Jak obliczyć ciśnienie pary

Gdy znajdujesz się w obecności wody, która zaczyna się gotować, głównym problemem dotyczącym bezpieczeństwa najprawdopodobniej nie jest oparzenie ze względu na wysoką temperaturę wody i ulatniającą się parę. Ale być może zauważyłeś coś jeszcze o parze, a nawet o jakimkolwiek rodzaju materii w postaci gazu: nie lubi być przechowywana i będzie „walczyć”, często dość mocno, aby uciec. O zagrożeniu świadczą relacje o wypadkach z wybuchem kotłów parowych.

Kiedy woda lub inna ciecz wrze, w sensie fizycznym, przechodzi przemianę fazową lub zmianę stanu z ciekłego w gazowy. Innymi słowy, ciśnienie pary cieczy zaczyna przekraczać poziom gazu nad nią, zwykle jest to atmosfera ziemska. („Para” to luźny termin oznaczający gaz, np. „para wodna” to H₂O w stanie gazowym.)

Ciało stałe może również przejść bezpośrednio w stan gazowy, całkowicie „omijając” stan ciekły w procesie znanym jako sublimacja. W tym przypadku podstawowa przyczyna przemiany fazowej jest taka sama: ciała stałe mają własną prężność pary iw pewnych warunkach wartość tego ciśnienia może przekraczać ciśnienie atmosferyczne. Częściej jednak ciała stałe przechodzą w ciecze.

Na Ziemi w warunkach naturalnych materia występuje w jednym z trzech stanów: stałym, ciekłym lub gazowym. Dla każdej substancji fazy te reprezentują kolejne wzrosty średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji, odzwierciedlone w rosnącej temperaturze. Jednak niektóre substancje istnieją jako gazy w temperaturze pokojowej, podczas gdy inne są cieczami, a jeszcze inne są ciałami stałymi; jest to wynikiem łatwiejszego oddzielenia niektórych cząsteczek w substancji przez dany wkład energii cieplnej (ciepła).

Każdy pierwiastek i cząsteczka istnieje jako ciało stałe w temperaturze 0 K lub zera absolutnego (około –273°C). Struktura materii w bardzo niskich temperaturach to stała sieć krystaliczna. Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki, skutecznie unieruchomione, są w stanie wystarczająco wibrować energia do uwolnienia się z sieci, a kiedy dzieje się to w całej substancji, substancja znajduje się w cieczy stan.

W stanie ciekłym materia przyjmuje kształt swojego pojemnika, ale w granicach grawitacji. Gdy energia kinetyczna wzrasta jeszcze bardziej, cząsteczki zaczynają uciekać interfejs powietrze-ciecz i wejść w stan gazowy, gdzie jedyną rzeczą ograniczającą kształt gazu jest pojemnik ograniczający ruch wysokoenergetycznych cząsteczek.

Kiedy obserwujesz garnek z wodą o temperaturze pokojowej, może to nie być widoczne, ale niektóre cząsteczki wody przemykają mniej więcej nad powierzchnią wody, z równą (i bardzo małą) liczbą powracającą w tym samym czasie do fazy wodnej czas. Układ jest zatem w równowadze, a ciśnienie pary wytworzone przez minimalne ucieczkę H₂Cząsteczki O to równowagowa prężność pary wodnej.

Jak zobaczysz, różne substancje w stanie ciekłym mają różne charakterystyczne poziomy prężności pary P_para w temperaturze pokojowej, przy czym wartość ta zależy od charakteru sił międzycząsteczkowych między cząsteczkami w cieczy. Na przykład substancje, które mają słabsze siły międzycząsteczkowe, takie jak wiązania wodorowe, będą miały wyższy poziom równowagi P_para ponieważ cząsteczki łatwiej wydostają się z cieczy.

Jeśli jednak warunki równowagi zostaną zakłócone przez dodanie ciepła, ciśnienie pary cieczy wzrasta do ciśnienia atmosferycznego (101,3 kilopaskala, 1 atm lub 762 tor). Gdyby wartość prężności pary nie była zależna od temperatury, trudno byłoby doprowadzić do wrzenia lub odparowania jakichkolwiek cieczy (lub ciał stałych), zwłaszcza tych o wysokich wartościach wewnętrznej prężności pary.

