Kaip apskaičiuoti garų slėgį

Kai esate vandenyje, kuris pradeda virti, greičiausiai jūsų pagrindinis rūpestis dėl saugumo nėra dėl aukštos vandens temperatūros ir ištekančių garų. Bet jūs galbūt pastebėjote ką nors kita apie garą arba šiuo klausimu bet kokią medžiagą dujų pavidalu: ji nemėgsta būti sulaikyta ir „kovos“, dažnai gana stipriai, norėdama pabėgti. Įspėjimai apie avarijas, susijusias su sprogusiais garo katilais, išklauso šią grėsmę.

Kai vanduo ar kitas skystis užverda, fizine prasme jis pereina fazę arba keičiasi iš skysčio į dujas. Kitaip tariant garų slėgis skysčio pradėjo viršyti virš jo esančių dujų, paprastai Žemės atmosferos, kiekį. („Garai“ yra laisvas terminas, reiškiantis dujas, pvz., „Vandens garai“ yra H₂O dujinėje būsenoje.)

Kieta medžiaga taip pat gali tiesiogiai patekti į dujinę būseną, „apeinant“ skystą būseną procese, vadinamame sublimacija. Šiuo atveju pagrindinė fazių perėjimo priežastis yra ta pati: kietosios medžiagos turi savo garų slėgį, o esant tam tikroms sąlygoms šio slėgio vertė gali viršyti atmosferos slėgį. Tačiau dažniau kietosios medžiagos pereina į skysčius.

Natūraliomis sąlygomis Žemėje medžiaga yra vienoje iš trijų būsenų: kietos, skystos arba dujinės. Bet kuriai medžiagai šios fazės reiškia nuoseklų medžiagos molekulių vidutinės kinetinės energijos padidėjimą, atsispindintį kylančioje temperatūroje. Kai kurios medžiagos kambario temperatūroje egzistuoja kaip dujos, o kitos yra skysčiai, o kitos - kietosios medžiagos; tai yra rezultatas, kai kai kurios molekulės yra lengviau atskiriamos medžiagoje tam tikra šilumos energijos (šilumos) sąnaudomis.

Kiekvienas elementas ir molekulė egzistuoja kaip kietosios medžiagos 0 K temperatūroje arba absoliutus nulis (apie –273 ° C). Medžiagos struktūra esant labai žemai temperatūrai yra kieta kristalinė gardelė. Didėjant temperatūrai, molekulės, veiksmingai užfiksuotos vietoje, sugeba vibruoti pakankamai energijos išsivaduoti iš grotelių, o kai tai vyksta visos medžiagos mastu, medžiaga yra skystyje valstija.

Skystoje būsenoje medžiaga įgauna savo indo formą, tačiau neviršija sunkio jėgos ribų. Kai kinetinė energija dar labiau padidėja, molekulės pradeda bėgti oro ir skysčio sąsaja ir patekti į dujinę būseną, kur vienintelis dalykas, ribojantis dujų formą, yra indas, ribojantis didelės energijos molekulių judėjimą.

Stebint puodą su vandeniu kambario temperatūroje, tai gali būti neaišku, tačiau kai kurios vandens molekulės bėga maždaug virš vandens paviršiaus, vienodas (ir labai mažas) skaičius tuo pačiu metu grįžta į vandens fazę laikas. Todėl sistema yra pusiausvyroje, o garų slėgis susidaro dėl minimalaus H išsiskyrimo₂O molekulės yra pusiausvyrinis vandens garų slėgis.

Kaip pamatysite, skirtingos skysčio būsenos medžiagos pasižymi skirtingais garų slėgio P lygiais_garai kambario temperatūroje, ši vertė priklauso nuo tarpmolekulinių jėgų tarp skysčio molekulių pobūdžio. Pavyzdžiui, medžiagų, turinčių silpnesnes tarpmolekulines jėgas, pavyzdžiui, vandenilio jungtys, pusiausvyros P_garai nes molekulėms lengviau išsivaduoti iš skysčio.

