วิธีการคำนวณความดันไอ

เมื่อคุณอยู่ในที่ที่มีน้ำซึ่งเริ่มเดือด ความกังวลหลักด้านความปลอดภัยของคุณมักจะไม่ถูกลวกเนื่องจากอุณหภูมิของน้ำที่สูงและไอน้ำที่ไหลออกมา แต่คุณอาจสังเกตเห็นอย่างอื่นเกี่ยวกับไอน้ำ หรือสำหรับเรื่องนั้น เรื่องใดๆ ก็ตามในรูปของก๊าซ: มันไม่ชอบถูกกักกัน และจะ "ต่อสู้" ซึ่งมักจะใช้กำลังค่อนข้างจะหลบหนี บัญชีของอุบัติเหตุที่เกี่ยวข้องกับการระเบิดของหม้อไอน้ำที่ได้ยินถึงภัยคุกคามนี้

เมื่อน้ำหรือของเหลวอื่นเดือด ในแง่กายภาพ น้ำนั้นอยู่ระหว่างการเปลี่ยนเฟสหรือเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ กล่าวอีกนัยหนึ่ง the ความดันไอ ของของเหลวเริ่มมีมากกว่าก๊าซที่อยู่เหนือมัน ซึ่งปกติคือชั้นบรรยากาศของโลก ("ไอ" เป็นคำหลวม หมายถึง แก๊ส เช่น "ไอน้ำ" คือ H₂O ในสถานะก๊าซ)

ของแข็งยังสามารถเข้าสู่สถานะก๊าซได้โดยตรง "บายพาส" สถานะของเหลวทั้งหมดในกระบวนการที่เรียกว่า ระเหิด. ในกรณีนี้ เหตุผลพื้นฐานสำหรับการเปลี่ยนเฟสจะเหมือนกัน: ของแข็งมีความดันไอของตัวเอง และภายใต้เงื่อนไขบางประการ ค่าของความดันนี้สามารถเกินความดันบรรยากาศได้ แต่บ่อยครั้งที่ของแข็งเปลี่ยนเป็นของเหลว

บนโลก ภายใต้สภาพธรรมชาติ สสารมีอยู่ในสถานะหนึ่งในสามสถานะ: ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ สำหรับสารใดสารหนึ่ง เฟสเหล่านี้แสดงถึงการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์เฉลี่ยของโมเลกุลของสารตามลำดับ ซึ่งสะท้อนให้เห็นในอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม สารบางชนิดมีอยู่ในรูปของก๊าซที่อุณหภูมิห้อง ในขณะที่สารบางชนิดเป็นของเหลว และบางชนิดก็เป็นของแข็ง นี่เป็นผลมาจากการที่โมเลกุลบางตัวถูกแยกออกได้ง่ายขึ้นภายในสารโดยป้อนพลังงานความร้อน (ความร้อน) ที่กำหนด

ทุกองค์ประกอบและโมเลกุลมีสถานะเป็นของแข็งที่ 0 K หรือศูนย์สัมบูรณ์ (ประมาณ –273 °C) โครงสร้างของสสารที่อุณหภูมิต่ำมากเป็นโครงผลึกที่เป็นของแข็ง เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลที่ถูกล็อกอย่างมีประสิทธิภาพสามารถสั่นสะเทือนได้เพียงพอ พลังงานให้หลุดออกจากตาข่าย และเมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นทั่วทั้งสาร สารนั้นก็จะอยู่ในของเหลว สถานะ.

ในสถานะของเหลว สสารจะถือว่ารูปร่างของภาชนะนั้น แต่อยู่ในขอบเขตของแรงโน้มถ่วง เมื่อพลังงานจลน์เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ โมเลกุลก็เริ่มหนีออกจาก อินเทอร์เฟซของอากาศและของเหลว และเข้าสู่สถานะก๊าซ ซึ่งสิ่งเดียวที่จำกัดรูปร่างของก๊าซคือภาชนะที่จำกัดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลพลังงานสูง

เมื่อสังเกตหม้อน้ำที่อุณหภูมิห้องอาจไม่ปรากฏชัด แต่โมเลกุลของน้ำบางตัวก็ลอย เหนือผิวน้ำโดยมีจำนวนเท่ากัน (และน้อยมาก) ที่กลับคืนสู่เฟสน้ำเท่ากัน เวลา. ระบบจึงอยู่ในสภาวะสมดุล และความดันไอที่เกิดจาก H. ที่หนีออกมาน้อยที่สุด₂O โมเลกุลคือความดันไอที่สมดุลของน้ำ

ดังที่คุณเห็น สารต่าง ๆ ในสถานะของเหลวมีระดับความดันไอเฉพาะที่แตกต่างกัน P_ไอ ที่อุณหภูมิห้อง โดยค่านี้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของแรงระหว่างโมเลกุลระหว่างโมเลกุลในของเหลว ตัวอย่างเช่น สารที่มีแรงระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอกว่า เช่น พันธะไฮโดรเจน จะมีระดับสมดุล P สูงขึ้น_ไอ เพราะจะทำให้โมเลกุลแตกตัวจากของเหลวได้ง่ายขึ้น

อย่างไรก็ตาม หากสภาวะสมดุลถูกรบกวนจากการเติมความร้อน ความดันไอของของเหลวจะเพิ่มขึ้นสู่ความดันบรรยากาศ (101.3 กิโลปาสกาล 1 atm หรือ 762 ทอร์) หากค่าความดันไอไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ก็จะเป็นการยากที่จะทำให้ของเหลว (หรือของแข็ง) เดือดหรือระเหย โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีค่าความดันไอโดยธรรมชาติสูง

เมื่อเติมความร้อนเพียงพอลงในของเหลวเพื่อขับแรงดันไอให้ถึงระดับความดันบรรยากาศ ของเหลวจะเริ่มเดือด ต้องเพิ่มความร้อนเท่าใดขึ้นอยู่กับลักษณะของสาร แต่ถ้าสารนั้นไม่ใช่น้ำบริสุทธิ์ แต่เป็นสารละลายที่สารที่เป็นของแข็งละลายในของเหลวเช่นน้ำแทนล่ะ?

