Як розрахувати тиск пари

Коли ви знаходитесь у воді, яка починає кипіти, ваша головна проблема безпеки, швидше за все, не ошпарюється через високу температуру води та виходить пари. Але ви, можливо, помічали щось інше про пару, або, що стосується, будь-який вид речовини у вигляді газу: він не любить, щоб його утримували, і він буде "битися", часто досить наполегливо, щоб уникнути. Повідомлення про аварії, пов’язані з вибухом парових котлів, служать цій загрозі.

Коли вода або інша рідина закипає, у фізичному вираженні вона переживає фазовий перехід або зміну стану з рідини на газ. Іншими словами, тиск пари рідини почав перевищувати обсяг газу над нею, зазвичай земної атмосфери. ("Пара" - вільний термін, що означає газ, наприклад, "водяна пара" - H₂O в газоподібному стані.)

Тверде речовина також може потрапляти в газоподібний стан безпосередньо, "обходячи" рідкий стан у процесі, відомому як сублімація. У цьому випадку основна причина фазового переходу однакова: тверді речовини мають власний тиск пари, і за певних умов значення цього тиску може перевищувати атмосферний. Але частіше тверді речовини переходять у рідини.

На Землі в природних умовах речовина існує в одному з трьох станів: твердому, рідкому або газовому. Для будь-якої однієї речовини ці фази являють собою послідовне збільшення середньої кінетичної енергії молекул речовини, що відображається у підвищенні температури. Однак деякі речовини існують у вигляді газів при кімнатній температурі, тоді як інші - це рідини, а інші - тверді речовини; це результат того, що деякі молекули легше відокремлюються всередині речовини за допомогою заданого введення теплової енергії (тепла).

Кожен елемент і молекула існує у вигляді твердої речовини при 0 К або абсолютному нулі (близько –273 ° С). Структура речовини при дуже низьких температурах являє собою тверду кристалічну решітку. Зі збільшенням температури молекули, ефективно зафіксовані на своєму місці, здатні вібрувати з достатньою кількістю енергія, щоб звільнитися від решітки, і коли це відбувається по всій речовині, речовина знаходиться в рідині держава.

У рідкому стані речовина приймає форму свого контейнера, але в межах сили тяжіння. Коли кінетична енергія збільшується ще більше, молекули починають виходити з інтерфейс повітря-рідина і перейти в газоподібний стан, де єдине, що обмежує форму газу, - це ємність, що обмежує рух молекул високої енергії.

Коли ви спостерігаєте горщик з водою кімнатної температури, це може бути не очевидно, але деякі молекули води коливаються приблизно над поверхнею води, з рівним (і дуже малим) числом, що повертається до водної фази одночасно час. Отже, система знаходиться в рівновазі, і тиск пари створюється мінімальним витіканням H₂Молекули O - рівноважний тиск пари води.

Як ви побачите, різні речовини в рідкому стані мають різні характерні рівні тиску пари P_пара при кімнатній температурі, причому це значення залежить від природи міжмолекулярних сил між молекулами в рідині. Наприклад, речовини, які мають слабкіші міжмолекулярні сили, такі як водневі зв’язки, матимуть вищий рівень рівноваги P_пара оскільки молекулам легше звільнитися від рідини.

Якщо умови рівноваги порушуються додаванням тепла, проте тиск пари рідини підвищується до атмосферного тиску (101,3 кілопаскаль, 1 атм або 762 торр). Якби значення тиску пари не залежало від температури, важко було б змусити будь-яку рідину (або тверді речовини) закипіти або випаруватися, особливо ті, що мають високі значення тиску пари.

Як тільки до рідини додається достатньо тепла, щоб тиск її пари доводився до рівня атмосферного, рідина починає кипіти. Скільки потрібно додати тепла, залежить від характеристик речовини. Але що, якщо речовина не є чистою водою, а замість цього - розчином, у якому тверда речовина розчиняється у такій рідині, як вода?

Додавання розчиненої речовини, як правило, впливає на багато параметрів рідини, включаючи точки її кипіння та плавлення (тобто замерзання). Параметри, на які впливає концентрація розчиненої речовини, відомі як колігативні властивості. Тиск пари знижується додаванням розчиненої речовини, і ступінь, до якої це відбувається, залежить від кількості доданої розчиненої речовини і, зрештою, молярного співвідношення розчиненої речовини до розчинника.

• Що робить зниження тиску пари до температури кипіння розчину? Коли ви думаєте про математику, це означає, що тоді рідина матиме більший зазор між власним тиском пари та атмосферним тиском, і вам буде потрібно більше тепла, щоб вона закипіла. Тому його температура кипіння збільшується на деяку кількість.

Рівняння інтересу в цих ситуаціях, яке ви побачите, продемонстроване нижче, є формою того, що називається Закон Рауля: P_усього= ∑P_iX_i. Тут П._усього - тиск пари розчину в цілому, а права частина представляє суму добутків окремих тисків пари і мольні частки розчиненої речовини та розчинника.

Оскільки вода є всюдисущою рідиною та розчинником, варто детальніше дослідити фактори, що визначають її рівняння тиску пари.

Вода має Р_пара 0,031 атм, або менше 1/30 атмосферного тиску. Це допомагає пояснити його відносно високу температуру кипіння для такої простої молекули; це низьке значення, в свою чергу, пояснюється водневими зв’язками між атомами кисню та атомами водню на сусідніх молекулах (це міжмолекулярні сили, а не справжні хімічні зв’язки).

При нагріванні від кімнатної температури (близько 25 ° C) до приблизно 60 ° C тиск пари води лише незначно підвищується. Потім він починає різко зростати, перш ніж досягати значення 1 атм при 100 ° C (за визначенням).

Тепер вам пора побачити закон Рауля в дії. Знаючи, наближаючись до цих проблем, ви завжди можете знайти значення P_пара для певних речовин.

Розчин містить суміш 1 моль (моль) Н₂O, 2 моль етанолу (C₂H₅OH) та 1 моль ацетальдегіду (CH₃CHO) при 293 К. Який загальний тиск пари цього розчину? Примітка: Парціальний тиск цих речовин при кімнатній температурі становить 18 торр, 67,5 торр і 740 торр відповідно.

Спочатку налаштуйте своє рівняння. Зверху, у вас є

P_усього = Р_ватX_ват + P_етX_ет + P_тузX_туз

Молярні частки відповідних речовин - це кількість молей кожної, поділена на загальну кількість молей речовини в розчині, яка дорівнює 1 + 2 + 1 = 4. Таким чином, у вас є X_ват = 1/4 - 0,25, X_ет = 2/4 = 0,5, і X_туз = 1/4 = 0.25. (Зверніть увагу, що сума мольних часток завжди повинна бути рівно 1.) Тепер ви готові підключити дане значення для окремих тисків пари і вирішити для загального тиску пари суміші рішення:

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