Как рассчитать давление пара

Когда вы находитесь в присутствии воды, которая начинает закипать, ваша главная забота о безопасности, скорее всего, заключается в том, чтобы не ошпариться из-за высокой температуры воды и выходящего пара. Но вы, возможно, заметили кое-что еще о паре или, если уж на то пошло, о любом типе материи в форме газа: он не любит, когда его сдерживают, и будет «бороться», часто довольно сильно, чтобы вырваться. В отчетах об авариях, связанных с взрывами паровых котлов, учитывается эта угроза.

Физически, когда вода или другая жидкость кипит, она претерпевает фазовый переход или изменение состояния из жидкости в газ. Другими словами, давление газа Жидкость начала превышать газ над ней, обычно это атмосфера Земли. («Пар» - это свободный термин, означающий газ, например, «водяной пар» означает H₂O в газообразном состоянии.)

Твердое тело также может напрямую переходить в газообразное состояние, полностью «минуя» жидкое состояние в процессе, известном как сублимация. В этом случае основная причина фазового перехода та же самая: твердые тела имеют собственное давление пара, и при определенных условиях значение этого давления может превышать атмосферное давление. Но чаще твердые тела переходят в жидкости.

На Земле в естественных условиях материя существует в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном. Для любого вещества эти фазы представляют собой последовательное увеличение средней кинетической энергии молекул вещества, отражающееся в повышении температуры. Некоторые вещества, однако, существуют в виде газов при комнатной температуре, тогда как другие являются жидкостями, а третьи - твердыми телами; это результат того, что некоторые молекулы легче разделяются в веществе за счет заданной тепловой энергии (тепла).

Каждый элемент и молекула существует как твердое тело при 0 K или абсолютном нуле (около –273 ° C). Структура вещества при очень низких температурах представляет собой твердую кристаллическую решетку. При повышении температуры молекулы, эффективно заблокированные на месте, могут вибрировать с достаточным количеством энергии. энергия, чтобы вырваться из решетки, и когда это происходит по всему веществу, вещество находится в жидкости государственный.

В жидком состоянии материя принимает форму своего сосуда, но в пределах силы тяжести. Когда кинетическая энергия увеличивается еще больше, молекулы начинают покидать граница раздела воздух-жидкость и войти в газообразное состояние, где единственное, что ограничивает форму газа, - это контейнер, ограничивающий движение высокоэнергетических молекул.

Когда вы наблюдаете за горшком с водой комнатной температуры, это может быть не заметно, но некоторые молекулы воды порхают. примерно над поверхностью воды, с таким же (и очень маленьким) числом, возвращающимся в водную фазу в то же время время. Таким образом, система находится в равновесии, и давление пара, создаваемое минимальным выходом H₂Молекулы O - это равновесное давление пара воды.

Как вы увидите, разные вещества в жидком состоянии имеют разные характерные уровни давления пара P_пар при комнатной температуре, причем это значение зависит от характера межмолекулярных сил между молекулами в жидкости. Например, вещества, которые имеют более слабые межмолекулярные силы, такие как водородные связи, будут иметь более высокие уровни равновесия P_пар потому что молекулам легче вырваться из жидкости.

Однако, если условия равновесия нарушаются добавлением тепла, давление пара жидкости повышается до атмосферного давления (101,3 килопаскаль, 1 атм или 762 торр). Если бы значение давления пара не зависело от температуры, было бы трудно заставить какие-либо жидкости (или твердые вещества) закипеть или испариться, особенно те, которые имеют высокие значения собственного давления пара.

Как только к жидкости добавляется достаточно тепла, чтобы довести давление пара до уровня атмосферного, жидкость начинает кипеть. Сколько тепла нужно добавить, зависит от характеристик вещества. Но что, если это не чистая вода, а раствор, в котором твердое вещество растворено в жидкости, такой как вода?

Добавление растворенного вещества обычно влияет на многие параметры жидкости, включая ее точки кипения и плавления (то есть точки замерзания). Параметры, на которые влияет концентрация растворенного вещества, известны как коллигативные («связанные с соединением») свойства. Давление пара снижается за счет добавления растворенного вещества, и степень, в которой это происходит, зависит от количества добавленного растворенного вещества и, в конечном итоге, от молярного отношения растворенного вещества к растворителю.

• Что снижает давление пара до точки кипения раствора? Когда вы думаете о математике, это означает, что жидкость будет иметь больший зазор между ее собственным давлением пара и атмосферным давлением, и вам потребуется больше тепла, чтобы она закипела. Поэтому его точка кипения увеличивается на некоторое количество.

Уравнение, представляющее интерес в этих ситуациях, которое вы увидите продемонстрированным ниже, является формой того, что известно как Закон Рауля: П_общее= ∑P_яИкс_я. Здесь P_общее - давление пара раствора в целом, а правая часть представляет собой сумму произведений отдельных давлений пара и мольные доли растворенного вещества и растворителя.

Поскольку вода является повсеместной жидкостью и растворителем, стоит более подробно изучить факторы, определяющие уравнение давления пара.

У воды есть P_пар 0,031 атм, или менее 1/30 атмосферного давления. Это помогает объяснить относительно высокую температуру кипения такой простой молекулы; это низкое значение, в свою очередь, объясняется водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода в соседних молекулах (это межмолекулярные силы, а не настоящие химические связи).

При нагревании от комнатной температуры (примерно 25 ° C) до примерно 60 ° C давление водяного пара повышается лишь незначительно. Затем он начинает более резко повышаться, прежде чем достигнет значения 1 атм при 100 ° C (по определению).

Теперь пришло время увидеть закон Рауля в действии. По мере того, как вы приближаетесь к этим задачам, вы всегда можете найти значения для P_пар для определенных веществ.

Раствор содержит смесь 1 моль (моль) H₂O, 2 моль этанола (C₂ЧАС₅OH) и 1 моль ацетальдегида (CH₃CHO) при 293 К. Каково полное давление паров этого раствора? Примечание: Парциальные давления этих веществ при комнатной температуре составляют 18 торр, 67,5 торр и 740 торр соответственно.

Сначала составьте уравнение. Сверху у вас есть

п_общее = P_WatИкс_Wat + P_ethИкс_eth + P_тузИкс_туз

Мольные доли соответствующих веществ - это количество молей каждого из них, деленное на общее количество молей вещества в растворе, что составляет 1 + 2 + 1 = 4. Таким образом, у вас есть X_Wat = 1/4 - 0,25, Х_eth = 2/4 = 0,5 и X_туз = 1/4 = 0.25. (Обратите внимание, что сумма мольных долей всегда должна быть ровно 1.) Теперь вы готовы подключить данную значения для отдельных значений давления пара и решить для общего давления пара смеси решения:

п_общее = (0,25) (18 торр) + (0,5) (67,5 торр) + (0,25) (740 торр) = 223,25 торр.