Ako vypočítať tlak pár

Ak ste v prítomnosti vody, ktorá začína vrieť, pravdepodobne sa neobaríte kvôli vysokej teplote vody a unikajúcej pare. Ale možno ste si všimli niečo iné na pare, alebo, vlastne, na akomkoľvek druhu hmoty vo forme plynu: Neradi sa drží a bude „bojovať“, často celkom dôrazne, aby uniklo. Oznamy o nehodách explodujúcich parných kotlov túto hrozbu počúvajú.

Keď voda alebo iná kvapalina zovrie, fyzikálne prechádza fázovým prechodom alebo zmenou skupenstva z kvapaliny na plyn. Inak povedané tlak vodnej pary kvapaliny začala prevyšovať hladinu plynu nad ňou, zvyčajne zemskú atmosféru. („Para“ je voľný výraz, ktorý znamená plyn, napr. „Vodná para“ je H₂O v plynnom skupenstve.)

Tuhá látka môže tiež vstúpiť do plynného skupenstva priamo, pričom „obíde“ kvapalné skupenstvo úplne v procese známom ako sublimácia. V tomto prípade je základný dôvod fázového prechodu rovnaký: Tuhé látky majú vlastný tlak pár a za určitých podmienok môže hodnota tohto tlaku prekročiť atmosférický tlak. Častejšie však tuhé látky prechádzajú do tekutín.

Na Zemi za prírodných podmienok existuje hmota v jednom z troch stavov: tuhý, kvapalný alebo plynný. Pre každú jednu látku tieto fázy predstavujú postupné zvyšovanie priemernej kinetickej energie molekúl látky, čo sa odráža vo zvyšovaní teploty. Niektoré látky však pri izbovej teplote existujú ako plyny, iné sú kvapalné a iné tuhé látky; je to výsledok toho, že niektoré molekuly sa ľahšie oddelia v látke daným vstupom tepelnej energie (tepla).

Každý prvok a molekula existuje ako pevná látka pri 0 K alebo absolútnej nule (asi –273 ° C). Štruktúra hmoty pri veľmi nízkych teplotách je pevná kryštalická mriežka. Pri zvyšovaní teploty sú molekuly, ktoré sú skutočne zafixované na danom mieste, schopné dostatočne vibrovať energie, aby sa uvoľnila z mriežky, a keď k tomu dôjde v celej látke, je látka v kvapaline štát.

V tekutom stave hmota nadobúda tvar nádoby, ale v medziach gravitácie. Keď sa kinetická energia ešte zvyšuje, molekuly začnú unikať rozhranie vzduch-kvapalina a vstúpiť do plynného skupenstva, kde tvar plynu obmedzuje iba nádoba obmedzujúca pohyb molekúl vysokej energie.

Keď pozorujete hrniec s vodou pri izbovej teplote, nemusí to byť zrejmé, ale niektoré molekuly vody poletujú asi nad vodnou hladinou, pričom sa rovnaký (a veľmi malý) počet vracia súčasne do vodnej fázy čas. Systém je preto v rovnováhe a tlak pár sa vytvára minimálnym únikom H₂O molekúl je rovnovážny tlak pár vody.

Ako uvidíte, rôzne látky v kvapalnom skupenstve majú rôzne charakteristické úrovne tlaku pár P_pary pri izbovej teplote, pričom táto hodnota závisí od povahy medzimolekulových síl medzi molekulami v kvapaline. Napríklad látky, ktoré majú slabšie medzimolekulové sily, ako napríklad vodíkové väzby, budú mať vyššiu hladinu rovnováhy P_pary pretože molekuly sa ľahšie uvoľňujú z kvapaliny.

Ak sú však rovnovážné podmienky narušené prídavkom tepla, tlak pár kvapaliny stúpa k atmosférickému tlaku (101,3 kilopascalu, 1 atm alebo 762 torrov). Ak by hodnota tlaku pár nebola závislá od teploty, bolo by ťažké dostať nejaké kvapaliny (alebo tuhé látky) do varu alebo odpariť, najmä tie, ktoré majú vysoké vlastné hodnoty tlaku pár.

