Conţinut

• Pași
• Sfat

Ai lăsat vreodată o sticlă de apă la soare câteva ore, apoi ai deschis capacul și ai auzit un mic „pop”? Acest sunet se datorează presiunea de vapori în sticla cauzei. În chimie, presiunea vaporilor este presiunea care acționează asupra peretelui unui vas închis pe măsură ce lichidul din vas se evaporă (se transformă într-un gaz). Pentru a găsi presiunea vaporilor la o temperatură cunoscută, utilizați ecuația Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Pași

Metoda 1 din 3: Utilizați ecuația Clausius-Clapeyron

1. 

   Scrieți ecuația Clausius-Clapeyron. Când se ia în considerare schimbarea presiunii vaporilor în timp, formula pentru calcularea presiunii vaporilor este ecuația Clausius-Clapeyron (numită după fizicienii Rudolf Clausius și Benoît Paul Émile Clapeyron). Aceasta este o formulă frecvent utilizată pentru a rezolva problemele frecvente ale presiunii vaporilor în fizică și chimie. Formula este scrisă după cum urmează: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). În această formulă, variabilele reprezintă:
   • ΔH_vap: Entalpia de evaporare a lichidelor. Această valoare poate fi găsită în tabelul de la sfârșitul unui manual de chimie.
   • R: Constanta gazului ideal și egală cu 8.314 J / (K × Mol).
   • T1: Temperatura la care este cunoscută presiunea vaporilor (temperatura inițială).
   • T2: Temperatura la care este necesară presiunea vaporilor (temperatura finală).
   • P1 și P2: Presiunea de vapori corespunzătoare la temperaturile T1 și T2.

2. 

   
   
   Înlocuiți valorile cunoscute pentru variabile. Ecuația Clausius-Clapeyron pare destul de complicată, deoarece există multe variabile diferite, dar nu este prea dificil dacă problema oferă suficiente informații. Cele mai elementare dintre problemele de presiune a aburului vă vor oferi două valori ale temperaturii și o valoare a presiunii sau două valori ale presiunii și o valoare a temperaturii - odată ce aveți aceste date, este ușor de rezolvat.
   • De exemplu, să presupunem că problema este pentru un recipient de lichid la 295 K și cu o presiune de vapori de 1 atmosferă (atm). Întrebarea este: Care este presiunea aburului la o temperatură de 393 K? Avem două valori pentru temperatură și una pentru presiune, deci este posibil să rezolvăm presiunea rămasă folosind ecuația Clausius-Clapeyron. Punând valori în variabile, avem ln (1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • Pentru ecuația Clausius-Clapeyron, trebuie să folosim întotdeauna o valoare a temperaturii Kelvin. Puteți utiliza orice valoare a presiunii, atâta timp cât este în aceleași unități atât pentru P1, cât și pentru P2.

3. 

   
   
   Înlocuiți constantele. Ecuația Clausius-Clapeyron are două constante: R și ΔH_vap. R este întotdeauna egal cu 8.314 J / (K × Mol). Cu toate acestea, ΔH_vap (entalpia volatilă) depinde de tipul de lichid de vaporizare dat de problemă. Acestea fiind spuse, puteți căuta valori ΔH_vap dintr-o varietate de substanțe la sfârșitul unui manual de chimie sau fizică sau căutați-l online (de ex. aici.)
   • În exemplul de mai sus, presupuneți că lichidul este apa pura. Dacă căutați în valoarea tabelului H_vap, avem ΔH_vap de apă purificată este de aproximativ 40,65 kJ / mol. Deoarece valoarea H utilizează unități joul, trebuie să o convertim în 40.650 J / mol.
   • Punând constante în ecuație, avem ln (1 / P2) = (40.650 / 8.314) ((1/393) - (1/295)).

4. 

   
   
   Rezolvați ecuația. După ce ați inserat toate valorile în variabilele ecuației, cu excepția variabilei pe care o calculăm, continuați să rezolvați ecuația conform principiului algebric obișnuit.
   • Cel mai greu punct la rezolvarea ecuației (ln (1 / P2) = (40.650 / 8.314) ((1/393) - (1/295))) este prelucrarea funcției logaritmice naturale (ln). Pentru a elimina funcția log naturală, utilizați ambele părți ale ecuației ca exponent al constantei matematice e. Cu alte cuvinte, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Acum să rezolvăm ecuația exemplului:
   • ln (1 / P2) = (40.650 / 8.314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) = (4.889,34) (- 0.00084)
   • (1 / P2) = e
   • 1 / P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 = 60,76 atm. Această valoare este rezonabilă - într-un vas închis, când temperatura crește cu aproape 100 de grade (la o temperatură cu aproximativ 20 de grade peste punctul de fierbere al apei), se generează mult abur, astfel încât presiunea va crește. mult.
   publicitate

Metoda 2 din 3: Găsiți presiunea de vapori a soluției dizolvate

1. 