Po dodaniu do cieczy wystarczającej ilości ciepła, aby doprowadzić ciśnienie pary do poziomu ciśnienia atmosferycznego, ciecz zaczyna wrzeć. Ile ciepła należy dodać, zależy od właściwości substancji. Ale co, jeśli ta substancja nie jest czystą wodą, ale roztworem, w którym stała substancja jest rozpuszczona w cieczy, takiej jak woda?

Dodanie substancji rozpuszczonej zazwyczaj ma wpływ na wiele parametrów cieczy, w tym na jej temperaturę wrzenia i topnienia (tj. zamarzanie). Parametry, na które wpływa stężenie substancji rozpuszczonej, są znane jako właściwości koligatywne („związane z połączeniem”). Prężność par jest obniżana przez dodanie substancji rozpuszczonej, a stopień, w jakim to następuje, zależy od ilości dodanej substancji rozpuszczonej i ostatecznie od stosunku molowego substancji rozpuszczonej do rozpuszczalnika.

• Co obniża prężność pary wpływa na temperaturę wrzenia roztworu? Kiedy myślisz o matematyce, oznacza to, że ciecz będzie miała wtedy większą różnicę między własną prężnością pary a ciśnieniem atmosferycznym i będziesz potrzebować więcej ciepła, aby zagotować. Dlatego jego temperatura wrzenia jest podwyższona o pewną ilość.

Równanie zainteresowania w tych sytuacjach, które zobaczysz poniżej, jest formą tego, co jest znane jako Prawo Raoulta: P_całkowity=∑P_jaX_ja. Tutaj P_całkowity jest prężnością par roztworu jako całości, a prawa strona przedstawia sumę iloczynów poszczególnych prężności par i ułamki molowe substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika.

Ponieważ woda jest wszechobecną cieczą i rozpuszczalnikiem, warto bardziej szczegółowo zbadać czynniki, które determinują jej równanie prężności pary.

Woda ma P_para 0,031 atm lub mniej niż 1/30 ciśnienia atmosferycznego. To pomaga wyjaśnić jego stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia dla tak prostej cząsteczki; tę niską wartość z kolei wyjaśniają wiązania wodorowe między atomami tlenu i atomami wodoru na sąsiednich cząsteczkach (są to siły międzycząsteczkowe, a nie prawdziwe wiązania chemiczne).

Po podgrzaniu z temperatury pokojowej (około 25 °C) do około 60 °C ciśnienie pary wodnej wzrasta tylko nieznacznie. Następnie zaczyna gwałtowniej rosnąć, zanim osiągnie wartość 1 atm przy 100 °C (z definicji).

Teraz nadszedł czas, abyś zobaczył, jak działa prawo Raoulta. Gdy podchodzisz do tych problemów, pamiętaj, że zawsze możesz wyszukać wartości P_para dla poszczególnych substancji.

Roztwór zawiera mieszaninę 1 mola (mol) H₂O, 2 mole etanolu (C₂H₅OH) i 1 mol aldehydu octowego (CH₃CHO) o 293 K. Jaka jest całkowita prężność par tego rozwiązania? Uwaga: Ciśnienia cząstkowe tych substancji w temperaturze pokojowej wynoszą odpowiednio 18 tor, 67,5 tor i 740 tor.

Najpierw skonfiguruj swoje równanie. Z góry masz

P_całkowity = P_coX_co + P_etiX_eti + P_asX_as

Ułamki molowe odpowiednich substancji to liczba moli każdej z nich podzielona przez całkowitą liczbę moli substancji w roztworze, co wynosi 1 + 2 + 1 = 4. W ten sposób masz X_co = 1/4 - 0,25, X_eti = 2/4 = 0,5 i X_as = 1/4 = 0.25. (Zauważ, że suma ułamków molowych musi zawsze wynosić dokładnie 1.) Teraz jesteś gotowy do podłączenia podanego wartości dla poszczególnych prężności par i obliczyć całkowitą prężność par mieszaniny rozwiązania:

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