Πίεση ατμών – Ορισμός και τρόπος υπολογισμού της
Πίεση ατμών (ή πίεση ατμών) είναι η πίεση ισορροπίας ενός ατμού πάνω από την υγρή ή τη στερεή του κατάσταση σε ένα κλειστό δοχείο. Σε αυτόν τον τύπο κλειστού συστήματος, ορισμένα μόρια ενός υγρού ή στερεού έχουν αρκετή κινητική ενέργεια για να διαφύγουν στην επιφάνεια και να εισέλθουν στη φάση ατμού (αερίου). Εν τω μεταξύ, ορισμένα μόρια ατμού συγκρούονται με την υγρή ή στερεή επιφάνεια και αλλάζουν τη φάση τους. Η κινητική ενέργεια των μορίων ατμού τα αναγκάζει να χτυπήσουν τα τοιχώματα και το καπάκι ενός δοχείου, παράγοντας πίεση ατμών.
Το σημείο όπου ο αριθμός των μορίων που διαφεύγουν από το υγρό (ή το στερεό) ισούται με τον αριθμό των μορίων που επιστρέφουν από τη φάση ατμού πίσω στο υγρό (ή στερεό) είναι η πίεση κορεσμένων ατμών . Σε ένα κλειστό δοχείο, ο ρυθμός εξάτμισης και ο ρυθμός συμπύκνωσης είναι ίσοι στην πίεση κορεσμένων ατμών. Σε ένα ανοιχτό δοχείο, η πίεση των ατμών αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία έως ότου η θερμοκρασία φτάσει στο σημείο βρασμού. Η πίεση κορεσμένων ατμών εμφανίζεται στη θερμοκρασία του σημείου βρασμού, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από την ατμοσφαιρική πίεση. Έτσι, σε 1 atm πίεσης, η πίεση κορεσμένων ατμών του νερού εμφανίζεται στους 100 C (212 F). Με άλλα λόγια, η τάση ατμών ισούται με την ατμοσφαιρική πίεση στο σημείο βρασμού ενός υγρού.
Μια ουσία με υψηλή τάση ατμών λέγεται ότι είναι πτητική . Παραδείγματα πτητικών ουσιών περιλαμβάνουν τη βενζίνη και την αλκοόλη εντριβής (υγρά) και το παραδιχλωροβενζόλιο (στερεό). Σε ένα ανοιχτό δοχείο, τα μόρια ενός υγρού που διαφεύγουν ως ατμός δεν προσκρούουν σε ένα δοχείο και φτάνουν σε μια πίεση ισορροπίας. Αντίθετα, τα μόρια ατμού εξατμίζονται. Ένα μη πτητικό υγρό έχει πίεση ατμών χαμηλότερη από αυτή του νερού και εξατμίζεται μόνο αργά. Ένα πτητικό υγρό έχει υψηλή τάση ατμών και εξατμίζεται γρήγορα.
Παράγοντες που επηρεάζουν την πίεση των ατμών
Οι πιο σημαντικοί παράγοντες που επηρεάζουν την πίεση των ατμών είναι η θερμοκρασία και ο τύπος των μορίων:
- Θερμοκρασία :Η θερμοκρασία έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στην πίεση των ατμών. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η τάση ατμών αυξάνεται. Καθώς η θερμοκρασία μειώνεται, η τάση των ατμών μειώνεται. Αυτό είναι λογικό, καθώς η μετάδοση θερμικής ενέργειας δίνει στα μόρια περισσότερη κινητική ενέργεια. Το γράφημα της σχέσης μεταξύ πίεσης ατμών και θερμοκρασίας είναι καμπύλη. Ωστόσο, το γράφημα του φυσικού λογάριθμου της τάσης ατμών σε σχέση με τη θερμοκρασία είναι μια ευθεία γραμμή.
- Διαμοριακές δυνάμεις :Οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων και συνεπώς η χημική σύσταση μιας ουσίας επηρεάζουν την τάση ατμών της. Για παράδειγμα, το νερό περιέχει ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου, επομένως έχει χαμηλότερη τάση ατμών από τη βενζίνη, η οποία έχει ασθενέστερες διαμοριακές δυνάμεις που δρουν μεταξύ των μορίων του.
