Comment calculer la pression de vapeur

Lorsque vous êtes en présence d'eau qui commence à bouillir, votre principal problème de sécurité est probablement de ne pas vous ébouillanter en raison de la température élevée de l'eau et de la vapeur qui s'échappe. Mais vous avez peut-être remarqué autre chose à propos de la vapeur, ou d'ailleurs, de tout type de matière sous forme de gaz: elle n'aime pas être contenue et « se battra », souvent avec force, pour s'échapper. Les récits d'accidents impliquant l'explosion de chaudières à vapeur témoignent de cette menace.

Lorsque l'eau ou un autre liquide bout, en termes physiques, il subit une transition de phase ou un changement d'état de liquide à gaz. En d'autres termes, le la pression de vapeur du liquide a commencé à dépasser celui du gaz au-dessus, généralement l'atmosphère terrestre. ("Vapor" est un terme vague signifiant gaz, par exemple, "vapeur d'eau" est H₂O à l'état gazeux.)

Le solide peut également entrer directement à l'état gazeux, "en contournant" complètement l'état liquide dans un processus connu sous le nom de

Sur Terre, dans des conditions naturelles, la matière existe dans l'un des trois états suivants: solide, liquide ou gazeux. Pour toute substance, ces phases représentent des augmentations séquentielles de l'énergie cinétique moyenne des molécules de la substance, reflétée par une augmentation de la température. Certaines substances, cependant, existent sous forme de gaz à température ambiante, tandis que d'autres sont liquides et d'autres encore sont solides; c'est le résultat du fait que certaines molécules sont plus facilement séparées au sein d'une substance par un apport donné d'énergie thermique (chaleur).

Chaque élément et molécule existe sous forme de solide à 0 K, ou zéro absolu (environ –273 °C). La structure de la matière à très basse température est un réseau cristallin solide. À mesure que la température augmente, les molécules, efficacement verrouillées en place, sont capables de vibrer avec suffisamment de énergie pour se libérer du réseau, et lorsque cela se produit à l'échelle de la substance, la substance est dans le liquide Etat.

A l'état liquide, la matière prend la forme de son contenant, mais dans les limites de la gravité. Lorsque l'énergie cinétique augmente encore, les molécules commencent à s'échapper du interface air-liquide et entrer dans l'état gazeux, où la seule chose limitant la forme du gaz est le récipient limitant le mouvement des molécules de haute énergie.

Lorsque vous observez une casserole d'eau à température ambiante, cela peut ne pas être évident, mais certaines molécules d'eau voltigent environ au-dessus de la surface de l'eau, avec un nombre égal (et très petit) retournant à la phase aqueuse en même temps temps. Le système est donc en équilibre, et la pression de vapeur créée par l'échappement minimal de H₂O molécules est la pression de vapeur d'équilibre de l'eau.

Comme vous le verrez, différentes substances à l'état liquide ont différents niveaux caractéristiques de pression de vapeur P_vapeur à température ambiante, cette valeur dépendant de la nature des forces intermoléculaires entre les molécules du liquide. Par exemple, les substances qui ont des forces intermoléculaires plus faibles, telles que les liaisons hydrogène, auront des niveaux plus élevés d'équilibre P_vapeur car il est plus facile pour les molécules de se libérer du liquide.

Si les conditions d'équilibre sont perturbées par l'ajout de chaleur, cependant, la pression de vapeur du liquide augmente vers la pression atmosphérique (101,3 kilopascal, 1 atm ou 762 torr). Si la valeur de la pression de vapeur ne dépendait pas de la température, il serait difficile de faire bouillir ou évaporer des liquides (ou solides), en particulier ceux dont la pression de vapeur inhérente est élevée.

Une fois que suffisamment de chaleur est ajoutée à un liquide pour amener sa pression de vapeur au niveau de la pression atmosphérique, le liquide commence à bouillir. La quantité de chaleur à ajouter dépend des caractéristiques de la substance. Mais que se passe-t-il si la substance n'est pas de l'eau pure, mais plutôt une solution dans laquelle une substance solide est dissoute dans un liquide tel que l'eau ?

L'ajout de soluté a généralement des effets sur de nombreux paramètres d'un liquide, y compris ses points d'ébullition et de fusion (c'est-à-dire de congélation). Les paramètres affectés par la concentration de soluté sont connus sous le nom de propriétés colligatives (« liées à la connexion »). La pression de vapeur est abaissée par l'ajout de soluté, et la mesure dans laquelle cela se produit dépend de la quantité de soluté ajoutée et finalement du rapport molaire du soluté au solvant.

• Que fait l'abaissement de la pression de vapeur jusqu'au point d'ébullition d'une solution? Lorsque vous pensez aux mathématiques, cela signifie que le liquide aura alors un écart plus important entre sa propre pression de vapeur et la pression atmosphérique, et vous aurez besoin de plus de chaleur pour le faire bouillir. Son point d'ébullition est donc augmenté d'une certaine quantité.

L'équation d'intérêt dans ces situations, que vous verrez démontrée ci-dessous, est une forme de ce qu'on appelle La loi de Raoult:P_{le total}=∑P_jeX_je. Ici P_{le total} est la pression de vapeur de la solution dans son ensemble, et le côté droit représente la somme des produits des pressions de vapeur individuelles et fractions molaires du soluté et du solvant.

L'eau étant un liquide et un solvant omniprésents, il convient d'étudier plus en détail les facteurs qui déterminent son équation de pression de vapeur.

L'eau a un P_vapeur de 0,031 atm, soit moins de 1/30e de la pression atmosphérique. Cela aide à expliquer son point d'ébullition relativement élevé pour une molécule aussi simple; cette faible valeur s'explique à son tour par les liaisons hydrogène entre les atomes d'oxygène et les atomes d'hydrogène sur les molécules adjacentes (ce sont des forces intermoléculaires, pas de véritables liaisons chimiques).

Lorsqu'elle est chauffée de la température ambiante (environ 25 °C) à environ 60 °C, la pression de vapeur de l'eau n'augmente que légèrement. Elle commence alors à monter plus fortement avant d'atteindre une valeur de 1 atm à 100 °C (par définition).

Maintenant, il est temps pour vous de voir la loi de Raoult en action. Sachez que lorsque vous abordez ces problèmes, vous pouvez toujours rechercher des valeurs pour P_vapeur pour des substances particulières.

Une solution contient un mélange de 1 mole (mol) H₂O, 2 mol d'éthanol (C₂H₅OH) et 1 mol d'acétaldéhyde (CH₃CHO) à 293 K. Quelle est la pression de vapeur totale de cette solution? Noter: Les pressions partielles de ces substances à température ambiante sont respectivement de 18 torr, 67,5 torr et 740 torr.

Tout d'abord, configurez votre équation. D'en haut, vous avez

P_{le total} = P_quoiX_quoi + P_ethX_eth + P_asX_as

Les fractions molaires des substances respectives sont le nombre de moles de chacune divisé par le nombre total de moles de substance dans la solution, qui est 1 + 2 + 1 = 4. Donc tu as X_quoi = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5, et X_as = 1/4 = 0.25. (Notez que la somme des fractions molaires doit toujours être exactement 1.) Maintenant, vous êtes prêt à brancher le donné valeurs pour les pressions de vapeur individuelles et résoudre pour la pression de vapeur totale du mélange de solutions:

P_{le total} = (0,25) (18 torr) + (0,5) (67,5 torr) + (0,25) (740 torr) = 223,25 torrs.