Conţinut

• Pași
• Metoda 1 din 3: Utilizarea ecuației Clapeyron-Clausius
• Metoda 2 din 3: Calcularea presiunii vaporilor în soluții
• Metoda 3 din 3: Calcularea presiunii aburului în cazuri speciale
• sfaturi

Ați lăsat vreodată o sticlă de apă timp de câteva ore sub soarele arzător și ați auzit un sunet „șuierător” când îl deschideți? Acest sunet este cauzat de presiunea aburului. În chimie, presiunea vaporilor este presiunea exercitată de vaporii unui lichid care se evaporă într-un recipient închis ermetic. Pentru a găsi presiunea vaporilor la o temperatură dată, utilizați ecuația Clapeyron-Clausius: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Pași

Metoda 1 din 3: Utilizarea ecuației Clapeyron-Clausius

1. 1 Notați ecuația Clapeyron-Clausius care este utilizată pentru a calcula presiunea vaporilor pe măsură ce se schimbă în timp. Această formulă poate fi utilizată pentru majoritatea problemelor fizice și chimice. Ecuația arată astfel: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)), Unde:
   • ΔH_vap Este entalpia de vaporizare a lichidului. De obicei, poate fi găsit într-un tabel din manualele de chimie.
   • R - constantă de gaz egală cu 8,314 J / (K × mol)
   • T1 este temperatura inițială (la care este cunoscută presiunea vaporilor).
   • T2 este temperatura finală (la care presiunea vaporilor este necunoscută).
   • P1 și P2 - presiunea aburului la temperaturile T1 și respectiv T2.
2. 2 Înlocuiți valorile cantităților date în ecuația Clapeyron-Clausius. Majoritatea problemelor dau două valori ale temperaturii și o valoare a presiunii sau două valori ale presiunii și o valoare a temperaturii.
   • De exemplu, un vas conține lichid la o temperatură de 295 K, iar presiunea sa de vapori este de 1 atmosferă (1 atm). Găsiți presiunea vaporilor la 393 K. Aici vi se oferă două temperaturi și o presiune, astfel încât să puteți găsi o presiune diferită folosind ecuația Clapeyron-Clausius. Înlocuind valorile date în formulă, veți obține: ln (1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • Vă rugăm să rețineți că în ecuația Clapeyron-Clausius, temperatura este întotdeauna măsurată în kelvin și presiunea în orice unitate de măsură (dar acestea trebuie să fie aceleași pentru P1 și P2).
3. 3 Înlocuiți constantele. Ecuația Clapeyron-Clausius conține două constante: R și ΔH_vap... R este întotdeauna 8,314 J / (K × mol). ΔH valoare_vap (entalpia vaporizării) depinde de substanță, presiunea vaporilor pe care încercați să o găsiți; această constantă poate fi găsită de obicei într-un tabel din manualele de chimie sau pe site-uri web (de exemplu, aici).
   • În exemplul nostru, să spunem că există apă în vas. ΔH_vap apa este egală cu 40,65 kJ / mol sau egală cu 40650 J / mol.
   • Conectați constantele în formulă și obțineți: ln (1 / P2) = (40650/8314) ((1/393) - (1/295)).
4. 4 Rezolvați ecuația folosind operații algebrice.
   • În exemplul nostru, variabila necunoscută se află sub semnul logaritmului natural (ln). Pentru a scăpa de logaritmul natural, convertiți ambele părți ale ecuației la puterea constantei matematice „e”. Cu alte cuvinte, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Acum rezolvați ecuația:
   • ln (1 / P2) = (40650 / 8.314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) = (4889,34) (- 0,00084)
   • (1 / P2) = e
   • 1 / P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 = 60,76 atm. Acest lucru are sens, deoarece creșterea temperaturii într-un vas închis ermetic cu 100 de grade va crește vaporizarea, ceea ce va crește semnificativ presiunea vaporilor.