Υπάρχουν επίσης παράγοντες που όχι επηρεάζουν την πίεση ατμών:
- Ποσότητα υγρού ή στερεού :Η ποσότητα της ύλης δεν επηρεάζει την τάση ατμών μιας ουσίας. Για παράδειγμα, η τάση ατμών μιας σταγόνας νερού είναι ίδια με την τάση ατμών μιας λίμνης νερού.
- Επιφάνεια :Η επιφάνεια δεν επηρεάζει την πίεση ατμών. Ωστόσο, η εξάτμιση συμβαίνει πολύ πιο γρήγορα με μια μεγάλη επιφάνεια από μια μικρή. Για παράδειγμα, το νερό σε ένα ποτήρι χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να εξατμιστεί από τον ίδιο όγκο νερού που χύνεται σε έναν πάγκο.
Πίεση ατμών του νερού
Η τάση ατμών του νερού εξαρτάται από τη θερμοκρασία του. Η τάση ατμών του νερού σε θερμοκρασία δωματίου (25 C) είναι 23,8 mm Hg, 0,0313 atm ή 23,8 torr ή 3,17 kPa. Στο σημείο πήξης του (0 C), η τάση ατμών του νερού είναι 4,6 torr. Στο σημείο βρασμού του (100 C), η τάση ατμών του νερού είναι 658,0 torr (ατμοσφαιρική πίεση).
Πίνακας τιμών πίεσης ατμών
Αυτός ο πίνακας παραθέτει τις τιμές πίεσης ατμών για υγρά κοντά σε θερμοκρασία δωματίου (20-25 C ή 68-77 F):
| Υγρό | Πίεση ατμών (kPa) |
| Ακεταλδεΰδη | 120 |
| Οξικό οξύ | 2.1 |
| Ακετόνη | 30 |
| Οξεικός αμυλεστέρας | 0,47 |
| Ανιλίνη | 0,09 |
| Μπύρα | 2.4 |
| Βενζόλιο | 14 |
| Βρώμιο | 28 |
| 1-βουτανόλη | 0,93 |
| Δισουλφίδιο του άνθρακα | 48 |
| Τετραχλωριούχος άνθρακας | 15.3 |
| Χλωροφόρμιο | 26 |
| Κυκλοεξανόλη | 0,9 |
| Αιθανόλη | 12.4 |
| Αιθυλενογλυκόλη | 0,007 |
| Μυρμηκικό οξύ | 5.7 |
| Ισοπροπυλική αλκοόλη | 4.4 |
| Κηροζίνη | 0,7 |
| Μεθανόλη | 16.9 |
| Γάλα | 2.4 |
| Νιτροβενζόλιο | 0,03 |
| Οκτάνιο | 1.9 |
| Πεντάνιο | 58 |
| Φαινόλη | 0,05 |
| Θαλασσινό νερό | 2.4 |
| στυρόλιο | 0,85 |
| Τετραχλωροαιθάνιο | 0,7 |
| Τετραχλωροαιθυλένιο | 2,5 |
| Τολουόλιο | 3.8 |
| Τριχλωροαιθυλένιο | 9.2 |
| Νερό | 2.4 |
Πώς να υπολογίσετε την πίεση ατμών
Υπάρχουν αρκετοί τύποι πίεσης ατμών, αλλά δύο συνηθισμένοι είναι ο νόμος του Raoult και η εξίσωση Clausius-Clapeyron.
Υπολογισμός της πίεσης ατμών χρησιμοποιώντας το νόμο του Raoult
Ο νόμος του Raoult συσχετίζει την τάση ατμών ενός διαλύματος (Pλύση ) στην τάση ατμών του διαλύτη (Pδιαλύτης ) και μοριακό κλάσμα του διαλύτη (Xδιαλύτης ):
Pλύση =Pδιαλύτης Xδιαλύτης
Για παράδειγμα, βρείτε την τάση ατμών ενός διαλύματος απλού σιροπιού που αποτελείται από 1 λίτρο νερό και 1 λίτρο σακχαρόζη.