Akonáhle sa do kvapaliny pridá dostatok tepla, aby sa tlak jeho pár zvýšil na úroveň atmosférického tlaku, kvapalina začne vrieť. Koľko tepla je potrebné pridať, závisí od charakteristík látky. Čo však v prípade, ak látkou nie je čistá voda, ale skôr roztok, v ktorom je pevná látka rozpustená v kvapaline, ako je voda?

Pridanie rozpustenej látky má zvyčajne účinky na mnohé parametre kvapaliny vrátane jej bodu varu a bodu topenia (t. J. Tuhnutia). Parametre ovplyvnené koncentráciou rozpustenej látky sú známe ako koligatívne vlastnosti (súvisiace s pripojením). Tlak pár sa zníži pridaním rozpustenej látky a rozsah, v akom k tomu dôjde, závisí od množstva pridanej rozpustenej látky a nakoniec od molárneho pomeru rozpustenej látky k rozpúšťadlu.

• Čo robí zníženie tlaku pár s bodom varu roztoku? Keď sa nad matematikou zamyslíte, znamená to, že kvapalina bude mať potom väčšiu medzeru medzi vlastným tlakom pár a atmosférickým tlakom a na jej prevarenie budete potrebovať viac tepla. Jeho bod varu sa preto o určité množstvo zvyšuje.

Rovnica záujmu v týchto situáciách, ktorú uvidíte nižšie, je formou známeho ako Raoultov zákon: P_Celkom= ∑P_iX_i. Tu P_Celkom je tlak pár v roztoku ako celku a pravá strana predstavuje súčet súčinov jednotlivých tlakov pár a molové zlomky rozpustenej látky a rozpúšťadla.

Pretože voda je všadeprítomná kvapalina a rozpúšťadlo, stojí za to podrobnejšie preskúmať faktory, ktoré určujú jej rovnicu tlaku pár.

Voda má P_pary 0,031 atm alebo menej ako 1/30 atmosférického tlaku. To pomáha vysvetliť jej relatívne vysoký bod varu pre takúto jednoduchú molekulu; táto nízka hodnota sa zase vysvetľuje vodíkovými väzbami medzi atómami kyslíka a atómami vodíka na susedných molekulách (sú to medzimolekulové sily, nie skutočné chemické väzby).

Pri zahriatí z teploty miestnosti (asi 25 ° C) na asi 60 ° C stúpa tlak pár vody iba mierne. Potom začne prudšie stúpať a potom dosiahne hodnotu 1 atm pri 100 ° C (podľa definície).

Teraz je čas, aby ste videli Raoultov zákon v akcii. Pri prístupe k týmto problémom vedzte, že vždy môžete vyhľadať hodnoty P_pary pre konkrétne látky.

Roztok obsahuje zmes 1 mol (mol) H₂O, 2 mol etanolu (C₂H₅OH) a 1 mol acetaldehydu (CH₃CHO) pri 293 K. Aký je celkový tlak pár tohto roztoku? Poznámka: Parciálne tlaky týchto látok pri teplote miestnosti sú 18 torr, 67,5 torr a 740 torr.

Najskôr si nastavte rovnicu. Zhora máte

P_Celkom = P_watX_wat + Str_etX_et + Str_esoX_eso

Mólové frakcie príslušných látok sú počet mólov každej látky vydelený celkovým mólom látky v roztoku, čo je 1 + 2 + 1 = 4. Takto máte X_wat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 a X_eso = 1/4 = 0.25. (Upozorňujeme, že súčet molárnych zlomkov musí byť vždy presne 1.) Teraz ste pripravení dané hodnoty pripojiť hodnoty pre jednotlivé tlaky pár a riešenie pre celkový tlak pár zmesi riešenia:

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