Kuinka laskea höyrynpaine

Kun olet kiehuvan veden läsnäollessa, pääturvallisuusongelmasi ei todennäköisesti ole palanut veden korkean lämpötilan ja vuotavan höyryn takia. Mutta olet ehkä huomannut jotain muuta höyrystä tai mitä tahansa ainetta kaasun muodossa: Se ei halua olla suljettuna ja "taistelee", usein melko voimakkaasti, paeta. Räjähtävien höyrykattiloiden onnettomuustilanteet kuuntelevat tätä uhkaa.

Kun vesi tai muu neste kiehuu fyysisesti, se käy läpi vaihemuutoksen tai tilanmuutoksen nestemäisestä kaasuksi. Toisin sanoen, Höyrynpaine nesteen määrä on alkanut ylittää sen yläpuolella olevan kaasun, yleensä maapallon ilmakehän, määrän. ("Höyry" on löysä termi, joka tarkoittaa kaasua, esim. "Vesihöyry" on H₂O kaasumaisessa tilassa.)

Kiinteä aine voi myös päästä kaasutilaan suoraan "ohittaen" nestemäisen tilan prosessissa, joka tunnetaan nimellä sublimaatio. Tässä tapauksessa vaihemuutoksen taustalla oleva syy on sama: Kiinteillä aineilla on oma höyrynpaine, ja tietyissä olosuhteissa tämän paineen arvo voi ylittää ilmakehän paineen. Mutta useammin kiinteät aineet siirtyvät nesteiksi.

Maapallolla aine on luonnollisissa olosuhteissa yhdessä kolmesta tilasta: kiinteä, nestemäinen tai kaasu. Minkä tahansa aineen kohdalla nämä faasit edustavat aineen molekyylien keskimääräisen kineettisen energian peräkkäistä nousua, joka heijastuu lämpötilan nousussa. Jotkut aineet ovat kuitenkin kaasuina huoneenlämmössä, kun taas toiset ovat nesteitä ja toiset kiinteitä aineita; tämä johtuu siitä, että jotkut molekyylit erotetaan helpommin aineessa tietyllä lämpöenergian (lämmön) syötöllä.

Jokainen alkuaine ja molekyyli esiintyy kiinteänä aineena 0 K: n lämpötilassa tai absoluuttisella nollalla (noin –273 ° C). Aineen rakenne hyvin alhaisissa lämpötiloissa on kiinteä kiteinen ristikko. Lämpötilan noustessa molekyylit, tehokkaasti lukittuina paikalleen, pystyvät värisemään riittävästi energia irtoamaan hilasta, ja kun tämä tapahtuu koko aineelle, aine on nesteessä osavaltio.

Nestemäisessä tilassa aine saa säiliönsä muodon, mutta painovoiman rajoissa. Kun kineettinen energia kasvaa vielä enemmän, molekyylit alkavat paeta ilman ja nesteen rajapinta ja päästä kaasumaiseen tilaan, jossa ainoa kaasun muotoa rajoittava asia on säiliö, joka rajoittaa suurenergisten molekyylien liikkumista.

Kun tarkkailet vesipannua huoneenlämmössä, se ei välttämättä ole ilmeistä, mutta jotkut vesimolekyylit liukuvat noin veden pinnan yläpuolella, samalla (ja hyvin pieni) määrä palaa samalla vesifaasiin aika. Siksi järjestelmä on tasapainossa, ja höyrynpaine syntyy H: n minimaalisen ulosvirtauksen avulla₂O-molekyylit on veden tasapainohöyrynpaine.

Kuten näette, eri aineilla nestemäisessä tilassa on erilaiset höyrynpaineen P ominaispiirteet_höyry huoneenlämpötilassa, tällä arvolla riippuen molekyylien välisten molekyylien välisten voimien luonteesta nesteessä. Esimerkiksi aineilla, joilla on heikommat molekyylien väliset voimat, kuten vetysidoksilla, on korkeampi tasapainotaso P_höyry koska molekyylien on helpompi irtautua nesteestä.

Jos tasapainotiloja häiritsee lämmön lisääminen, nesteen höyrynpaine kuitenkin nousee kohti ilmakehän painetta (101,3 kilopascalia, 1 atm tai 762 torria). Jos höyrynpaineen arvo ei olisi lämpötilariippuvainen, olisi vaikea saada mitään nesteitä (tai kiinteitä aineita) kiehumaan tai haihtumaan, etenkin sellaisia, joilla on korkeat luontaiset höyrynpaine-arvot.

