Hoe de dampdruk te berekenen

Wanneer u in de buurt bent van water dat begint te koken, is uw belangrijkste veiligheidsprobleem hoogstwaarschijnlijk dat u zich niet verbrandt vanwege de hoge temperatuur van het water en de ontsnappende stoom. Maar je hebt misschien iets anders opgemerkt over stoom, of wat dat betreft, elk type materie in de vorm van gas: het houdt er niet van om ingesloten te worden en zal "vechten", vaak behoorlijk krachtig, om te ontsnappen. Verslagen van ongevallen met ontploffende stoomketels luisteren naar deze dreiging.

Wanneer water of een andere vloeistof kookt, ondergaat het in fysische termen een faseovergang of toestandsverandering van vloeistof naar gas. Anders gezegd, de dampdruk van de vloeistof begint die van het gas erboven, meestal de aardatmosfeer, te overtreffen. ("Damp" is een losse term die gas betekent, bijvoorbeeld "waterdamp" is H₂O in gasvormige toestand.)

Vaste stof kan ook rechtstreeks de gasvormige toestand binnengaan, waarbij de vloeibare toestand volledig wordt "omzeild" in een proces dat bekend staat als:

Op aarde bestaat materie onder natuurlijke omstandigheden in een van de drie toestanden: vast, vloeibaar of gas. Voor elke stof vertegenwoordigen deze fasen opeenvolgende verhogingen van de gemiddelde kinetische energie van de moleculen van de stof, weerspiegeld in toenemende temperatuur. Sommige stoffen bestaan ​​echter als gassen bij kamertemperatuur, terwijl andere vloeistoffen zijn en weer andere vaste stoffen; dit is het gevolg van het feit dat sommige moleculen gemakkelijker worden gescheiden in een stof door een bepaalde invoer van thermische energie (warmte).

Elk element en molecuul bestaat als een vaste stof bij 0 K, of het absolute nulpunt (ongeveer –273 °C). De structuur van materie bij zeer lage temperaturen is een vast kristalrooster. Naarmate de temperatuur stijgt, kunnen de moleculen, effectief op hun plaats opgesloten, voldoende trillen energie om los te komen van het rooster, en wanneer dit substantie-breed gebeurt, is de substantie in de vloeistof staat.

In vloeibare toestand neemt materie de vorm aan van zijn container, maar binnen de grenzen van de zwaartekracht. Wanneer de kinetische energie nog meer toeneemt, beginnen moleculen te ontsnappen aan de lucht-vloeistof interface en ga de gasvormige toestand binnen, waar het enige dat de vorm van het gas beperkt, de container is die de beweging van de hoogenergetische moleculen beperkt.

Wanneer je een pot water op kamertemperatuur ziet, is het misschien niet duidelijk, maar sommige watermoleculen fladderen ongeveer boven het wateroppervlak, met een gelijk (en zeer klein) aantal dat tegelijkertijd terugkeert naar de waterfase tijd. Het systeem is dus in evenwicht en de dampdruk die ontstaat door de minimale ontsnapping van H₂O-moleculen is de evenwichtsdampdruk van water.

Zoals u zult zien, hebben verschillende stoffen in vloeibare toestand verschillende karakteristieke dampdrukniveaus P_damp bij kamertemperatuur, waarbij deze waarde afhankelijk is van de aard van de intermoleculaire krachten tussen moleculen in de vloeistof. Stoffen met zwakkere intermoleculaire krachten, zoals waterstofbruggen, hebben bijvoorbeeld hogere evenwichtsniveaus P_damp omdat het voor moleculen gemakkelijker is om los te komen van de vloeistof.

Als de evenwichtsomstandigheden echter worden verstoord door de toevoeging van warmte, stijgt de dampdruk van de vloeistof naar atmosferische druk (101,3 kilopascal, 1 atm of 762 torr). Als de waarde van de dampdruk niet temperatuurafhankelijk zou zijn, zou het moeilijk zijn om vloeistoffen (of vaste stoffen) aan de kook te brengen of te laten verdampen, vooral die met hoge inherente dampdrukwaarden.