การเติมตัวถูกละลายมักจะมีผลกระทบต่อค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ของของเหลว รวมถึงจุดเดือดและจุดหลอมเหลว (เช่น จุดเยือกแข็ง) พารามิเตอร์ที่ได้รับผลกระทบจากความเข้มข้นของตัวถูกละลายเรียกว่าคุณสมบัติ colligative ("เกี่ยวกับการเชื่อมต่อ") ความดันไอจะลดลงโดยการเติมตัวถูกละลาย และขอบเขตที่สิ่งนี้เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับปริมาณของตัวถูกเติมที่เติมและในท้ายที่สุดอัตราส่วนโมลาร์ของตัวถูกละลายต่อตัวทำละลาย

• การลดความดันไอทำอะไรกับจุดเดือดของสารละลาย? เมื่อคุณนึกถึงคณิตศาสตร์ ของเหลวจะมีช่องว่างขนาดใหญ่ขึ้นระหว่างความดันไอของมันกับความดันบรรยากาศ และคุณจะต้องใช้ความร้อนเพิ่มเพื่อให้เดือด ดังนั้นจุดเดือดจึงเพิ่มขึ้นอีกจำนวนหนึ่ง

สมการของความสนใจในสถานการณ์เหล่านี้ ซึ่งคุณจะเห็นตัวอย่างด้านล่าง เป็นรูปแบบหนึ่งของสิ่งที่เรียกว่า กฎของราอูลท์: ป๊ะ_รวม=∑P_ผมX_ผม. นี่พี่_รวม คือความดันไอของสารละลายโดยรวม และด้านขวาแสดงถึงผลรวมของผลิตภัณฑ์ของความดันไอแต่ละตัวและ เศษส่วนไฝ ของตัวถูกละลายและตัวทำละลาย

เนื่องจากน้ำเป็นของเหลวและตัวทำละลายที่แพร่หลาย จึงควรค่าแก่การตรวจสอบปัจจัยที่กำหนดสมการความดันไอในรายละเอียดเพิ่มเติม

น้ำมี P_ไอ 0.031 atm หรือน้อยกว่า 1/30 ของความกดอากาศ สิ่งนี้ช่วยอธิบายจุดเดือดที่ค่อนข้างสูงสำหรับโมเลกุลธรรมดาเช่นนี้ ค่าที่ต่ำนี้อธิบายได้ด้วยพันธะไฮโดรเจนระหว่างอะตอมของออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจนบนโมเลกุลที่อยู่ติดกัน (สิ่งเหล่านี้คือแรงระหว่างโมเลกุล ไม่ใช่พันธะเคมีที่แท้จริง)

เมื่อให้ความร้อนจากอุณหภูมิห้อง (ประมาณ 25 °C) ถึงประมาณ 60 °C แรงดันไอของน้ำจะเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จากนั้นจะเริ่มสูงขึ้นอย่างรวดเร็วก่อนที่จะถึงค่า 1 atm ที่ 100 °C (ตามคำจำกัดความ)

ตอนนี้ ถึงเวลาแล้วที่คุณจะได้เห็นการกระทำของกฎของราอูลท์ รู้ว่าคุณเข้าใกล้ปัญหาเหล่านี้ซึ่งคุณสามารถค้นหาค่า P. ได้เสมอ_ไอ สำหรับสารเฉพาะ

สารละลายมีส่วนผสมของ 1 โมล (โมล) H₂O, เอทานอล 2 โมล (C₂โฮ₅OH) และอะซีตัลดีไฮด์ 1 โมล (CH₃CHO) ที่ 293 ก. ความดันไอทั้งหมดของสารละลายนี้เป็นเท่าใด บันทึก: ความดันบางส่วนของสารเหล่านี้ที่อุณหภูมิห้องคือ 18 torr, 67.5 torr และ 740 torr ตามลำดับ

ขั้นแรก ตั้งค่าสมการของคุณ จากข้างบน คุณมี

พี_รวม = ป_วัดX_วัด + พี่_{จริยธรรม}X_{จริยธรรม} + พี่_aceX_ace

เศษส่วนโมลของสารตามลำดับคือจำนวนโมลของแต่ละตัวหารด้วยโมลทั้งหมดของสารในสารละลายซึ่งก็คือ 1 + 2 + 1 = 4 ดังนั้นคุณจึงมี X_วัด = 1/4 - 0.25, X_{จริยธรรม} = 2/4 = 0.5 และ X_ace = 1/4 = 0.25. (โปรดทราบว่าผลรวมของเศษส่วนโมลจะต้องเท่ากับ 1 เสมอ) ตอนนี้คุณพร้อมที่จะเสียบค่าที่ให้มา ค่าความดันไอแต่ละตัวและหาค่าความดันไอรวมของส่วนผสมของ โซลูชั่น:

พี_รวม = (0.25)(18 ธอร์) + (0.5)(67.5 ธอร์) + (0.25)(740 ธอร์) = 223.25 ทอร์.