Hvordan beregne damptrykk

Når du er i nærvær av vann som begynner å koke, blir ditt viktigste sikkerhetsproblem sannsynligvis ikke skoldet på grunn av den høye temperaturen på vannet og dampen som renner ut. Men du har kanskje lagt merke til noe annet om damp, eller for den saks skyld, hvilken som helst type materie i form av gass: Det liker ikke å være inneholdt, og vil "slåss" ofte ganske kraftig for å unnslippe. Konti av ulykker som involverer eksploderende dampkjeler lytter til denne trusselen.

Når vann eller annen væske koker, gjennomgår det en fysisk overgang eller endring av tilstand fra væske til gass. Sagt på en annen måte, den damptrykk av væsken har begynt å overstige den for gassen over den, vanligvis jordens atmosfære. ("Damp" er et løst begrep som betyr gass, f.eks. "Vanndamp" er H₂O i gassform.)

Fast stoff kan også komme inn i gassformen direkte, "omgå" væsketilstanden helt i en prosess kjent som sublimering. I dette tilfellet er den underliggende årsaken til faseovergangen den samme: Tørrstoffer har sitt eget damptrykk, og under visse forhold kan verdien av dette trykket overstige atmosfæretrykket. Men oftere overgår faste stoffer til væsker.

På jorden, under naturlige forhold, eksisterer materie i en av tre tilstander: fast, væske eller gass. For ethvert stoff representerer disse fasene sekvensiell økning i den gjennomsnittlige kinetiske energien til stoffets molekyler, reflektert i økende temperatur. Noen stoffer eksisterer imidlertid som gasser ved romtemperatur, mens andre er væsker, og igjen andre er faste stoffer; Dette er resultatet av at noen molekyler lettere skilles i et stoff med en gitt tilførsel av termisk energi (varme).

Hvert grunnstoff og molekyl eksisterer som et fast stoff ved 0 K, eller absolutt null (ca. –273 ° C). Stoffets struktur ved svært lave temperaturer er et fast krystallinsk gitter. Når temperaturen øker, er molekylene, effektivt låst på plass, i stand til å vibrere med nok energi for å bryte seg fri fra gitteret, og når dette skjer stoffomfattende, er stoffet i væsken stat.

I flytende tilstand antar materie formen på beholderen, men innenfor gravitasjonsgrensene. Når kinetisk energi øker enda mer, begynner molekyler å unnslippe luft-væske grensesnitt og gå inn i gassform, der det eneste som begrenser gassformen, er beholderen som begrenser bevegelsen til høyenergimolekylene.

Når du ser en gryte med vann ved romtemperatur, er det kanskje ikke tydelig, men noen vannmolekyler flirter omtrent over vannoverflaten, med et likt (og veldig lite) antall som går tilbake til vannfasen samtidig tid. Systemet er derfor i likevekt, og damptrykket skapt ved minimal rømning av H₂O-molekyler er likevektsdamptrykket til vann.

Som du vil se, har forskjellige stoffer i flytende tilstand forskjellige karakteristiske nivåer av damptrykk P_damp ved romtemperatur, med denne verdien avhengig av arten av de intermolekylære kreftene mellom molekylene i væsken. For eksempel vil stoffer som har svakere intermolekylære krefter, som hydrogenbindinger, ha høyere nivåer av likevekt P_damp fordi det er lettere for molekyler å bryte seg løs fra væsken.

Hvis likevektsforhold forstyrres ved tilsetning av varme, stiger imidlertid væskens damptrykk mot atmosfæretrykk (101,3 kilopascal, 1 atm eller 762 torr). Hvis verdien av damptrykk ikke var temperaturavhengig, ville det være vanskelig å få væsker (eller faste stoffer) til å koke eller fordampe, spesielt de med høye iboende damptrykkverdier.

Når det er tilført nok varme til en væske for å drive damptrykket til nivået av atmosfæretrykket, begynner væsken å koke. Hvor mye varme som må tilsettes, avhenger av stoffets egenskaper. Men hva om stoffet ikke er rent vann, men i stedet en løsning der et fast stoff er oppløst i en væske som vann?

Tilsetningen av oppløst stoff har typisk effekter på mange av parametrene til en væske, inkludert kokepunktene og smeltepunktene (dvs. frysepunktene). Parametrene som påvirkes av konsentrasjonen av løsemiddel er kjent som kolligative ("forbindelsesrelaterte") egenskaper. Damptrykket senkes ved tilsetning av løsemiddel, og i hvilken grad dette skjer avhenger av mengden tilsatt løsemiddel og til slutt molforholdet mellom løsemiddel og løsemiddel.

• Hva gjør senking av damptrykk med oppløsningens kokepunkt? Når du tenker på matematikken, betyr det at væsken da vil ha et større gap mellom sitt eget damptrykk og atmosfæretrykk, og du trenger mer varme tilsatt for å få det til å koke. Kokepunktet økes derfor med en viss mengde.

Ligningen av interesse i disse situasjonene, som du vil se demonstrert nedenfor, er en form for det som er kjent som Raoults lov: P_Total= ∑P_JegX_Jeg. Her P_Total er damptrykket til løsningen som helhet, og høyre side representerer summen av produktene til de enkelte damptrykk og molfraksjoner av løsemidlet og løsningsmidlet.

Siden vann er en allestedsnærværende væske og løsningsmiddel, er det verdt å undersøke faktorene som bestemmer damptrykksligningen nærmere.

Vann har en P_damp på 0,031 atm, eller mindre enn 1/30 av atmosfæretrykket. Dette hjelper til med å forklare det relativt høye kokepunktet for et så enkelt molekyl; denne lave verdien forklares i sin tur av hydrogenbindinger mellom oksygenatomer og hydrogenatomer på tilstøtende molekyler (dette er intermolekylære krefter, ikke sanne kjemiske bindinger).

Ved oppvarming fra romtemperatur (ca. 25 ° C) til ca. 60 ° C, stiger damptrykket til vannet bare litt. Deretter begynner den å stige skarpere før den når en verdi på 1 atm ved 100 ° C (per definisjon).

Nå er det på tide at du ser Raoults lov i aksjon. Vet når du nærmer deg disse problemene at du alltid kan slå opp verdier for P_damp for bestemte stoffer.

En løsning inneholder en blanding av 1 mol (mol) H₂O, 2 mol etanol (C₂H₅OH) og 1 mol acetaldehyd (CH₃CHO) ved 293 K. Hva er det totale damptrykket til denne løsningen? Merk: Deltrykket til disse stoffene ved romtemperatur er henholdsvis 18 torr, 67,5 torr og 740 torr.

Sett først opp ligningen. Ovenfra har du

P_Total = P_watX_wat + P_ethX_eth + P_essX_ess

Molfraksjonene av de respektive stoffene er antall mol av hver delt på det totale mol stoffet i løsningen, som er 1 + 2 + 1 = 4. Dermed har du X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 og X_ess = 1/4 = 0.25. (Merk at summen av molfraksjonene alltid må være nøyaktig 1.) Nå er du klar til å koble til det gitte verdier for de enkelte damptrykk og løse for det totale damptrykket til blandingen av løsninger:

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