Hur man beräknar ångtryck

När du befinner dig i närvaro av vatten som börjar koka, är ditt största säkerhetsproblem troligtvis inte skållat på grund av den höga temperaturen i vattnet och den utgående ångan. Men du kanske har lagt märke till något annat om ånga, eller för den delen, någon typ av materia i form av gas: Det gillar inte att vara innesluten och kommer att "slåss" ofta ganska kraftigt för att fly. Olyckor med exploderande ångpannor lyssnar på detta hot.

När vatten eller annan vätska kokar, fysiskt sett, genomgår det en fasövergång eller tillståndsförändring från vätska till gas. Sagt på ett annat sätt, ångtryck av vätskan har börjat överstiga gasen ovanför den, vanligtvis jordens atmosfär. ("Ånga" är en lös term som betyder gas, t.ex. "vattenånga" är H₂O i gasform.)

Fast ämne kan också komma in i gasformigt tillstånd direkt, "kringgå" vätsketillståndet helt och hållet i en process som kallas sublimering. I detta fall är den bakomliggande orsaken till fasövergången densamma: fasta ämnen har sitt eget ångtryck och under vissa förhållanden kan värdet på detta tryck överstiga atmosfärstrycket. Men oftare övergår fasta ämnen till vätskor.

På jorden, under naturliga förhållanden, finns materia i ett av tre tillstånd: fast, flytande eller gas. För alla ämnen representerar dessa faser sekventiella ökningar av den genomsnittliga kinetiska energin för ämnets molekyler, vilket återspeglas i ökande temperatur. Vissa ämnen finns emellertid som gaser vid rumstemperatur, medan andra är vätskor, och andra är fasta ämnen; detta är resultatet av att vissa molekyler lättare separeras i ett ämne genom en given ingång av termisk energi (värme).

Varje element och molekyl finns som ett fast ämne vid 0 K, eller absolut noll (cirka –273 ° C). Materialets struktur vid mycket låga temperaturer är ett fast kristallint galler. När temperaturen ökar kan molekylerna, effektivt låsta på plats, vibrera med tillräckligt energi för att bryta sig loss från gitteret, och när detta händer substansövergripande finns substansen i vätskan stat.

I flytande tillstånd antar materia formen på behållaren, men inom tyngdkraftsgränserna. När kinetisk energi ökar ännu mer, börjar molekyler fly från gränssnitt för luft-vätska och gå in i gasformigt tillstånd, där det enda som begränsar gasens form är behållaren som begränsar rörelsen hos högenergimolekylerna.

När du observerar en kruka med vatten vid rumstemperatur kanske det inte är uppenbart, men vissa vattenmolekyler fladdrar ungefär ovanför vattenytan, med ett lika (och mycket litet) antal som återgår till vattenfasen samtidigt tid. Systemet är därför i jämvikt och ångtrycket skapas genom minimal utsläpp av H₂O-molekyler är vattenens jämviktsångtryck.

Som du kommer att se har olika ämnen i flytande tillstånd olika karaktäristiska nivåer av ångtryck P_ånga vid rumstemperatur, med detta värde beroende på naturen hos de intermolekylära krafterna mellan molekyler i vätskan. Till exempel kommer ämnen som har svagare intermolekylära krafter, såsom vätebindningar, att ha högre nivåer av jämvikt P_ånga eftersom det är lättare för molekyler att bryta sig loss från vätskan.

Om jämviktsförhållandena störs genom tillsats av värme stiger emellertid vätskans ångtryck mot atmosfärstryck (101,3 kilopascal, 1 atm eller 762 torr). Om värdet på ångtryck inte var temperaturberoende skulle det vara svårt att få vätskor (eller fasta ämnen) att koka eller avdunsta, särskilt de med höga inneboende ångtrycksvärden.

När tillräckligt med värme har tillsatts en vätska för att driva ångtrycket till atmosfärstrycket börjar vätskan koka. Hur mycket värme som behöver tillsättas beror på ämnets egenskaper. Men vad händer om ämnet inte är rent vatten utan en lösning där en fast substans löses i en vätska som vatten?

Tillsatsen av löst ämne har vanligtvis effekter på många av parametrarna för en vätska, inklusive dess kokpunkter och smältpunkter (dvs. fryspunkter). Parametrarna som påverkas av koncentrationen av lösningsmedel är kända som kolligativa ("anslutningsrelaterade") egenskaper. Ångtrycket sänks genom tillsats av löst ämne, och i vilken utsträckning detta inträffar beror på mängden tillsatt löst ämne och i slutändan molförhållandet mellan lösningsmedel och lösningsmedel.

• Vad gör sänkning av ångtryck med en lösnings kokpunkt? När du tänker på matematiken betyder det att vätskan då får ett större gap mellan sitt eget ångtryck och atmosfärstryck, och du behöver mer värme tillsatt för att få det att koka. Dess kokpunkt ökar därför med en viss mängd.

Ekvationen av intresse i dessa situationer, som du kommer att se demonstrerad nedan, är en form av vad som kallas Raoults lag: P_total= ∑P_iX_i. Här P_total är ångtrycket i lösningen som helhet och höger sida representerar summan av produkterna för de enskilda ångtrycken och molfraktioner av lösningsmedlet och lösningsmedlet.

Eftersom vatten är en allestädes närvarande vätska och lösningsmedel är det värt att undersöka de faktorer som bestämmer dess ångtrycksekvation mer detaljerat.

Vatten har en P_ånga 0,031 atm eller mindre än 1/30 av atmosfärstrycket. Detta hjälper till att förklara dess relativt höga kokpunkt för en sådan enkel molekyl; detta låga värde förklaras i sin tur av vätebindningarna mellan syreatomer och väteatomer på angränsande molekyler (dessa är intermolekylära krafter, inte sanna kemiska bindningar).

Vid uppvärmning från rumstemperatur (cirka 25 ° C) till cirka 60 ° C stiger vattenångans ångtryck bara något. Den börjar sedan stiga kraftigare innan den når ett värde på 1 atm vid 100 ° C (per definition).

Nu är det dags för dig att se Raoults lag i aktion. Vet när du närmar dig dessa problem att du alltid kan leta upp värden för P_ånga för vissa ämnen.

En lösning innehåller en blandning av 1 mol (mol) H₂O, 2 mol etanol (C₂H₅OH) och 1 mol acetaldehyd (CH₃CHO) vid 293 K. Vad är det totala ångtrycket för denna lösning? Notera: Partialtrycket för dessa ämnen vid rumstemperatur är 18 torr, 67,5 torr respektive 740 torr.

Ställ först in din ekvation. Ovanifrån har du

P_total = P_watX_wat + P_ethX_eth + P_essX_ess

Molfraktionerna för respektive substans är antalet mol av varje dividerat med det totala molet av substansen i lösningen, vilket är 1 + 2 + 1 = 4. Således har du X_wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0,5 och X_ess = 1/4 = 0.25. (Observera att summan av molfraktionerna alltid måste vara exakt 1.) Nu är du redo att koppla in det givna värden för de enskilda ångtrycken och lösa det totala ångtrycket för blandningen av lösningar:

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