Hogyan számoljuk ki a gőznyomást

Ha forró víz jelenlétében tartózkodik, akkor a legfőbb biztonsági aggodalma valószínűleg nem forrázódik le a víz magas hőmérséklete és a kiáramló gőz miatt. De lehet, hogy valami mást vett észre a gőzről, vagy ami azt illeti, bármilyen anyagot gáz formájában: Nem szereti, ha visszatartja, és gyakran "erőteljesen" harcol a menekülésért. A robbanó gőzkazánokkal kapcsolatos balesetek beszámolói figyelembe veszik ezt a veszélyt.

Amikor a víz vagy más folyadék forr, fizikai értelemben, fázisátmenet vagy állapotváltozás folyik folyadékról gázra. Másképp fogalmazva, a gőznyomás folyadék mennyisége elkezdte meghaladni a fölötte lévő gázét, általában a Föld légkörét. (A "gőz" laza kifejezés jelentése gáz, például a "vízgőz" jelentése hidrogénatom₂O gáz halmazállapotú.)

A szilárd anyag közvetlenül beléphet a gáz halmazállapotba is, a folyékony halmazállapotot "megkerülve" egy úgynevezett folyamatban szublimáció. Ebben az esetben a fázisátmenet oka ugyanaz: A szilárd anyagoknak saját gőznyomása van, és bizonyos körülmények között ennek a nyomásnak az értéke meghaladhatja a légköri nyomást. De gyakrabban a szilárd anyagok folyadékokká válnak.

A Földön természetes körülmények között az anyag a három állapot egyikében létezik: szilárd, folyékony vagy gáz. Bármelyik anyag esetében ezek a fázisok az anyag molekuláinak átlagos kinetikus energiájának egymást követő növekedését jelentik, amely a hőmérséklet növekedésével tükröződik. Egyes anyagok azonban szobahőmérsékleten gázként léteznek, míg mások folyadékok, mások pedig szilárd anyagok; ez annak az eredménye, hogy egyes molekulákat egy adott hőenergiával (hővel) könnyebben elválasztanak az anyagon belül.

Minden elem és molekula szilárd anyagként létezik 0 K hőmérsékleten, vagy abszolút nulla (kb. –273 ° C). Az anyag szerkezete nagyon alacsony hőmérsékleten szilárd kristályos rács. A hőmérséklet növekedésével a molekulák, amelyek gyakorlatilag a helyükre vannak zárva, elegendő vibrációval képesek lenni energia, hogy kiszabaduljon a rácsból, és amikor ez egész anyagra kiterjed, az anyag a folyadékban van állapot.

Folyékony állapotban az anyag felveszi edényének alakját, de a gravitáció határain belül. Amikor a kinetikus energia még jobban növekszik, a molekulák elkezdenek menekülni a levegő-folyadék interfész és lépjen be a gáz halmazállapotba, ahol a gáz alakját csak a nagy energiájú molekulák mozgását korlátozó tartály korlátozza.

Ha szobahőmérsékleten megfigyel egy edény vizet, akkor ez nem nyilvánvaló, de néhány vízmolekula repked körülbelül a víz felszínén, azonos (és nagyon kicsi) szám visszatérve a vízfázisba idő. A rendszer tehát egyensúlyban van, és a gőznyomás a H minimális távozásával jön létre₂Az O molekulák a víz egyensúlyi gőznyomása.

Amint látni fogja, a folyékony halmazállapotú különféle anyagoknak különböző jellegzetes P gőznyomása van_gőz szobahőmérsékleten, ez az érték a folyadékban lévő molekulák közötti intermolekuláris erők jellegétől függ. Például azoknál az anyagoknál, amelyeknek gyengébb az intermolekuláris ereje, például a hidrogénkötéseknek, magasabb az egyensúlyi P_gőz mert a molekulák könnyebben elszakadnak a folyadéktól.