Zodra er voldoende warmte aan een vloeistof is toegevoegd om de dampdruk naar het niveau van atmosferische druk te brengen, begint de vloeistof te koken. Hoeveel warmte moet worden toegevoegd, hangt af van de eigenschappen van de stof. Maar wat als de stof geen zuiver water is, maar een oplossing waarin een vaste stof is opgelost in een vloeistof zoals water?

De toevoeging van opgeloste stof heeft typisch effecten op veel van de parameters van een vloeistof, inclusief de kook- en smeltpunten (d.w.z. vriespunten). De parameters die worden beïnvloed door de concentratie van opgeloste stoffen staan ​​bekend als colligatieve ("verbindingsgerelateerde") eigenschappen. Dampdruk wordt verlaagd door de toevoeging van opgeloste stof, en de mate waarin dit gebeurt, hangt af van de hoeveelheid toegevoegde opgeloste stof en uiteindelijk de molaire verhouding van opgeloste stof tot oplosmiddel.

• Wat doet het verlagen van de dampdruk met het kookpunt van een oplossing? Als je nadenkt over de wiskunde, betekent dit dat de vloeistof dan een grotere opening heeft tussen zijn eigen dampdruk en atmosferische druk, en dat je meer warmte nodig hebt om hem aan de kook te brengen. Het kookpunt wordt daarom met een bepaalde hoeveelheid verhoogd.

De vergelijking die van belang is in deze situaties, die u hieronder zult zien gedemonstreerd, is een vorm van wat bekend staat als wet van Raoult: P_totaal=∑P_ikX_ik. Hier P_totaal is de dampdruk van de oplossing als geheel, en de rechterkant vertegenwoordigt de som van de producten van de individuele dampdrukken en molfracties van de opgeloste stof en het oplosmiddel.

Aangezien water een alomtegenwoordige vloeistof en oplosmiddel is, is het de moeite waard om de factoren die de dampdrukvergelijking bepalen in meer detail te onderzoeken.

Water heeft een P_damp van 0,031 atm, of minder dan 1/30ste van de atmosferische druk. Dit helpt het relatief hoge kookpunt voor zo'n eenvoudig molecuul te verklaren; deze lage waarde wordt op zijn beurt verklaard door de waterstofbruggen tussen zuurstofatomen en waterstofatomen op aangrenzende moleculen (dit zijn intermoleculaire krachten, geen echte chemische bindingen).

Bij verhitting van kamertemperatuur (ongeveer 25 °C) tot ongeveer 60 °C stijgt de dampdruk van water slechts licht. Het begint dan sterker te stijgen voordat het (per definitie) een waarde van 1 atm bij 100 °C bereikt.

Nu is het tijd om de wet van Raoult in actie te zien. Weet wanneer u deze problemen benadert dat u altijd waarden voor P. kunt opzoeken_damp voor bepaalde stoffen.

Een oplossing bevat een mengsel van 1 mol (mol) H₂O, 2 mol ethanol (C₂H₅OH) en 1 mol aceetaldehyde (CH₃CHO) bij 293 K. Wat is de totale dampdruk van deze oplossing? Opmerking: De partiële drukken van deze stoffen bij kamertemperatuur zijn respectievelijk 18 torr, 67,5 torr en 740 torr.

Stel eerst uw vergelijking in. Van bovenaf heb je

P_totaal = P_watX_wat + P_ethX_eth + P_aasX_aas

De molfracties van de respectieve stoffen zijn het aantal mol van elk gedeeld door het totale aantal mol stof in de oplossing, wat 1 + 2 + 1 = 4 is. Dus je hebt X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5, en X_aas = 1/4 = 0.25. (Merk op dat de som van de molfracties altijd precies 1 moet zijn.) Nu ben je klaar om het gegeven in te vullen waarden voor de individuele dampdrukken en los op voor de totale dampdruk van het mengsel van oplossingen:

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