Metoda 2 din 3: Calcularea presiunii vaporilor în soluții

1. 1 Notează legea lui Raoult. În viața reală, lichidele pure sunt rare; de multe ori ne ocupăm de soluții. O soluție se face prin adăugarea unei cantități mici dintr-o anumită substanță chimică numită „substanță dizolvată” la o cantitate mai mare dintr-o altă substanță chimică numită „solvent”. În cazul soluțiilor, utilizați legea lui Raoult:P_soluţie = P_solventX_solvent, Unde:
   • P_soluţie Este presiunea de vapori a soluției.
   • P_solvent Este presiunea de vapori a solventului.
   • X_solvent - fracția molară a solventului.
   • Dacă nu știți ce este o fracție molară, citiți mai departe.
2. 2 Determinați ce substanță va fi solventul și care va fi solutul. Amintiți-vă că un dizolvat este o substanță care se dizolvă într-un solvent, iar un solvent este o substanță care dizolvă un dizolvat.
   • Luați în considerare un exemplu de sirop. Pentru a obține un sirop, o parte a zahărului este dizolvată într-o parte a apei, astfel încât zahărul este un solut și apa este un solvent.
   • Rețineți că formula chimică pentru zaharoză (zahăr obișnuit) este C₁₂H₂₂O₁₁... Vom avea nevoie de el în viitor.
3. 3 Găsiți temperatura soluției, deoarece aceasta îi va afecta presiunea de vapori. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare presiunea vaporilor, deoarece vaporizarea crește odată cu creșterea temperaturii.
   • În exemplul nostru, să presupunem că temperatura siropului este de 298 K (aproximativ 25 ° C).
4. 4 Găsiți presiunea de vapori a solventului. Valorile presiunii vaporilor pentru multe substanțe chimice obișnuite sunt date în manualele de chimie, dar acestea sunt de obicei date la temperaturi de 25 ° C / 298 K sau la punctele lor de fierbere. Dacă în problemă vi se oferă astfel de temperaturi, utilizați valorile din cărțile de referință; în caz contrar, trebuie să calculați presiunea vaporilor la o anumită temperatură a substanței.
   • Pentru a face acest lucru, utilizați ecuația Clapeyron-Clausius, înlocuind presiunea vaporilor și temperatura de 298 K (25 ° C) în loc de P1 și respectiv T1.
   • În exemplul nostru, temperatura soluției este de 25 ° C, deci utilizați valoarea din tabelele de referință - presiunea de vapori a apei la 25 ° C este de 23,8 mmHg.
5. 5 Găsiți fracția molară a solventului. Pentru a face acest lucru, găsiți raportul dintre numărul de moli al unei substanțe și numărul total de moli din toate substanțele din soluție. Cu alte cuvinte, fracția molară a fiecărei substanțe este (numărul de aluni ai substanței) / (numărul total de aluni ai tuturor substanțelor).
   • Să spunem că ați folosit 1 litru de apă și 1 litru zaharoză (zahăr) pentru a face un sirop. În acest caz, este necesar să se găsească numărul de alunițe din fiecare substanță. Pentru a face acest lucru, trebuie să găsiți masa fiecărei substanțe și apoi să utilizați masele molare ale acestor substanțe pentru a obține alunițe.
   • Greutate de 1 litru de apă = 1000 g
   • Greutate de 1 litru de zahăr = 1056,7 g
   • Mole (apă): 1000 g × 1 mol / 18,015 g = 55,51 mol
   • Mole (zaharoză): 1056,7 g × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (rețineți că puteți găsi masa molară a zaharozei din formula sa chimică C₁₂H₂₂O₁₁).
   • Numărul total de moli: 55,51 + 3,08 = 58,59 moli
   • Fracția molară de apă: 55,51 / 58,59 = 0,947.
6. 6 Acum conectați datele și valorile găsite ale cantităților în ecuația Raoult dată la începutul acestei secțiuni (P_soluţie = P_solventX_solvent).
   • În exemplul nostru:
   • P_soluţie = (23,8 mmHg) (0,947)
   • P_soluţie = 22,54 mmHg Artă. Acest lucru are sens, deoarece o cantitate mică de zahăr este dizolvată într-o cantitate mare de apă (dacă este măsurată în moli; cantitatea lor este aceeași în litri), astfel încât presiunea vaporilor va scădea ușor.

