλέγμα. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, τα μόρια, αποτελεσματικά κλειδωμένα στη θέση τους, μπορούν να δονήσουν με αρκετό ενέργεια για να απελευθερωθεί από το πλέγμα, και όταν αυτό συμβαίνει σε όλη την ουσία, η ουσία βρίσκεται στο υγρό κατάσταση.

Στην υγρή κατάσταση, η ύλη παίρνει το σχήμα του περιέκτη της, αλλά εντός των ορίων βαρύτητας. Όταν η κινητική ενέργεια αυξάνεται ακόμη περισσότερο, τα μόρια αρχίζουν να διαφεύγουν διεπαφή αέρα-υγρού και μπείτε στην αέρια κατάσταση, όπου το μόνο πράγμα που περιορίζει το σχήμα του αερίου είναι το δοχείο που περιορίζει την κίνηση των μορίων υψηλής ενέργειας.

Όταν παρατηρείτε ένα δοχείο νερού σε θερμοκρασία δωματίου, μπορεί να μην είναι εμφανές, αλλά μερικά μόρια νερού φλερτάρουν περίπου πάνω από την επιφάνεια του νερού, με ίσο (και πολύ μικρό) αριθμό που επιστρέφει στην υδατική φάση ταυτόχρονα χρόνος. Το σύστημα είναι συνεπώς σε ισορροπία και η πίεση ατμών δημιουργείται από την ελάχιστη διαφυγή του Η₂Τα μόρια O είναι η τάση ατμών ισορροπίας του νερού.

Όπως θα δείτε, διαφορετικές ουσίες στην υγρή κατάσταση έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά επίπεδα τάσης ατμών P_ατμός σε θερμοκρασία δωματίου, με αυτή την τιμή ανάλογα με τη φύση των διαμοριακών δυνάμεων μεταξύ μορίων στο υγρό. Για παράδειγμα, ουσίες που έχουν ασθενέστερες διαμοριακές δυνάμεις, όπως οι δεσμοί υδρογόνου, θα έχουν υψηλότερα επίπεδα ισορροπίας P_ατμός γιατί είναι πιο εύκολο για τα μόρια να απελευθερωθούν από το υγρό.

Εάν οι συνθήκες ισορροπίας διαταράσσονται από την προσθήκη θερμότητας, ωστόσο, η τάση ατμών του υγρού αυξάνεται προς την ατμοσφαιρική πίεση (101,3 kilopascal, 1 atm ή 762 torr). Εάν η τιμή της πίεσης ατμών δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία, θα ήταν δύσκολο να πάρει κάποιο υγρό (ή στερεά) να βράσει ή να εξατμιστεί, ειδικά εκείνα με υψηλές εγγενείς τιμές τάσης ατμών.

Μόλις προστεθεί αρκετή θερμότητα σε ένα υγρό για να οδηγήσει την τάση ατμών στο επίπεδο της ατμοσφαιρικής πίεσης, το υγρό αρχίζει να βράζει. Η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να προστεθεί εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ουσίας. Τι γίνεται όμως εάν η ουσία δεν είναι καθαρό νερό, αλλά αντ 'αυτού μια λύση στην οποία μια στερεή ουσία διαλύεται σε ένα υγρό όπως το νερό;

Η προσθήκη διαλυμένης ουσίας έχει συνήθως αποτελέσματα σε πολλές από τις παραμέτρους ενός υγρού, συμπεριλαμβανομένων των σημείων βρασμού και τήξεως (δηλαδή, κατάψυξης). Οι παράμετροι που επηρεάζονται από τη συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας είναι γνωστές ως συνεργατικές ιδιότητες Η πίεση ατμών μειώνεται με την προσθήκη διαλυμένης ουσίας, και ο βαθμός στον οποίο αυτό συμβαίνει εξαρτάται από την ποσότητα της προστιθέμενης διαλυμένης ουσίας και τελικά την γραμμομοριακή αναλογία διαλυμένης προς διαλύτη.

