Kā aprēķināt tvaika spiedienu

Atrodoties ūdens vārīšanās temperatūrā, visticamāk, jūsu galvenā drošības problēma, iespējams, netiek applaucēta ūdens augstās temperatūras un izplūstošā tvaika dēļ. Bet jūs, iespējams, esat pamanījis kaut ko citu par tvaiku vai šajā sakarā jebkura veida vielu gāzes formā: tas nepatīk, ja to ierobežo, un, lai izvairītos, viņš "cīnīsies", bieži vien diezgan spēcīgi. Pārskati par negadījumiem, kas saistīti ar eksplodējošiem tvaika katliem, uzklausa šos draudus.

Kad fiziski vārās ūdens vai cits šķidrums, tam notiek fāzes pāreja vai stāvokļa maiņa no šķidruma uz gāzi. Citādi sakot, tvaika spiediens šķidruma ir sācis pārsniegt gāzes daudzumu virs tās, parasti Zemes atmosfērā. ("Tvaiki" ir brīvs termins, kas nozīmē gāzi, piemēram, "ūdens tvaiki" ir H₂O gāzveida stāvoklī.)

Cieta viela arī var tieši nonākt gāzveida stāvoklī, "apejot" šķidro stāvokli vispār procesā, kas pazīstams kā sublimācija. Šajā gadījumā fāzes pārejas pamatā ir viens un tas pats: cietajām vielām ir savs tvaika spiediens, un noteiktos apstākļos šī spiediena vērtība var pārsniegt atmosfēras spiedienu. Bet biežāk cietās vielas pāriet šķidrumos.

Uz Zemes dabiskos apstākļos matērija eksistē vienā no trim stāvokļiem: cietā, šķidrā vai gāzveida. Jebkurai vienai vielai šīs fāzes apzīmē vielas molekulu vidējās kinētiskās enerģijas secīgu pieaugumu, kas atspoguļojas temperatūras pieaugumā. Dažas vielas istabas temperatūrā pastāv kā gāzes, turpretī citas ir šķidrumi, bet citas - cietas vielas; tas ir rezultāts tam, ka dažas molekulas vielā vieglāk atdala ar noteiktu siltumenerģijas (siltuma) ievadi.

Katrs elements un molekula pastāv kā cietviela 0 K temperatūrā vai absolūtā nulle (apmēram –273 ° C). Vielas struktūra ļoti zemās temperatūrās ir ciets kristālisks režģis. Palielinoties temperatūrai, molekulas, efektīvi bloķētas vietā, spēj vibrēt ar pietiekamu daudzumu enerģija, lai atbrīvotos no režģa, un, kad tas notiek visas vielas garumā, viela atrodas šķidrumā Valsts.

Šķidrā stāvoklī viela iegūst tās trauka formu, bet smaguma robežās. Kad kinētiskā enerģija vēl vairāk palielinās, molekulas sāk izkļūt no gaisa un šķidruma saskarne un nonāk gāzveida stāvoklī, kur vienīgais, kas ierobežo gāzes formu, ir konteiners, kas ierobežo augstas enerģijas molekulu kustību.

Novērojot ūdens trauku istabas temperatūrā, tas var nebūt skaidrs, bet dažas ūdens molekulas plūst apmēram virs ūdens virsmas, vienāds (un ļoti mazs) skaits vienlaikus atgriežas ūdens fāzē laiks. Tāpēc sistēma ir līdzsvarā, un tvaika spiediens rodas, minimāli izplūstot H₂O molekulas ir līdzsvara ūdens tvaika spiediens.

Kā redzēsiet, dažādām šķidrā stāvoklī esošām vielām ir atšķirīgs raksturīgais tvaika spiediena P līmenis_tvaiki istabas temperatūrā, ar šo vērtību atkarībā no starpmolekulāro spēku rakstura starp šķidrumā esošajām molekulām. Piemēram, vielām, kurām ir vājāki starpmolekulārie spēki, piemēram, ūdeņraža saitēm, būs augstāks līdzsvara P līmenis_tvaiki jo molekulām ir vieglāk atbrīvoties no šķidruma.

Ja līdzsvara apstākļus traucē siltuma pievienošana, šķidruma tvaika spiediens palielinās līdz atmosfēras spiedienam (101,3 kilopascal, 1 atm vai 762 torr). Ja tvaika spiediena vērtība nebūtu atkarīga no temperatūras, būtu grūti panākt, lai šķidrumi (vai cietas vielas) vārītos vai iztvaikotu, jo īpaši tos, kuriem raksturīgas augstas tvaika spiediena vērtības.

