Cum se calculează presiunea de vapori

Când sunteți în prezența apei care începe să fiarbă, principalul dvs. motiv de siguranță este cel mai probabil să nu fie opărit din cauza temperaturii ridicate a apei și a aburului care scapă. Dar este posibil să fi observat altceva despre abur sau, de altfel, orice tip de materie sub formă de gaz: nu-i place să fie conținută și va „lupta”, adesea destul de puternic, pentru a scăpa. Conturile accidentelor care implică explozia cazanelor de abur au ascultat această amenințare.

Când apa sau un alt lichid fierbe, din punct de vedere fizic, acesta suferă o tranziție de fază sau o schimbare de stare de la lichid la gaz. Altfel spus, presiunea de vapori a lichidului a început să o depășească pe cea a gazului de deasupra acestuia, de obicei atmosfera Pământului. („Vapor” este un termen liber care înseamnă gaz, de exemplu, „vapori de apă” este H₂O în stare gazoasă.)

Solidul poate, de asemenea, intra direct în starea gazoasă, „ocolind” starea lichidă într-un proces cunoscut sub numele de sublimare

Pe Pământ, în condiții naturale, materia există în una din cele trei stări: solidă, lichidă sau gazoasă. Pentru oricare substanță, aceste faze reprezintă creșteri secvențiale ale energiei cinetice medii a moleculelor substanței, reflectată în creșterea temperaturii. Unele substanțe, totuși, există ca gaze la temperatura camerei, în timp ce altele sunt lichide, iar altele sunt solide; acesta este rezultatul faptului că unele molecule sunt mai ușor separate într-o substanță printr-un anumit aport de energie termică (căldură).

Fiecare element și moleculă există ca un solid la 0 K sau zero absolut (aproximativ –273 ° C). Structura materiei la temperaturi foarte scăzute este o rețea cristalină solidă. Pe măsură ce temperatura crește, moleculele, blocate efectiv în loc, sunt capabile să vibreze cu suficient energie pentru a se elibera de rețea și, atunci când acest lucru se întâmplă la nivelul întregii substanțe, substanța se află în lichid stat.

În stare lichidă, materia își asumă forma recipientului, dar în limitele gravitației. Când energia cinetică crește și mai mult, moleculele încep să scape de interfață aer-lichid și intră în starea gazoasă, unde singurul lucru care limitează forma gazului este containerul care limitează mișcarea moleculelor cu energie ridicată.

Când observați o oală de apă la temperatura camerei, este posibil să nu fie evidentă, dar unele molecule de apă flutură aproximativ deasupra suprafeței apei, cu un număr egal (și foarte mic) care revine în aceeași fază a apei timp. Prin urmare, sistemul este în echilibru, iar presiunea vaporilor creați prin scăderea minimă a lui H₂Moleculele O reprezintă presiunea de vapori de echilibru a apei.

După cum veți vedea, diferite substanțe în stare lichidă au niveluri caracteristice diferite ale presiunii de vapori P_vapori la temperatura camerei, cu această valoare în funcție de natura forțelor intermoleculare dintre moleculele din lichid. De exemplu, substanțele care au forțe intermoleculare mai slabe, cum ar fi legăturile de hidrogen, vor avea niveluri mai ridicate de echilibru P_vapori deoarece este mai ușor ca moleculele să se elibereze de lichid.

Dacă condițiile de echilibru sunt perturbate prin adăugarea de căldură, totuși, presiunea de vapori a lichidului crește spre presiunea atmosferică (101,3 kilopascal, 1 atm sau 762 torr). Dacă valoarea presiunii vaporilor nu ar fi dependentă de temperatură, ar fi dificil să obțineți lichide (sau solide) să fiarbă sau să se evapore, în special cele cu valori inerente ale presiunii vaporilor.

Odată ce se adaugă suficientă căldură unui lichid pentru a-și conduce presiunea de vapori la nivelul presiunii atmosferice, lichidul începe să fiarbă. Cât de multă căldură trebuie adăugată depinde de caracteristicile substanței. Dar dacă substanța nu este apă pură, ci o soluție în care o substanță solidă este dizolvată într-un lichid, cum ar fi apa?

Adăugarea de substanță dizolvată are de obicei efecte asupra multora dintre parametrii unui lichid, inclusiv punctele sale de fierbere și topire (adică de îngheț). Parametrii afectați de concentrația solutului sunt cunoscuți ca proprietăți coligative („legate de conexiune”). Presiunea vaporilor este redusă prin adăugarea de substanță dizolvată, iar măsura în care aceasta apare depinde de cantitatea de substanță dizolvată adăugată și, în cele din urmă, de raportul molar dintre substanță dizolvată și solvent.

• Ce face scăderea presiunii vaporilor la punctul de fierbere al unei soluții? Când vă gândiți la matematică, înseamnă că lichidul va avea apoi un decalaj mai mare între propria presiune de vapori și presiunea atmosferică și veți avea nevoie de mai multă căldură adăugată pentru a-l fierbe. Prin urmare, punctul său de fierbere este crescut cu o anumită cantitate.

Ecuația interesului pentru aceste situații, pe care o veți vedea demonstrată mai jos, este o formă a ceea ce este cunoscut sub numele de Legea lui Raoult: P_total= ∑P_euX_eu. Aici P_total este presiunea de vapori a soluției ca întreg, iar partea dreaptă reprezintă suma produselor presiunilor de vapori individuale și fracțiuni molare a solutului și solventului.

Deoarece apa este un lichid și un solvent omniprezent, merită să investigăm mai detaliat factorii care determină ecuația presiunii sale de vapori.

Apa are un P_vapori de 0,031 atm sau mai puțin de 1/30 din presiunea atmosferică. Acest lucru ajută la explicarea punctului său de fierbere relativ ridicat pentru o moleculă atât de simplă; această valoare scăzută, la rândul său, se explică prin legăturile de hidrogen dintre atomii de oxigen și atomii de hidrogen de pe moleculele adiacente (acestea sunt forțe intermoleculare, nu adevărate legături chimice).

Când este încălzit de la temperatura camerei (aproximativ 25 ° C) până la aproximativ 60 ° C, presiunea de vapori a apei crește doar ușor. Apoi începe să crească mai brusc înainte de a atinge o valoare de 1 atm la 100 ° C (prin definiție).

Acum, este timpul să vedeți legea lui Raoult în acțiune. În timp ce abordați aceste probleme, știți că puteți căuta mereu valori pentru P_vapori pentru anumite substanțe.

O soluție conține un amestec de 1 mol (mol) H₂O, 2 moli etanol (C₂H₅OH), și 1 mol acetaldehidă (CH₃CHO) la 293 K. Care este presiunea totală a vaporilor acestei soluții? Notă: Presiunile parțiale ale acestor substanțe la temperatura camerei sunt 18 torr, respectiv 67,5 torr și respectiv 740 torr.

Mai întâi, configurați-vă ecuația. De sus, ai

P_total = P_watX_wat + P_etX_et + P_asX_as

Fracțiile molare ale substanțelor respective sunt numărul de moli din fiecare împărțit la numărul total de moli de substanță din soluție, care este 1 + 2 + 1 = 4. Astfel ai X_wat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 și X_as = 1/4 = 0.25. (Rețineți că suma fracțiilor molare trebuie să fie întotdeauna exact 1.) Acum, sunteți gata să conectați datele date valori pentru presiunile de vapori individuale și rezolvați pentru presiunea totală a vaporilor din amestecul de soluții:

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