   Scrie Legea lui Raoult. În realitate, lucrăm rar cu lichide pure - de multe ori trebuie să lucrăm cu amestecuri de substanțe diferite. Unele amestecuri obișnuite sunt create prin dizolvarea unei cantități mici dintr-o substanță chimică numită solut într-o cantitate mare de alte substanțe chimice numite Solvent a forma soluţie. În acest caz, trebuie să cunoaștem ecuația legii lui Raoult (numită după fizicianul François-Marie Raoult), care arată astfel: P_soluţie= P_SolventX_Solvent. În această formulă, variabilele reprezintă:
   • P_soluţie: Presiunea de vapori a tuturor soluțiilor (toate componentele soluției)
   • P_Solvent: Presiunea vaporilor de solvent
   • X_Solvent: Fracția molară a solventului.
   • Nu vă faceți griji dacă nu cunoașteți deja termenul „parte molară” - îl vom explica în pașii următori.

2. 

   Distingeți solvenții și solvenții din soluție. Înainte de a calcula presiunea de vapori a unei soluții, trebuie să identificați substanțele date de problemă. Rețineți că o soluție se formează atunci când un solvent este dizolvat într-un solvent - substanța chimică care este dizolvată este întotdeauna un dizolvat, iar substanța chimică care face treaba este solventul.
   • În această secțiune vom lua un exemplu simplu pentru a ilustra conceptele de mai sus. Să presupunem că vrem să găsim presiunea de vapori a soluției de sirop. De obicei siropul se prepară dintr-o parte de zahăr dizolvată într-o parte de apă, de aceea spunem zahărul este solutul și apa este solventul.
   • Notă: formula chimică pentru zaharoză (zahăr granulat) este C₁₂H₂₂O₁₁. Veți găsi aceste informații foarte importante.

3. 

   Găsiți temperatura soluției. După cum vedem în secțiunea menționată mai sus, Clausius Clapeyron, temperatura lichidului îi va afecta presiunea de vapori. În general, cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare presiunea vaporilor - cu cât temperatura crește, cu atât mai mult lichid se evaporă și crește presiunea din vas.
   • În acest exemplu, presupuneți că temperatura curentă a siropului este 298 K (aproximativ 25 C).

4. 

   Găsiți presiunea de vapori a solventului. Referințele chimice dau de obicei valori ale presiunii vaporilor pentru multe substanțe și amestecuri obișnuite, dar de obicei numai pentru valori ale presiunii la 25 ° C / 298 K sau la temperatura punctului de fierbere. Dacă soluția dvs. are această temperatură, atunci puteți utiliza o valoare de referință, altfel trebuie să găsiți presiunea de vapori la temperatura inițială a soluției.
   • Ecuația Clausius-Clapeyron poate ajuta aici, folosind presiunea și temperatura 298 K (25 C) pentru P1 și T1.
   • În acest exemplu, amestecul are o temperatură de 25 ° C, astfel încât să putem utiliza un tabel de căutare. Vedem apă la 25 ° C cu o presiune de vapori de 23,8 mmHg

5. 

   Găsiți fracția molară a solventului. Ultimul lucru pe care trebuie să-l faci înainte de a rezolva rezultatele este să găsești fracția molară a solventului. Acest lucru este destul de ușor: convertiți ingredientele în alunițe, apoi găsiți procentul fiecăruia dintre totalul aluniților amestecului. Cu alte cuvinte, porțiunea molară a fiecărei componente este egală (numărul de moli ai componentei) / (moli total ai amestecului).
   • Să presupunem că rețeta siropului este 1 litru (L) apă și 1 litru zaharoză (zahăr). Apoi, trebuie să găsim numărul de alunițe din fiecare ingredient. Pentru a face acest lucru, vom găsi masele fiecărui component, apoi vom folosi masa molară a acestor componente pentru a elabora moli.
   • Greutate (1 L apă): 1.000 grame (g)
   • Greutate (1 L zahăr brut): aproximativ 1056,7 g
   • Număr de moli (apă): 1.000 grame × 1 mol / 18.015 g = 55.51 mol
   • Moli (zahăr): 1.056,7 grame × 1 mol / 342.2965 g = 3,08 mol (Rețineți că puteți găsi masa molară a zahărului din formula sa chimică, C₁₂H₂₂O₁₁.)
   • Moli totale: 55,51 + 3,08 = 58,59 moli
   • Fracția molară de apă: 55,51 / 58,59 = 0,947

6. 

