Kako izračunati tlak pare

Kada ste u prisutnosti vode koja počinje kipjeti, vaša glavna briga o sigurnosti najvjerojatnije neće biti opečena zbog visoke temperature vode i para koja izlazi. Ali možda ste primijetili nešto drugo u vezi s parom, ili pak bilo kojom vrstom materije u obliku plina: ona ne voli biti sadržana u njoj i "borit će se", često prilično snažno, da pobjegne. Priče o nesrećama koje uključuju eksplozijske parne kotlove slušaju ovu prijetnju.

Kad voda ili druga tekućina zakuha, u fizičkom smislu prolazi fazni prijelaz ili promjena stanja iz tekućine u plin. Drugim riječima, tlak pare tekućine počeo je premašivati ​​plin u sebi, obično Zemljinu atmosferu. ("Para" je labavi pojam koji znači plin, npr. "Vodena para" je H₂O u plinovitom stanju.)

Čvrsta tvar također može izravno ući u plinovito stanje, "zaobilazeći" tekuće stanje u procesu poznatom kao sublimacija. U ovom je slučaju osnovni razlog faznog prijelaza isti: Čvrste tvari imaju vlastiti tlak pare, a pod određenim uvjetima vrijednost tog tlaka može premašiti atmosferski tlak. Ali češće krutine prelaze u tekućine.

Na Zemlji, u prirodnim uvjetima, materija postoji u jednom od tri stanja: krutom, tekućem ili plinskom. Za bilo koju pojedinu tvar, ove faze predstavljaju uzastopno povećanje prosječne kinetičke energije molekula tvari, što se odražava u porastu temperature. Međutim, neke tvari postoje kao plinovi na sobnoj temperaturi, dok su druge tekućine, a treće krutine; ovo je rezultat toga što se neke molekule unutar tvari lakše odvajaju određenim unosom toplinske energije (topline).

Svaki element i molekula postoje kao krutina pri 0 K ili apsolutnoj nuli (oko –273 ° C). Građa materije na vrlo niskim temperaturama je čvrsta kristalna rešetka. Kako se temperatura povećava, molekule, učinkovito zaključane na svom mjestu, mogu vibrirati s dovoljno energije da se oslobodi rešetke, a kad se to dogodi, tvar je u tekućini država.

U tekućem stanju materija poprima oblik svoje posude, ali unutar granica gravitacije. Kada se kinetička energija još više poveća, molekule počinju izlaziti iz sučelje zrak-tekućina i uđite u plinovito stanje, gdje jedino što ograničava oblik plina je spremnik koji ograničava kretanje molekula visoke energije.

Kad promatrate lonac s vodom sobne temperature, to možda neće biti očito, ali neke molekule vode trepere otprilike iznad površine vode, s jednakim (i vrlo malim) brojem koji se istodobno vraća u vodenu fazu vrijeme. Sustav je dakle u ravnoteži i tlak pare stvoren minimalnim istjecanjem H₂O molekule je ravnotežni tlak pare vode.

Kao što ćete vidjeti, različite tvari u tekućem stanju imaju različite karakteristične razine tlaka pare P_para na sobnoj temperaturi, pri čemu ta vrijednost ovisi o prirodi intermolekularnih sila između molekula u tekućini. Na primjer, tvari koje imaju slabije intermolekularne sile, poput vodikovih veza, imat će višu razinu ravnoteže P_para jer se molekulama lakše osloboditi tekućine.

Ako se ravnotežni uvjeti poremete dodatkom topline, tlak pare tekućine raste prema atmosferskom tlaku (101,3 kilopaskala, 1 atm ili 762 tora). Da vrijednost tlaka pare ne ovisi o temperaturi, teško bi bilo da neke tekućine (ili krute tvari) prokuhaju ili isparavaju, posebno one s visokim vrijednostima tlaka pare.

Jednom kad se tekućini doda dovoljno topline da tjera svoj parni tlak do razine atmosferskog tlaka, tekućina počinje kipjeti. Koliko topline treba dodati ovisi o karakteristikama tvari. Ali što ako tvar nije čista voda, već otopina u kojoj se čvrsta tvar otopi u tekućini poput vode?

Dodavanje otopljene tvari obično utječe na mnoge parametre tekućine, uključujući točke vrenja i topljenja (tj. Ledišta). Parametri na koje utječe koncentracija otopljene tvari poznati su kao koligativna svojstva ("povezana s vezom"). Tlak pare snižava se dodavanjem otopljene tvari, a mjera u kojoj se to događa ovisi o količini dodane otopljene tvari i na kraju o molarnom omjeru otopljene tvari i otapala.

• Što čini snižavanje tlaka pare do točke vrenja otopine? Kad razmišljate o matematici, to znači da će tekućina tada imati veći razmak između vlastitog tlaka pare i atmosferskog tlaka, a trebat će vam još topline da zakuha. Točka ključanja mu se stoga povećava za neku količinu.

Jednadžba interesa u ovim situacijama, koja ćete vidjeti u nastavku, oblik je onoga što je poznato Raoultov zakon: P_ukupno= ∑P_jax_ja. Ovdje P._ukupno tlak pare otopine u cjelini, a desna strana predstavlja zbroj produkata pojedinačnih tlakova pare i molske frakcije otopljene tvari i otapala.

Budući da je voda sveprisutna tekućina i otapalo, vrijedi detaljnije istražiti čimbenike koji određuju njezinu jednadžbu tlaka pare.

Voda ima P_para od 0,031 atm, ili manje od 1/30 atmosferskog tlaka. To pomaže objasniti njezino relativno visoko vrelište za tako jednostavnu molekulu; ta se niska vrijednost zauzvrat objašnjava vodikovim vezama između atoma kisika i atoma vodika na susjednim molekulama (to su intermolekularne sile, a ne istinske kemijske veze).

Kada se zagrije od sobne temperature (oko 25 ° C) do oko 60 ° C, tlak vodene pare lagano raste. Tada počinje naglo rasti prije nego što dosegne vrijednost od 1 atm na 100 ° C (po definiciji).

Sad je vrijeme da vidite Raoultov zakon na djelu. Kako pristupate tim problemima, znajte da uvijek možete potražiti vrijednosti za P_para za pojedine tvari.

Otopina sadrži smjesu od 1 mola (mol) H₂O, 2 mol etanola (C₂H₅OH) i 1 mol acetaldehida (CH₃CHO) pri 293 K. Koliki je ukupni tlak pare ove otopine? Bilješka: Parcijalni tlakovi ovih tvari na sobnoj temperaturi su 18 torr, 67,5 torr i 740 torr.

Prvo postavite svoju jednadžbu. Odozgo, imate

Str_ukupno = P_watx_wat + P_etx_et + P_asx_as

Molarni udjeli odnosnih tvari predstavljaju broj molova svakog od njih podijeljen s ukupnim molovima tvari u otopini, koji je 1 + 2 + 1 = 4. Tako imate X_wat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 i X_as = 1/4 = 0.25. (Imajte na umu da zbroj molskih udjela uvijek mora biti točno 1.) Spremni ste za uključivanje datog vrijednosti za pojedinačni tlak pare i riješiti za ukupan tlak pare smjese rješenja:

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