Ha azonban az egyensúlyi körülményeket a hő adagolása megzavarja, a folyadék gőznyomása a légköri nyomás felé emelkedik (101,3 kilopascal, 1 atm vagy 762 torr). Ha a gőznyomás értéke nem lenne hőmérsékletfüggő, akkor nehéz lenne bármilyen folyadékot (vagy szilárd anyagot) felforralni vagy elpárologni, különösen azokat, amelyeknek magas a belső gőznyomásértéke.

Miután a folyadékhoz annyi hőt adtak, hogy gőznyomása a légköri nyomás szintjére emelkedjen, a folyadék forrni kezd. Az, hogy mennyi hőt kell adni, az anyag jellemzőitől függ. De mi van akkor, ha az anyag nem tiszta víz, hanem egy oldat, amelyben egy szilárd anyagot feloldunk egy folyadékban, például vízben?

Az oldott anyag hozzáadása jellemzően befolyásolja a folyadék számos paraméterét, beleértve a forráspontját és az olvadáspontját (azaz a fagyáspontját). Az oldott anyag koncentrációja által érintett paraméterek kolligatív ("kapcsolódással kapcsolatos") tulajdonságok. Az oldott anyag hozzáadásával a gőznyomás csökken, és ennek mértéke függ a hozzáadott oldott anyag mennyiségétől, és végül az oldott anyag és az oldószer moláris arányától.

• Mit jelent a gőznyomás csökkentése az oldat forráspontjáig? Ha belegondol a matematikába, az azt jelenti, hogy a folyadéknak nagyobb lesz a rése a saját gőznyomása és a légköri nyomás között, és több hőre lesz szükség ahhoz, hogy felforrjon. Forráspontja ezért valamivel megnő.

Ezekben az esetekben az érdeklődés egyenlete, amelyet az alábbiakban bemutatunk, az úgynevezett forma Raoult törvénye: P_teljes= ∑P_énx_én. Itt P_teljes az egész oldat gőznyomása, a jobb oldal pedig az egyes gőznyomások szorzatának összegét jelenti, és anyajegyek oldott anyag.

Mivel a víz mindenütt jelen lévő folyadék és oldószer, érdemes részletesebben megvizsgálni azokat a tényezőket, amelyek meghatározzák a gőznyomásegyenletét.

A víznek van P-je_gőz 0,031 atm, vagy kevesebb, mint a légköri nyomás 1/30 része. Ez segít megmagyarázni egy ilyen egyszerű molekula viszonylag magas forráspontját; ezt az alacsony értéket az oxigénatomok és a szomszédos molekulák hidrogénatomjai közötti hidrogénkötések magyarázzák (ezek molekulák közötti erők, nem valódi kémiai kötések).

Szobahőmérsékletről (kb. 25 ° C) 60 ° C-ra melegítve a víz gőznyomása csak kissé emelkedik. Ezután erősebben emelkedni kezd, mielőtt 100 ° C-on elérné az 1 atm értéket (definíció szerint).

Itt az ideje, hogy lássa Raoult törvényét. Tudja, hogy közeledik ezekhez a problémákhoz, hogy mindig meg tudja keresni a P értékeit_gőz bizonyos anyagok esetében.

Az oldat 1 mol (mol) H keverékét tartalmazza₂O, 2 mol etanol (C₂H₅OH) és 1 mol acetaldehid (CH₃CHO) 293 K-on. Mennyi az oldat teljes gőznyomása? Jegyzet: Ezen anyagok parciális nyomása szobahőmérsékleten 18, 67,5 torr és 740 torr.

Először állítsa be az egyenletét. Fentről van

P_teljes = P_watx_wat + P_etx_et + P_ászx_ász

A megfelelő anyagok mólfrakciói az egyes mólok számának elosztva az oldatban lévő anyag összes móljával, amely 1 + 2 + 1 = 4. Így van X_wat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5, és X_ász = 1/4 = 0.25. (Ne feledje, hogy a mólfrakciók összegének mindig pontosan 1-nek kell lennie.) Most már készen áll az adott csatlakozásra az egyes gőznyomások értékeit, és oldjuk meg a keverék teljes gőznyomására megoldások:

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