Αρχικά, βρείτε το μοριακό κλάσμα του διαλύτη. Σε αυτήν την περίπτωση, ο διαλύτης είναι νερό.
- Μάζα 1 λίτρου νερού:1000 γραμμάρια
- Μάζα 1 λίτρου σακχαρόζης:1056,7 g
- Moles (νερό):1000 γραμμάρια × 1 mol/18,015 g =55,51 moles
- Moles (σακχαρόζη):1056,7 γραμμάρια × 1 mol/342,2965 g =3,08 moles (χρησιμοποιώντας τη μοριακή μάζα σακχαρόζης από τον χημικό τύπο της, C12 H22 O11 .)
- Συνολικά κρεατοελιές:55,51 + 3,08 =58,59 κρεατοελιές
- Μοριακό κλάσμα νερού:55,51/58,59 =0,947
Στη συνέχεια, βρείτε την πίεση ατμών του διαλύτη. Ο ευκολότερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι να αναζητήσετε την τιμή σε έναν πίνακα. Η τάση ατμών του νερού στους 25 C είναι 23,8 mm Hg.
Στη συνέχεια, συνδέστε τις τιμές στον νόμο του Raoult:
- Pλύση =Pδιαλύτης Xδιαλύτης
- Pλύση =(23,8 mm Hg) (0,947)
- Pλύση =22,54 mm Hg
Υπολογισμός της πίεσης ατμών χρησιμοποιώντας την εξίσωση Clausius-Clapeyron
Η εξίσωση Clausius-Clapeyron συσχετίζει την αύξηση της τάσης ατμών με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο φυσικός λογάριθμος (ln) αλλάζει τη μη γραμμική σχέση μεταξύ της τάσης ατμών και της θερμοκρασίας σε γραμμική σχέση.
ln P =-(ΔHvap /R)(1/T) + C
- lnP είναι ο φυσικός λογάριθμος της τάσης ατμών
- ΔHvap είναι η ενθαλπία της εξάτμισης
- R είναι η ιδανική ή καθολική σταθερά αερίου [8,314 J/(mol•K)]
- T είναι η απόλυτη θερμοκρασία (Kelvin)
- C είναι η τομή y, η οποία είναι σταθερή για μια δεδομένη γραμμή
Εάν μετρήσετε τις πιέσεις ατμών και τις θερμοκρασίες δύο σημείων, μπορείτε να βρείτε την ενθαλπία της εξάτμισης. Ομοίως, εάν γνωρίζετε την ενθαλπία της εξάτμισης και την τάση ατμών σε μια θερμοκρασία, μπορείτε να βρείτε την τάση ατμών σε μια άλλη θερμοκρασία.
ln(P1 /P2 ) =-(ΔHvap /R)(1/T1 – 1/T2 )
Συνήθως, αυτού του είδους το πρόβλημα περιλαμβάνει τη γραφική παράσταση του φυσικού καταγραφής της πίεσης σε σχέση με τη θερμοκρασία και στη συνέχεια την αναζήτηση της επιθυμητής τιμής στο διάγραμμα που προκύπτει. Η κλίση της γραμμής (C) είναι ΔHvap . Ή, συμβουλευτείτε μια αναφορά που σας δίνει ΔHvap και πίεση ατμών σε κάποια θερμοκρασία.
Αναφορές
- Perry, R.H.; Green, D.W., eds. (1997). Εγχειρίδιο Perry's Chemical Engineers' Handbook (7η έκδ.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-049841-9.
- Petrucci, Ralph H.; Harwood, William S.; Herring, F. Geoffrey (2002). Γενική Χημεία (8η έκδ.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-014329-7.
- Sinnot, R.K. (2005). Σχεδίαση Χημικής Μηχανικής (4η έκδ.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-6538-4.
- Wagner, W. (1973). «Νέες μετρήσεις πίεσης ατμών για αργό και άζωτο και μια νέα μέθοδος για τη δημιουργία ορθολογικών εξισώσεων τάσης ατμών». Κρυογονική . 13 (8):470–482. doi:10.1016/0011-2275(73)90003-9