• Τι κάνει η μείωση της τάσης ατμών στο σημείο βρασμού ενός διαλύματος; Όταν σκέφτεστε για τα μαθηματικά, αυτό σημαίνει ότι το υγρό θα έχει τότε ένα μεγαλύτερο κενό μεταξύ της δικής του τάσης ατμών και της ατμοσφαιρικής πίεσης και θα χρειαστείτε περισσότερη θερμότητα για να το βράσει. Επομένως, το σημείο βρασμού του αυξάνεται κατά κάποια ποσότητα.

Η εξίσωση ενδιαφέροντος σε αυτές τις καταστάσεις, την οποία θα δείτε παρακάτω, είναι μια μορφή αυτού που είναι γνωστή Ο νόμος του Raoult: Π_σύνολο= ∑P_ΕγώΧ_Εγώ. Εδώ P_σύνολο είναι η τάση ατμών του διαλύματος στο σύνολό του, και η δεξιά πλευρά αντιπροσωπεύει το άθροισμα των προϊόντων των επιμέρους πιέσεων ατμών και κλάσματα γραμμομορίων της διαλυμένης ουσίας και του διαλύτη.

Δεδομένου ότι το νερό είναι πανταχού παρόν υγρό και διαλύτης, αξίζει να διερευνηθούν οι παράγοντες που καθορίζουν την εξίσωση της τάσης ατμών με περισσότερες λεπτομέρειες.

Το νερό έχει P_ατμός 0,031 atm, ή λιγότερο από το 1/30 της ατμοσφαιρικής πίεσης. Αυτό βοηθά στην εξήγηση του σχετικά υψηλού σημείου βρασμού του για ένα τόσο απλό μόριο. Αυτή η χαμηλή τιμή με τη σειρά της εξηγείται από τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ ατόμων οξυγόνου και ατόμων υδρογόνου σε παρακείμενα μόρια (αυτές είναι διαμοριακές δυνάμεις, όχι πραγματικοί χημικοί δεσμοί).

Όταν θερμαίνεται από θερμοκρασία δωματίου (περίπου 25 ° C) έως περίπου 60 ° C, η τάση ατμών του νερού αυξάνεται ελαφρώς. Στη συνέχεια αρχίζει να αυξάνεται απότομα πριν φτάσει σε τιμή 1 atm στους 100 ° C (εξ ορισμού).

Τώρα, ήρθε η ώρα να δείτε τον νόμο του Raoult σε δράση. Γνωρίστε καθώς προσεγγίζετε αυτά τα προβλήματα ότι μπορείτε πάντα να αναζητήσετε τιμές για P_ατμός για συγκεκριμένες ουσίες.

Ένα διάλυμα περιέχει ένα μείγμα 1 mol (mol) Η₂Ο, 2 mol αιθανόλης (C₂Η₅ΟΗ) και 1 mol ακεταλδεϋδης (CH₃CHO) στα 293 K. Ποια είναι η συνολική τάση ατμών αυτής της λύσης; Σημείωση: Οι μερικές πιέσεις αυτών των ουσιών σε θερμοκρασία δωματίου είναι 18 torr, 67,5 torr και 740 torr αντίστοιχα.

Αρχικά, ρυθμίστε την εξίσωση σας. Από ψηλά, έχετε

Π_σύνολο = Ρ_βατΧ_βατ + Ρ_αιθΧ_αιθ + Ρ_άσσοςΧ_άσσος

Τα γραμμομοριακά κλάσματα των αντίστοιχων ουσιών είναι ο αριθμός των γραμμομορίων καθενός διαιρούμενος με τα συνολικά γραμμομόρια της ουσίας στο διάλυμα, που είναι 1 + 2 + 1 = 4. Έτσι έχετε το Χ_βατ = 1/4 - 0,25, Χ_αιθ = 2/4 = 0,5 και Χ_άσσος = 1/4 = 0.25. (Σημειώστε ότι το άθροισμα των μοριακών κλασμάτων πρέπει πάντα να είναι ακριβώς 1.) Τώρα, είστε έτοιμοι να συνδέσετε το δεδομένο τιμές για τις μεμονωμένες πιέσεις ατμών και λύστε για τη συνολική τάση ατμών του μείγματος λύσεις:

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