Kun nesteeseen on lisätty riittävästi lämpöä höyrynpaineen ajamiseksi ilmakehän paineen tasolle, neste alkaa kiehua. Kuinka paljon lämpöä on lisättävä, riippuu aineen ominaisuuksista. Mutta entä jos aine ei ole puhdasta vettä, vaan liuos, jossa kiinteä aine liuotetaan nesteeseen, kuten veteen?

Liukenevan aineen lisääminen vaikuttaa tyypillisesti moniin nesteen parametreihin, mukaan lukien sen kiehumis- ja sulamispisteet (ts. Jäätymispisteet). Parametrit, joihin liuenneen aineen pitoisuus vaikuttaa, tunnetaan kolligatiivisina ("liitäntäkohtaisiin") ominaisuuksiin. Höyrynpaine laskee lisäämällä liuotinta, ja missä määrin tämä tapahtuu riippuu lisätyn liuenneen aineen määrästä ja lopulta liuenneen aineen moolisuhteesta.

• Mitä höyrynpaineen alentaminen tekee liuoksen kiehumispisteeseen? Kun ajattelet matematiikkaa, se tarkoittaa, että nesteellä on sitten suurempi rako oman höyrynpaineen ja ilmanpaineen välillä, ja tarvitset lisää lämpöä, jotta se kiehuu. Sen kiehumispiste nousee siis jonkin verran.

Kiinnostuksen yhtälö näissä tilanteissa, jonka näet alla osoitettuna, on muoto niin kutsutusta Raoultin laki: P_{kaikki yhteensä}= ∑P_iX_i. Tässä P_{kaikki yhteensä} on liuoksen höyrynpaine kokonaisuutena, ja oikea puoli edustaa yksittäisten höyrynpaineiden tulojen summaa ja moolijakeet liuenneen aineen ja liuottimen.

Koska vesi on yleinen neste ja liuotin, on syytä tutkia tekijöitä, jotka määrittävät sen höyrynpaineyhtälön tarkemmin.

Vedellä on P_höyry 0,031 atm tai alle 1/30 ilmakehän paineesta. Tämä auttaa selittämään sen suhteellisen korkean kiehumispisteen niin yksinkertaiselle molekyylille; tämä matala arvo puolestaan ​​selittyy vetysidoksilla happiatomien ja vetyatomien välillä vierekkäisissä molekyyleissä (nämä ovat molekyylien välisiä voimia, eivät todellisia kemiallisia sidoksia).

Lämmitettäessä huoneenlämmöstä (noin 25 ° C) noin 60 ° C: seen veden höyrynpaine nousee vain vähän. Sitten se alkaa nousta voimakkaammin ennen kuin se saavuttaa arvon 1 atm 100 ° C: ssa (määritelmän mukaan).

Nyt on aika nähdä Raoultin laki toiminnassa. Kun lähestyt näitä ongelmia, tiedä aina, että etsit aina arvoja P: lle_höyry tiettyjen aineiden osalta.

Liuos sisältää seoksen, jossa on 1 mooli (mol) H₂O, 2 mol etanolia (C₂H₅OH) ja 1 mol asetaldehydiä (CH₃CHO) 293 K. Mikä on tämän liuoksen kokonaishöyrynpaine? merkintä: Näiden aineiden osapaineet huoneenlämpötilassa ovat 18 torr, 67,5 torr ja 740 torr.

Aseta ensin yhtälö. Ylhäältä sinulla on

P_{kaikki yhteensä} = P_watX_wat + P_etX_et + P_ässäX_ässä

Vastaavien aineiden moolijakeet jaetaan molempien moolien lukumäärä liuoksessa olevan aineen kokonaismoolilla, joka on 1 + 2 + 1 = 4. Sinulla on siis X_wat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 ja X_ässä = 1/4 = 0.25. (Huomaa, että moolijakeiden summan on aina oltava täsmälleen 1.) Nyt olet valmis kytkemään annetun yksittäisten höyrynpaineiden arvot ja ratkaise höyryn seoksen kokonaishöyrynpaine ratkaisut:

P_{kaikki yhteensä} = (0,25) (18 torr) + (0,5) (67,5 torr) + (0,25) (740 torr) = 223,25 torr.