Cum se calculează presiunea aburului

Ai lăsat o sticlă de apă sub soarele fierbinte pentru câteva ore, apoi auzi un fluier ușor când îl deschizi din nou? Acest fenomen este cauzat de un principiu numit presiunea de vapori

conținut

Pași
Metoda 1folosind ecuația clausius-clapeyron
Metoda 2descoperirea presiunii vaporilor cu soluții dizolvate
Metoda 3descoperirea presiunii vaporilor în cazuri speciale
Sfaturi

. În chimie, presiunea de vapori este presiunea exercitată asupra pereților unui recipient închis atunci când substanța din el se evaporă, transformându-se în gaz. Pentru a afla presiunea vaporilor la o anumită temperatură, utilizați ecuația Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_abur/ R) ((1 / T2) - (1 / Ti)).

pași

Metoda 1
Folosind ecuația Clausius-Clapeyron

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 1

Scrieți ecuația lui Clausius-Clapeyron. Formula utilizată pentru a calcula presiunea de vapori, având în vedere o anumită modificare a presiunii existente se numește ecuația Clausius-Clapeyron (numit dupa fizice Rudolf Clausius Clapeyron și Benoit Paul Emile). În general, aceasta este formula necesară pentru a descoperi cele mai frecvente probleme legate de presiunea de vapori, existente în manualele de fizică și chimie. Este scrisă după cum urmează: ln (P1 / P2) = (ΔH_abur/ R) ((1 / T2) - (1 / Ti)). În această formulă, variabilele se referă la următoarele variabile:

DH_abur: Entalpia de vaporizare a lichidului. Această valoare poate fi găsită de obicei într-un tabel de pe coperta din spate a cărților de chimie.
R: Conținutul real de gaze, sau 8,314 J / (K × mol).
T1: Temperatura la care este cunoscută presiunea de vapori (sau temperatura inițială).
T2: Temperatura la care se găsește presiunea de vapori (sau temperatura finală).
P1 / P2: Presiunea de vapori la temperaturi T1 și, respectiv, T2.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 2

Introduceți variabilele cunoscute. Ecuația Clausius-Clapeyron pare a fi o provocare având în vedere numărul mare de variabile diferite, dar într-adevăr nu este dificil atunci când există informații adecvate. Cele mai multe probleme de bază ale presiunii de vapori vă va da două valori referitoare la temperatură și presiune relativă, sau două pe presiunea și temperatura - deoarece acestea sunt prezente, rezolvarea problemei va fi ușor.

De exemplu, să presupunem că avem un recipient plin cu lichid la o temperatură de 295 K, a cărui presiune de vapori este egală cu 1 atm. Întrebarea este: Care este presiunea vaporilor la temperatura de 393 K?Avem două valori de temperatură și una de presiune, astfel încât să putem rezolva problema cu ecuația Clausius-Clapeyron. Introducerea variabilelor, vom avea: ln (1 / P2) = (ΔH_abur/ N) ((1/393) - (1/295))
Rețineți că în ecuațiile Clausius-Clapeyron este necesar să introduceți valorile temperaturii în grade Kelvin. Puteți utiliza orice valori de presiune atâta timp cât acestea sunt în unități identice la P1 și P2.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 3

Introduceți constantele. Ecuația Clausius-Clapeyron conține două constante: R și ΔH_abur. R este întotdeauna egal cu 8,314 J / (K × mol). Valoarea ΔH_abur (entalpia de vaporizare), totuși, depinde de substanța a cărei presiune de vapori este examinată. Așa cum am menționat mai devreme, ați putea găsi valorile pentru ΔH_abur referitoare la diferite substanțe de pe coperta din spate a cărților de chimie sau fizică sau online (de exemplu, aici).

În exemplul nostru, să presupunem că lichidul nostru constă din apă lichidă pură. Dacă ne uităm la o tabelă de valori ale lui ΔH_abur, vom constata că ΔH_abur va fi aproximativ egal cu 40,65 KJ / mol. Deoarece valoarea noastră pentru H folosește jouli, putem converti numărul la care se găsește 40,650 J / mol.
Prin introducerea constantelor în ecuația noastră, vom avea: ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295)).

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 4

Rezolvați ecuația. După ce ați introdus toate variabilele introduse în ecuație, cu excepția celei care urmează a fi descoperită, procedați prin rezolvarea ei conform regulilor de algebră obișnuită.

