כיצד לחשב לחץ אדים

כאשר אתה נמצא בנוכחות מים שמתחילים לרתוח, ככל הנראה החשש הבטיחותי העיקרי שלך אינו נצרב בגלל הטמפרטורה הגבוהה של המים והאדים הנמלטים. אבל אולי שמתם לב למשהו אחר בקיטור, או לצורך העניין, בכל סוג של חומר בצורת גז: זה לא אוהב להיות מכיל, ו"ילחם ", לעתים קרובות די בכוח, להימלט. דיווחים על תאונות הקשורות לדודי קיטור מתפוצצים מקשיבים לאיום זה.

כאשר מים או נוזל אחר רותחים, מבחינה פיזיקלית, הם עוברים מעבר פאזה או שינוי מצב מנוזל לגז. במילים אחרות, ה- לחץ אדים הנוזל החל לחרוג מזה של הגז שמעליו, בדרך כלל האטמוספירה של כדור הארץ. ("אדי" הוא מונח רופף שמשמעותו גז, למשל, "אדי מים" הוא H₂O במצב גזי.)

מוצק יכול גם להיכנס ישירות למצב הגזי, "לעקוף" את המצב הנוזלי לחלוטין בתהליך המכונה הַאֲצָלָה. במקרה זה, הסיבה הבסיסית למעבר פאזה היא זהה: למוצקים יש לחץ אדים משלהם, ובתנאים מסוימים ערך הלחץ הזה יכול לחרוג מלחץ האטמוספרי. אך לעיתים קרובות יותר, מוצקים עוברים לנוזלים.

על כדור הארץ, בתנאים טבעיים, קיים חומר באחד משלושה מצבים: מוצק, נוזלי או גז. עבור כל חומר אחד, שלבים אלה מייצגים עליות רציפות באנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולות החומר, המתבטאות בעליית הטמפרטורה. עם זאת, ישנם חומרים שקיימים כגזים בטמפרטורת החדר, ואילו אחרים הם נוזלים, ואילו אחרים הם מוצקים; זו תוצאה של הפרדה קלה יותר של מולקולות בתוך חומר באמצעות קלט נתון של אנרגיה תרמית (חום).

כל יסוד ומולקולה קיימים כמוצק ב 0 K, או כאפס מוחלט (כ –273 מעלות צלזיוס). מבנה החומר בטמפרטורות נמוכות מאוד הוא סריג גבישי מוצק. ככל שהטמפרטורה עולה, המולקולות, הנעולות ביעילות במקומן, מסוגלות לרטוט מספיק אנרגיה להשתחרר מהסריג, וכשזה קורה לכל חומר, החומר נמצא בנוזל מדינה.

במצב נוזלי, החומר מקבל את צורת המיכל שלו, אך בגבולות הכבידה. כאשר האנרגיה הקינטית עולה עוד יותר, מולקולות מתחילות לברוח מה- ממשק נוזל אוויר ונכנסים למצב הגזי, כאשר הדבר היחיד המגביל את צורת הגז הוא המיכל המגביל את תנועת המולקולות בעלות האנרגיה הגבוהה.

כשאתה צופה בסיר מים בטמפרטורת החדר, זה אולי לא ניכר, אבל כמה מולקולות מים מתנודדות בערך מעל פני המים, כאשר מספר שווה (וקטן מאוד) חוזר לשלב המים בו זמנית זְמַן. המערכת נמצאת לכן בשיווי משקל, ולחץ האדים שנוצר על ידי בריחה מינימלית של H₂מולקולות O הן לחץ האדים בשיווי המשקל של מים.

כפי שתראו, לחומרים שונים במצב נוזלי יש רמות אופייניות שונות של לחץ אדים P_אדים בטמפרטורת החדר, כאשר ערך זה תלוי באופי הכוחות הבין-מולקולריים בין מולקולות בנוזל. לדוגמא, לחומרים בעלי כוחות בין-מולקולריים חלשים יותר, כמו קשרי מימן, תהיה רמות גבוהות יותר של שיווי משקל P_אדים כי למולקולות קל יותר להשתחרר מהנוזל.

אם תנאי שיווי המשקל מוטרדים על ידי תוספת חום, לעומת זאת, לחץ האדים של הנוזל עולה לכיוון לחץ אטמוספרי (101.3 קילופאסקל, 1 אטמטר או 762 טור). אם ערך לחץ האדים לא היה תלוי טמפרטורה, יהיה קשה לגרום לנוזלים (או מוצקים) לרתוח או להתאדות, במיוחד אלה עם ערכי לחץ אדים מובנים גבוהים.

