Kako izračunati parni tlak

Ko ste v prisotnosti vode, ki začne vreti, vaša glavna varnostna skrb najverjetneje ni ožgana zaradi visoke temperature vode in uhajajoče pare. Morda pa ste opazili še kaj v zvezi s paro ali s tem kakršno koli snovjo v obliki plina: ne mara, da jo zadržujete, in se bo "precej pogosto" boril, da bo pobegnil. Poročila o nesrečah, ki vključujejo eksplodiranje parnih kotlov, upoštevajo to grožnjo.

Ko voda ali druga tekočina zavre, v fizičnem smislu prehaja v fazni prehod ali spremembo stanja iz tekočine v plin. Povedano drugače, parni tlak tekočine je začel presegati plina nad seboj, običajno zemeljske atmosfere. ("Pare" je ohlapen izraz, ki pomeni plin, npr. "Vodna para" je H₂O v plinastem stanju.)

Trdna snov lahko prav tako vstopi v plinasto stanje in v procesu, znanem kot, "obide" tekoče stanje sublimacija. V tem primeru je osnovni razlog za fazni prehod enak: Trdne snovi imajo lasten parni tlak in pod določenimi pogoji lahko vrednost tega tlaka preseže atmosferski tlak. Toda pogosteje trdne snovi prehajajo v tekočine.

Na Zemlji v naravnih razmerah snov obstaja v enem od treh stanj: trdnem, tekočem ali plinskem. Za katero koli snov te faze predstavljajo zaporedno povečanje povprečne kinetične energije molekul snovi, kar se odraža v naraščajoči temperaturi. Nekatere snovi pa obstajajo kot plini pri sobni temperaturi, druge pa so tekočine, druge pa trdne snovi; to je posledica tega, da se nekatere molekule znotraj snovi lažje ločijo z določenim vnosom toplotne energije (toplote).

Vsak element in molekula obstaja kot trdna snov pri 0 K ali absolutna ničla (približno –273 ° C). Struktura snovi pri zelo nizkih temperaturah je trdna kristalna mreža. Ko se temperatura zvišuje, molekule, ki so dejansko zaklenjene, lahko vibrirajo z dovolj energije, da se osvobodi rešetke, in ko se to zgodi po celotni snovi, je snov v tekočini država.

V tekočem stanju ima snov obliko posode, vendar v mejah gravitacije. Ko se kinetična energija še poveča, molekule začnejo uhajati iz vmesnik zrak-tekočina in vstopimo v plinasto stanje, kjer edina stvar, ki omejuje obliko plina, je posoda, ki omejuje gibanje visokoenergijskih molekul.

Ko opazujete lonec z vodo pri sobni temperaturi, morda ni očitno, vendar nekatere molekule vode utripajo približno nad vodno gladino, z enakim (in zelo majhnim) številom, ki se isto vrača v vodno fazo čas. Sistem je torej v ravnovesju in parni tlak nastane z minimalnim uhajanjem H₂O molekule je ravnotežni parni tlak vode.

Kot boste videli, imajo različne snovi v tekočem stanju različne značilne ravni parnega tlaka P_hlapov pri sobni temperaturi, pri čemer je ta vrednost odvisna od narave medmolekularnih sil med molekulami v tekočini. Na primer, snovi, ki imajo šibkejše medmolekularne sile, na primer vodikove vezi, bodo imele višje ravni ravnotežja P_hlapov ker se molekule lažje osvobodijo tekočine.

Če ravnotežne pogoje moti dodajanje toplote, pa se parni tlak tekočine dvigne proti atmosferskemu tlaku (101,3 kilopaskala, 1 atm ali 762 torr). Če vrednost parnega tlaka ne bi bila odvisna od temperature, bi težko dosegla, da bi kakšna tekočina (ali trdna snov) zavrela ali izhlapela, zlasti tista z visokimi lastnimi vrednostmi parnega tlaka.

Ko tekočini dodamo toliko toplote, da njen parni tlak doseže nivo atmosferskega tlaka, začne tekočina vreti. Koliko toplote je treba dodati, je odvisno od značilnosti snovi. Kaj pa, če snov ni čista voda, temveč raztopina, v kateri se trdna snov raztopi v tekočini, kot je voda?

Dodajanje topljene snovi običajno vpliva na številne parametre tekočine, vključno z njenimi vrelišči in tališči (t.j. lediščem). Parametri, na katere vpliva koncentracija topljene snovi, so znani kot koligativne ("povezane s povezavo") lastnosti. Parni tlak se zniža z dodatkom topljene snovi, obseg, do katerega se to zgodi, je odvisen od količine dodane topljene snovi in ​​na koncu molskega razmerja topljene snovi v topilu.

• Kaj znižanje parnega tlaka povzroči do vrelišča raztopine? Ko pomislite na matematiko, to pomeni, da bo imela tekočina nato večjo vrzel med lastnim parnim tlakom in atmosferskim tlakom, zato boste potrebovali več toplote, da bo zavrela. Njeno vrelišče se zato poveča za določeno količino.

Enačba zanimanja v teh situacijah, ki jo boste videli spodaj, je oblika tega, kar je znano kot Raoultov zakon: P_skupaj= ∑P_jazX_jaz. Tukaj P_skupaj je parni tlak raztopine kot celote, desna stran pa predstavlja vsoto produktov posameznih parnih tlakov in mol frakcije topljene snovi in ​​topila.

Ker je voda vseprisotna tekočina in topilo, je vredno podrobneje raziskati dejavnike, ki določajo njeno enačbo parnega tlaka.

Voda ima P_hlapov 0,031 atm ali manj kot 1/30 atmosferskega tlaka. To pomaga razložiti relativno visoko vrelišče za tako preprosto molekulo; ta nizka vrednost pa je razložena z vodikovimi vezmi med atomi kisika in vodikovimi atomi na sosednjih molekulah (to so medmolekularne sile, ne prave kemične vezi).

Ko se segreje s sobne temperature (približno 25 ° C) na približno 60 ° C, parni tlak vode le nekoliko naraste. Nato začne naraščati bolj strmo, preden doseže vrednost 1 atm pri 100 ° C (po definiciji).

Zdaj je čas, da vidite Raoultov zakon v akciji. Ko se približujete tem težavam, vedite, da lahko vedno poiščete vrednosti za P_hlapov za določene snovi.

Raztopina vsebuje zmes 1 mola (mol) H₂O, 2 mol etanola (C₂H₅OH) in 1 mol acetaldehida (CH₃CHO) pri 293 K. Kolikšen je skupni parni tlak te raztopine? Opomba: Parcialni tlaki teh snovi pri sobni temperaturi znašajo 18 torr, 67,5 torr in 740 torr.

Najprej nastavite svojo enačbo. Od zgoraj ste

P_skupaj = P_WatX_Wat + P_etX_et + P_asX_as

Molski deleži posameznih snovi so število molov vsake, deljeno s skupnim molom snovi v raztopini, ki je 1 + 2 + 1 = 4. Tako imate X_Wat = 1/4 - 0,25, X_et = 2/4 = 0,5 in X_as = 1/4 = 0.25. (Upoštevajte, da mora biti vsota molskih deležev vedno natanko 1.) Zdaj ste pripravljeni priključiti dano vrednosti posameznih parnih tlakov in določite skupni parni tlak mešanice rešitve:

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