   Rezolvați rezultatele. În cele din urmă, avem suficiente date pentru a rezolva ecuația Raoult. Acest lucru este foarte ușor: conectați valorile la variabilele ecuației teoremei Raoult menționate la începutul acestei secțiuni (P_soluţie = P_SolventX_Solvent).
   • Înlocuind valorile, avem:
   • P_soluţie = (23,8 mmHg) (0,947)
   • P_soluţie = 22,54 mmHg. Acest rezultat este rezonabil - în termeni molari, doar puțin zahăr se dizolvă într-o mulțime de apă (deși aceste două sunt de fapt același volum), astfel încât presiunea vaporilor va scădea puțin.
   publicitate

Metoda 3 din 3: Găsiți presiunea aburului în cazuri speciale

1. 

   Identificați condițiile standard de presiune și temperatură. Oamenii de știință folosesc adesea o pereche de valori de presiune și temperatură ca condiții „implicite”. Aceste valori sunt denumite presiune și temperatură standard (denumite în mod colectiv condiție standard sau DKTC). Problemele de presiune a aburului se referă adesea la DKTC, deci ar trebui să memorați aceste valori pentru comoditate. DKTC este definit ca:
   • Temperatura: 273,15 K / 0 C / 32 F
   • Presiune: 760 mmHg / 1 atm / 101.325 kilopascali

2. 

   Treceți la ecuația Clausius-Clapeyron pentru a găsi alte variabile. În exemplul din partea 1, vedem că ecuația Clausius-Clapeyron este foarte eficientă atunci când vine vorba de calcularea presiunii de vapori a substanțelor pure. Cu toate acestea, nu toate problemele necesită găsirea P1 sau P2, dar de multe ori chiar cer să găsească temperatura sau chiar valoarea ΔH._vap. În acest caz, pentru a găsi răspunsul, trebuie doar să comutați ecuația astfel încât variabila dorită să fie pe o parte a ecuației și toate celelalte variabile să fie pe cealaltă parte.
   • De exemplu, să presupunem că există un lichid necunoscut cu o presiune de vapori de 25 torr la 273 K și 150 torr la 325 K și dorim să găsim entalpia volatilă a acestui lichid (ΔH_vap). Putem rezolva următoarele:
   • ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
   • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_vap/ R)
   • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH_vap. Acum să înlocuim valorile:
   • 8.314 J / (K × Mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_vap
   • 8.314 J / (K × Mol) × 3.033,90 = ΔH_vap = 25,223,83 J / mol

3. 

   Luați în considerare presiunea de vapori a substanței dizolvate pe măsură ce se evaporă. În exemplul de mai sus al Legii lui Raoult, soluția noastră este zahărul, astfel încât să nu se evapore singur la temperatura camerei (crezi că ai văzut vreodată un castron cu zahăr evaporându-se?). Cu toate acestea, atunci când substanța se dizolvă într-adevăr Dacă se evaporă, va afecta presiunea generală a vaporilor soluției. Calculăm această presiune folosind ecuația variabilă a legii lui Raoult: P_soluţie = Σ (P_ingredientX_ingredient). Simbolul (Σ) înseamnă că trebuie să adăugăm toate presiunile de vapori ale diferitelor componente pentru a găsi un răspuns.
   • De exemplu, să presupunem că avem o soluție formată din două substanțe chimice: benzen și toluen. Volumul total al soluției este de 120 ml; 60 mL benzen și 60 mL toluen. Temperatura soluției este de 25 ° C și presiunea de vapori a fiecărui component chimic la 25 ° C este de 95,1 mmHg pentru benzen și de 28,4 mmHg pentru toluen. Pentru valorile date, găsiți presiunea de vapori a soluției. Putem rezolva problema folosind densitatea, masa molară și presiunea de vapori a celor două substanțe chimice:
   • Volum (benzen): 60 mL = 0,06 L × 876,50 kg / 1.000 L = 0,053 kg = 53 g
   • Greutate (toluen): 0,06 L × 866,90 kg / 1.000 L = 0,052 kg = 52 g
   • Număr de moli (benzen): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
   • Număr de moli (toluen): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
   • Moli totale: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Fracția molară (benzen): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Fracția molară (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Rezolvați rezultatele: P_soluţie = P_benzenX_benzen + P_toluenX_toluen
   • P_soluţie = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • P_soluţie = 51,92 mmHg + 12,89 mmHg = 64,81 mmHg
   publicitate

Sfat

• Pentru a utiliza ecuația Clausius Clapeyron de mai sus, trebuie să convertiți temperatura în unități Kevin (notate cu K). Dacă aveți temperatura în grade Celsius, schimbați-o cu următoarea formulă: T_k = 273 + T_c
• Puteți aplica metodele de mai sus, deoarece energia este proporțională cu cantitatea de căldură furnizată. Temperatura lichidului este singurul factor de mediu care afectează presiunea vaporilor.