Jei pusiausvyros sąlygos sutrinka pridėjus šilumos, skysčio garų slėgis kyla link atmosferos slėgio (101,3 kilopascal, 1 atm arba 762 torr). Jei garų slėgio vertė nepriklausytų nuo temperatūros, būtų sunku priversti užvirti ar išgaruoti skysčius (ar kietąsias medžiagas), ypač tuos, kurių garų slėgio vertės yra didelės.

Kai skysčiui pridedama pakankamai šilumos, kad jo garų slėgis pasiektų atmosferos slėgio lygį, skystis pradeda virti. Kiek reikia pridėti šilumos, priklauso nuo medžiagos savybių. Bet ką daryti, jei medžiaga yra ne grynas vanduo, o tirpalas, kuriame kieta medžiaga ištirpsta skystyje, pavyzdžiui, vandenyje?

Tirpalo pridėjimas paprastai turi įtakos daugeliui skysčio parametrų, įskaitant jo virimo ir lydymosi (t. Y. Užšalimo) taškus. Tirpalų koncentracijos paveikti parametrai yra žinomi kaip koligatyvinės (su ryšiu susijusios) savybės. Garų slėgis mažinamas pridedant ištirpusios medžiagos, o tai, kiek tai įvyksta, priklauso nuo pridėto tirpalo kiekio ir galiausiai ištirpusios medžiagos ir tirpiklio molinio santykio.

• Ką daro garų slėgio sumažinimas iki tirpalo virimo temperatūros? Kai galvojate apie matematiką, tai reiškia, kad tada skysčio tarpas tarp savo garų slėgio ir atmosferos slėgio bus didesnis, ir jums reikės daugiau šilumos, kad jis užvirtų. Todėl jo virimo temperatūra šiek tiek padidėja.

Šiose situacijose susidomėjimo lygtis, kurią pamatysite toliau, yra tai, kas vadinama Raulo dėsnis: P_viso= ∑P_iX_i. Čia P_viso yra viso tirpalo garų slėgis, o dešinioji pusė rodo atskirų garų slėgių produktų sumą ir apgamų frakcijos tirpinio ir tirpiklio.

Kadangi vanduo yra visur esantis skystis ir tirpiklis, verta išsamiau ištirti veiksnius, lemiančius jo garų slėgio lygtį.

Vanduo turi P_garai arba mažiau nei 1/30 atmosferos slėgio. Tai padeda paaiškinti jos gana aukštą tokios paprastos molekulės virimo temperatūrą; ši maža vertė savo ruožtu paaiškinama vandenilio jungtimis tarp deguonies atomų ir vandenilio atomų gretimose molekulėse (tai yra tarpmolekulinės jėgos, o ne tikrosios cheminės jungtys).

Šildant nuo kambario temperatūros (apie 25 ° C) iki maždaug 60 ° C, vandens garų slėgis pakyla tik nežymiai. Tada jis pradeda staigiau kilti, kol pasiekia 1 atm 100 ° C temperatūroje vertę (pagal apibrėžimą).

Dabar atėjo laikas pamatyti, kaip veikia Raoulto įstatymas. Kreipdamiesi į šias problemas žinokite, kad visada galite ieškoti P reikšmių_garai tam tikroms medžiagoms.

Tirpale yra 1 mol (mol) H mišinys₂O, 2 mol etanolio (C₂H₅OH) ir 1 mol acetaldehido (CH₃CHO) 293 K. Koks yra bendras šio tirpalo garų slėgis? Pastaba: Dalinis šių medžiagų slėgis kambario temperatūroje yra atitinkamai 18, 67,5 ir 740 torr.

Pirmiausia nustatykite savo lygtį. Iš viršaus jūs turite

P_viso = P_vatX_vat + P_etX_et + P_asasX_asas

Atitinkamų medžiagų molinės frakcijos yra kiekvienos molių skaičius, padalytas iš bendro medžiagos molio tirpale, kuris yra 1 + 2 + 1 = 4. Taigi jūs turite X_vat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 ir X_asas = 1/4 = 0.25. (Atkreipkite dėmesį, kad apgamų dalių suma visada turi būti tiksliai 1). Dabar esate pasirengę prijungti pateiktą atskirų garų slėgio vertės ir išspręskite bendrą mišinio garų slėgį sprendimai:

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