ברגע שמוסיפים מספיק חום לנוזל כדי להניע את לחץ האדים שלו עד לרמת הלחץ האטמוספרי, הנוזל מתחיל לרתוח. כמה חום צריך להוסיף תלוי במאפייני החומר. אך מה אם החומר אינו מים טהורים, אלא תמיסה שבה מומס חומר מוצק בנוזל כמו מים?

לתוספת של מומס יש השפעות על הרבה מהפרמטרים של נוזל, כולל נקודות הרתיחה וההמיסה שלו (כלומר, הקפאה). הפרמטרים המושפעים מריכוז מומס מכונים מאפיינים קולגטיביים ("קשורים לחיבור"). לחץ האדים יורד על ידי תוספת של מומס, והמידה שבה זה קורה תלויה בכמות המומס שנוספה ובסופו של דבר ביחס הטוחנת בין מומס לממס.

• מה הורדת לחץ האדים עושה לנקודת הרתיחה של תמיסה? כשאתה חושב על המתמטיקה, המשמעות היא שלנוזל יהיה פער גדול יותר בין לחץ האדים שלו ללחץ האטמוספרי, ותצטרך להוסיף עוד חום כדי לגרום לרתיחה. לכן נקודת הרתיחה שלו מוגברת בכמות כלשהי.

משוואת העניין במצבים אלה, שתראו להלן, היא סוג של מה שמכונה החוק של ראולט: פ_{סך הכל}= ∑P_אניאיקס_אני. הנה פ_{סך הכל} הוא לחץ האדים של התמיסה בכללותה, והצד הימני מייצג את סכום התוצרים של לחצי האדים הבודדים ו שברים בשומה של המומס והממיס.

מכיוון שמים הם נוזל וממיס בכל מקום, כדאי לחקור את הגורמים שקובעים את משוואת לחץ האדים שלהם ביתר פירוט.

למים יש P_אדים של 0.031 atm, או פחות מ 1/30 של לחץ אטמוספרי. זה עוזר להסביר את נקודת הרתיחה הגבוהה יחסית למולקולה כל כך פשוטה; ערך נמוך זה בתורו מוסבר על ידי קשרי המימן בין אטומי חמצן לאטומי מימן על מולקולות סמוכות (אלה כוחות בין-מולקולריים, ולא קשרים כימיים אמיתיים).

כאשר מחממים אותו מטמפרטורת החדר (כ- 25 מעלות צלזיוס) לכ- 60 מעלות צלזיוס, לחץ האדים של המים עולה רק מעט. לאחר מכן הוא מתחיל לעלות בצורה חדה יותר לפני שהוא מגיע לערך של 1 אטום ב 100 מעלות צלזיוס (בהגדרה).

עכשיו הגיע הזמן שתראו את החוק של ראולט בפועל. דע כאשר אתה מתקרב לבעיות אלה שתמיד תוכל לחפש ערכים עבור P_אדים לחומרים מסוימים.

תמיסה מכילה תערובת של 1 שומה (מול) H₂O, 2 מול אתנול (ג₂ה₅OH) ו- 1 מול אצטאלדהיד (CH₃CHO) ב 293 ק. מהו לחץ האדים הכולל של תמיסה זו? הערה: הלחצים החלקיים של חומרים אלה בטמפרטורת החדר הם 18 טור, 67.5 טור ו- 740 טור בהתאמה.

ראשית, הגדר את המשוואה שלך. מלמעלה, יש לך

פ_{סך הכל} = P_וואטאיקס_וואט + P_אתאיקס_את + P_אֵסאיקס_אֵס

שברי השומה של החומרים המתאימים הם מספר השומות של כל אחד חלקי סך שומות החומר בתמיסה, שהוא 1 + 2 + 1 = 4. לפיכך יש לך X_וואט = 1/4 - 0.25, X_את = 2/4 = 0.5 ו- X_אֵס = 1/4 = 0.25. (שים לב שסכום שברי השומה חייב להיות תמיד בדיוק 1.) כעת אתה מוכן לחבר את הנתון ערכי לחץ האדים הבודד ופתרו את לחץ האדים הכולל של תערובת פתרונות:

פ_{סך הכל} = (0.25) (18 טור) + (0.5) (67.5 טור) + (0.25) (740 טור) = 223.25 טור.