Metoda 3 din 3: Calcularea presiunii aburului în cazuri speciale

1. 1 Definiția condițiilor standard. Adesea în chimie, valorile de temperatură și presiune sunt utilizate ca un fel de valoare „implicită”. Aceste valori se numesc temperatura și presiunea standard (sau condiții standard). În problemele de presiune a aburului, condițiile standard sunt adesea menționate, deci este mai bine să ne amintim valorile standard:
   • Temperatură: 273,15 K / 0˚C / 32 F
   • Presiune: 760 mmHg / 1 atm / 101,325 kPa
2. 2 Rescrieți ecuația Clapeyron-Clausius pentru a găsi alte variabile. Prima secțiune a acestui articol a arătat cum se calculează presiunile de vapori ale substanțelor pure. Cu toate acestea, nu toate problemele necesită găsirea presiunii P1 sau P2; în multe probleme este necesar să se calculeze temperatura sau valoarea lui ΔH_vap... În astfel de cazuri, rescrieți ecuația Clapeyron-Clausius izolând necunoscutul pe o parte a ecuației.
   • De exemplu, având în vedere un lichid necunoscut, a cărui presiune de vapori este de 25 Torr la 273 K și 150 Torr la 325 K. Este necesar să se găsească entalpia de vaporizare a acestui lichid (adică ΔH_vap). Soluția la această problemă:
   • 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 înlocuiți valorile date pentru dvs.:
   • 8,314 J / (K × mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_vap
   • 8,314 J / (K × mol) × 3033,90 = ΔH_vap = 25223,83 J / mol
3. 3 Luați în considerare presiunea de vapori a permeatului. În exemplul nostru din a doua secțiune a acestui articol, substanța dizolvată - zahărul - nu se evaporă, dar dacă substanța dizolvată produce abur (se evaporă), trebuie luată în considerare presiunea vaporilor. Pentru a face acest lucru, utilizați o formă modificată a ecuației lui Raoult: P_soluţie = Σ (P_substanţăX_substanţă), unde simbolul Σ (sigma) înseamnă că este necesar să se adauge valorile presiunilor de vapori ale tuturor substanțelor care alcătuiesc soluția.
   • De exemplu, luați în considerare o soluție formată din două substanțe chimice: benzen și toluen. Volumul total al soluției este de 120 mililitri (ml); 60 ml benzen și 60 ml toluen.Temperatura soluției este de 25 ° C, iar presiunea vaporilor la 25 ° C este de 95,1 mm Hg. pentru benzen și 28,4 mm Hg. pentru toluen. Este necesar să se calculeze presiunea de vapori a soluției. Putem face acest lucru folosind densitățile substanțelor, greutățile lor moleculare și valorile presiunii vaporilor:
   • Greutate (benzen): 60 ml = 0,06 l × 876,50 kg / 1000 l = 0,053 kg = 53 g
   • Masă (toluen): 0,06 L × 866,90 kg / 1000 L = 0,052 kg = 52 g
   • Mol (benzen): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
   • Mol (toluen): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
   • Numărul total de alunițe: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Fracția molară (benzen): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Fracția molară (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Soluție: P_soluţie = P_benzenX_benzen + P_toluenX_toluen
   • P_soluţie = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • P_soluţie = 51,92 mm Hg. Artă. + 12,89 mm Hg. Artă. = 64,81 mmHg Artă.

sfaturi

• Pentru a utiliza ecuația Clapeyron Clausius, temperatura trebuie specificată în grade Kelvin (notată cu K). Dacă temperatura dvs. este dată în grade Celsius, trebuie să o convertiți folosind următoarea formulă: T_k = 273 + T_c
• Metoda de mai sus funcționează deoarece energia este direct proporțională cu cantitatea de căldură. Temperatura lichidului este singurul factor de mediu care afectează presiunea vaporilor.