Come calcolare la pressione del vapore

Quando sei in presenza di acqua che sta iniziando a bollire, la tua principale preoccupazione per la sicurezza è molto probabilmente quella di non scottarti a causa dell'alta temperatura dell'acqua e del vapore che fuoriesce. Ma potresti aver notato qualcos'altro sul vapore, o se è per questo, su qualsiasi tipo di materia sotto forma di gas: non gli piace essere contenuto e "combatterà", spesso con molta forza, per scappare. I resoconti di incidenti che coinvolgono caldaie a vapore che esplodono tengono conto di questa minaccia.

Quando l'acqua o un altro liquido bolle, in termini fisici, sta subendo una transizione di fase o un cambiamento di stato da liquido a gas. In altre parole, il pressione del vapore del liquido ha cominciato a superare quello del gas sopra di esso, solitamente l'atmosfera terrestre. ("Vapore" è un termine generico che significa gas, ad esempio "vapore acqueo" è H₂O allo stato gassoso.)

Il solido può anche entrare direttamente nello stato gassoso, "bypassando" del tutto lo stato liquido in un processo noto come

Sulla Terra, in condizioni naturali, la materia esiste in uno dei tre stati: solido, liquido o gassoso. Per ogni sostanza, queste fasi rappresentano aumenti sequenziali dell'energia cinetica media delle molecole della sostanza, riflessa nell'aumento della temperatura. Alcune sostanze, tuttavia, esistono come gas a temperatura ambiente, mentre altre sono liquide, altre ancora sono solide; questo è il risultato di alcune molecole che si separano più facilmente all'interno di una sostanza da un dato apporto di energia termica (calore).

Ogni elemento e molecola esiste come solido a 0 K, o zero assoluto (circa -273 ° C). La struttura della materia a temperature molto basse è un solido reticolo cristallino. All'aumentare della temperatura, le molecole, effettivamente bloccate in posizione, sono in grado di vibrare con sufficiente energia per liberarsi dal reticolo, e quando ciò accade in tutta la sostanza, la sostanza è nel liquido stato.

Allo stato liquido, la materia assume la forma del suo contenitore, ma entro i limiti della gravità. Quando l'energia cinetica aumenta ancora di più, le molecole iniziano a fuoriuscire dal interfaccia aria-liquido ed entrare nello stato gassoso, dove l'unica cosa che limita la forma del gas è il contenitore che limita il movimento delle molecole ad alta energia.

Quando osservi una pentola d'acqua a temperatura ambiente, potrebbe non essere evidente, ma alcune molecole d'acqua stanno svolazzando circa al di sopra della superficie dell'acqua, con un numero uguale (e molto piccolo) che ritorna alla fase acquosa alla stessa tempo. Il sistema è quindi in equilibrio, e la tensione di vapore creata dalla fuga minima di H₂O molecole è la pressione di vapore di equilibrio dell'acqua.

Come vedrai, diverse sostanze allo stato liquido hanno diversi livelli caratteristici di pressione di vapore P_vapore a temperatura ambiente, con questo valore dipendente dalla natura delle forze intermolecolari tra le molecole nel liquido. Ad esempio, le sostanze che hanno forze intermolecolari più deboli, come i legami idrogeno, avranno livelli di equilibrio P. più elevati_vapore perché è più facile che le molecole si liberino dal liquido.

Se le condizioni di equilibrio sono perturbate dall'aggiunta di calore, tuttavia, la tensione di vapore del liquido sale verso la pressione atmosferica (101,3 kilopascal, 1 atm o 762 torr). Se il valore della tensione di vapore non dipendesse dalla temperatura, sarebbe difficile far bollire o evaporare liquidi (o solidi), specialmente quelli con valori di tensione di vapore intrinseci elevati.

Una volta che viene aggiunto abbastanza calore a un liquido per portare la sua pressione di vapore al livello della pressione atmosferica, il liquido inizia a bollire. La quantità di calore da aggiungere dipende dalle caratteristiche della sostanza. Ma cosa succede se la sostanza non è acqua pura, ma invece una soluzione in cui una sostanza solida è disciolta in un liquido come l'acqua?

L'aggiunta di soluto ha tipicamente effetti su molti dei parametri di un liquido, inclusi i suoi punti di ebollizione e fusione (cioè congelamento). I parametri influenzati dalla concentrazione di soluti sono noti come proprietà colligative ("relative alla connessione"). La pressione del vapore viene abbassata dall'aggiunta di soluto e la misura in cui ciò si verifica dipende dalla quantità di soluto aggiunto e, in definitiva, dal rapporto molare tra soluto e solvente.

• Cosa fa l'abbassamento della tensione di vapore al punto di ebollizione di una soluzione? Quando pensi alla matematica, significa che il liquido avrà quindi un divario maggiore tra la sua stessa pressione di vapore e la pressione atmosferica e avrai bisogno di più calore aggiunto per farlo bollire. Il suo punto di ebollizione viene quindi aumentato di una certa quantità.

L'equazione di interesse in queste situazioni, che vedrai mostrata di seguito, è una forma di ciò che è noto come La legge di Raoult: P_totale=∑P_ioX_io. qui p_totale è la tensione di vapore della soluzione nel suo insieme, e il membro di destra rappresenta la somma dei prodotti delle singole pressioni di vapore e frazioni molari del soluto e del solvente.

Poiché l'acqua è un liquido e un solvente onnipresenti, vale la pena studiare i fattori che determinano la sua equazione della tensione di vapore in modo più dettagliato.

L'acqua ha un P_vapore di 0,031 atm, o meno di 1/30 della pressione atmosferica. Questo aiuta a spiegare il suo punto di ebollizione relativamente alto per una molecola così semplice; questo valore basso a sua volta è spiegato dai legami idrogeno tra atomi di ossigeno e atomi di idrogeno su molecole adiacenti (queste sono forze intermolecolari, non veri legami chimici).

Quando viene riscaldata dalla temperatura ambiente (circa 25 °C) a circa 60 °C, la pressione del vapore dell'acqua aumenta solo leggermente. Inizia quindi a salire più bruscamente prima di raggiungere un valore di 1 atm a 100 °C (per definizione).

È ora che tu veda la legge di Raoult in azione. Quando affronti questi problemi, sappi che puoi sempre cercare i valori per P_vapore per particolari sostanze.

Una soluzione contiene una miscela di 1 mole (mol) H₂O, 2 moli di etanolo (C₂H₅OH), e 1 mole di acetaldeide (CH₃CHO) a 293 K. Qual è la tensione di vapore totale di questa soluzione? Nota: Le pressioni parziali di queste sostanze a temperatura ambiente sono rispettivamente di 18 torr, 67,5 torr e 740 torr.

Per prima cosa, imposta la tua equazione. Dall'alto, hai

P_totale = P_cosaX_cosa + P_ethX_eth + P_assoX_asso

Le frazioni molari delle rispettive sostanze sono il numero di moli di ciascuna diviso per le moli totali di sostanza nella soluzione, che è 1 + 2 + 1 = 4. Quindi hai X_cosa = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 e X_asso = 1/4 = 0.25. (Nota che la somma delle frazioni molari deve essere sempre esattamente 1.) Ora sei pronto per collegare il dato valori per le singole pressioni di vapore e risolvere per la tensione di vapore totale della miscela di soluzioni:

P_totale = (0,25)(18 torr) + (0,5)(67,5 torr) + (0,25)(740 torr) = 223.25 tor.