Kad šķidrumam ir pievienots pietiekami daudz siltuma, lai tā tvaika spiediens būtu līdz atmosfēras spiediena līmenim, šķidrums sāk vārīties. Cik daudz siltuma jāpievieno, ir atkarīgs no vielas īpašībām. Bet ko tad, ja viela nav tīrs ūdens, bet gan šķīdums, kurā cieta viela tiek izšķīdināta šķidrumā, piemēram, ūdenī?

Izšķīdušās vielas pievienošana parasti ietekmē daudzus šķidruma parametrus, ieskaitot tā viršanas un kušanas (t.i., sasalšanas) punktus. Parametri, kurus ietekmē izšķīdušās vielas koncentrācija, ir pazīstami kā koligatīvas ("saistītas ar savienojumu") īpašības. Tvaika spiedienu pazemina, pievienojot izšķīdušo vielu, un tas, cik tas notiek, ir atkarīgs no pievienotās izšķīdušās vielas daudzuma un galu galā izšķīdušās vielas un šķīdinātāja molārās attiecības.

• Ko tvaika spiediena pazemināšana dara līdz šķīduma viršanas temperatūrai? Kad jūs domājat par matemātiku, tas nozīmē, ka šķidrumam būs lielāka atstarpe starp paša tvaika spiedienu un atmosfēras spiedienu, un jums vajadzēs pievienot vairāk siltuma, lai tas vārītos. Tāpēc tā viršanas temperatūra ir nedaudz palielināta.

Interešu vienādojums šajās situācijās, ko redzēsiet tālāk, ir tā sauktā forma Raula likums: P_Kopā= ∑P_iX_i. Šeit P_Kopā ir šķīduma tvaika spiediens kopumā, un labajā pusē ir atsevišķu tvaika spiedienu reizinājumu summa un molu frakcijas izšķīdušās vielas un šķīdinātāja.

Tā kā ūdens ir visuresošs šķidrums un šķīdinātājs, ir vērts sīkāk izpētīt faktorus, kas nosaka tā tvaika spiediena vienādojumu.

Ūdenim ir P_tvaiki 0,031 atm, vai mazāks par 1/30 atmosfēras spiediena. Tas palīdz izskaidrot tā salīdzinoši augsto viršanas temperatūru tik vienkāršai molekulai; šo zemo vērtību savukārt izskaidro ar ūdeņraža saitēm starp skābekļa atomiem un ūdeņraža atomiem blakus esošajās molekulās (tie ir starpmolekulāri spēki, nevis patiesas ķīmiskās saites).

Sildot no istabas temperatūras (apmēram 25 ° C) līdz aptuveni 60 ° C, ūdens tvaika spiediens tikai nedaudz paaugstinās. Tad tas sāk straujāk pieaugt, pirms sasniedz 1 atm 100 ° C temperatūrā (pēc definīcijas).

Tagad ir pienācis laiks redzēt Raula likumu darbībā. Tuvojoties šīm problēmām, ziniet, ka vienmēr varat meklēt P vērtības_tvaiki konkrētām vielām.

Šķīdums satur 1 mola (mol) H maisījumu₂O, 2 mol etanola (C₂H₅OH) un 1 mol acetaldehīda (CH₃CHO) pie 293 K. Kāds ir šī šķīduma kopējais tvaika spiediens? Piezīme: Šo vielu daļējais spiediens istabas temperatūrā ir attiecīgi 18, 67,5 un 740 torr.

Vispirms iestatiet savu vienādojumu. No augšas jums ir

P_Kopā = P_vatX_vat + P_etX_et + P_dūžsX_dūžs

Attiecīgo vielu molu frakcijas ir katras molu skaits dalīts ar kopējo vielas molu šķīdumā, kas ir 1 + 2 + 1 = 4. Tādējādi jums ir X_vat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 un X_dūžs = 1/4 = 0.25. (Ņemiet vērā, ka molu daļu summai vienmēr jābūt precīzi 1.) Tagad esat gatavs pieslēgt norādīto vērtības atsevišķiem tvaika spiedieniem un atrisina kopējam tvaika spiedienam risinājumi:

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