Singura parte dificilă a ecuației - ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295)) - este de a trata logaritmul natural (ln). Pentru a anula un logaritm natural, pur și simplu folosiți ambele părți ale ecuației ca exponent pentru constanta matematică și. Cu alte cuvinte: ln (x) = 2 → e^{ln (x)} = e² → x = e².
Acum, să rezolvăm ecuația:
- ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295))
- ln (1 / P2) = (4,889,34) (- 0,00084)
- (1 / P2) = e^(-4.107)
- 1 / P2 = 0,0165
- P2 = 0,0165^-1 = 60,76 atm. Acest lucru are sens - într-un vas închis, această creștere a temperaturii cu aproape 100 de grade (până la aproape 20 de grade deasupra punctului de fierbere al apei) creează o mare cantitate de abur, crescând considerabil presiunea internă.

Metoda 2
Descoperirea presiunii vaporilor cu soluții dizolvate

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 5

Scrieți Legea lui Raoult. În viața reală, este rar să lucrăm cu un singur lichid pur - de obicei, avem de-a face cu lichide compuse din amestecuri de diferite substanțe compuse. Unele dintre cele mai frecvente dintre acestea sunt create prin dizolvarea unei cantități mici într-o anumită substanță chemată solut în cantități mari de substanțe chimice numite solvent, crearea unui soluție. În aceste cazuri, este util să cunoaștem o ecuație numită Legea lui Raoult (numită după fizicianul François-Marie Raoult), care seamănă cu următoarele: P_soluție = P_solvent × X_solvent. În această formulă, variabilele se referă la:

P_soluție: Presiunea de vapori a întregii soluții (toate componentele combinate).
P_solvent: Presiunea de vapori a solventului.
X_solvent: Fracția molară a solventului.
Nu vă faceți griji dacă nu cunoașteți termeni precum "fracție molară" - acestea vor fi explicate în etapele următoare.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 6

Identificați solventul și soluția în soluția dumneavoastră. Înainte de a calcula presiunea de vapori a unui lichid mixt, trebuie să identificați substanțele cu care lucrați. Este important să ne amintim că se formează o soluție atunci când o substanță dizolvată este dizolvată într-un solvent - substanța dizolvată este întotdeauna substanța dizolvată și substanța care se dizolvă este întotdeauna solventul.

Vom lucra printr-un exemplu simplu pentru a ilustra conceptele care vor fi discutate. De exemplu, să presupunem că ne propunem să aflăm presiunea de vapori a unui sirop obișnuit. În mod tradițional, această substanță constă dintr-o parte din zahăr dizolvat într-o parte a apei, astfel încât zahărul este substanța dizolvată și apa, solventul.
Rețineți că formula chimică pentru zaharoză (zahăr comun) este C₁₂H₂₂₁₁. Va fi important în curând.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 7

Găsiți temperatura soluției. După cum se vede în secțiunea Clausius-Clapeyron de mai sus, temperatura lichidului va afecta presiunea vaporilor. În general, cu cât este mai mare temperatura, cu atât este mai mare presiunea de vapori - cu cât crește temperatura, cu atât mai mult lichid se va evapora, formând vapori și crește presiunea internă a vasului.

În exemplul nostru, să spunem că temperatura curentă a siropului comun este egală cu 298 K (aproximativ 25 ° C).

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 8

Aflați presiunea de vapori a solventului. Materialele chimice de referință prezintă, în general, valori ale presiunii vaporilor pentru diferiți compuși și substanțe comune, dar în general vor fi prezentate la temperatura de 25 ° C (298 K) sau la punctul lor de fierbere. Dacă soluția dvs. se află la una dintre aceste temperaturi, puteți utiliza valoarea de referință. Dacă nu, trebuie să aflați presiunea de vapori la temperatura actuală.

Raportul Clausius-Clapeyron poate ajuta în acest moment - folosiți presiunea de vapori de referință și respectiv 298 K (25 ° C) pentru P1 și respectiv T1.
În exemplul nostru, amestecul este la 25 ° C, deci putem folosi tabelele de referință. Se constată că apa la 25 ° C are o presiune a vaporilor egală cu 23,8 mm Hg.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 9

Aflați fracția molară a solventului. Ultimul care trebuie făcut înainte de a rezolva ecuația este să descoperi fracția molară a solventului nostru. Găsirea acestei valori este ușoară: trebuie doar să convertiți componentele în cariere și apoi să aflați procentajul din numărul total de cariere din substanța ocupată de fiecare componentă. Cu alte cuvinte, fiecare fracție molară este egală cu: (moli de componentă) / (număr total de moli în substanță).

Să spunem că se folosește reteta noastră de sirop comun 1 litru de apă și 1 litru de zaharoză (zahăr). În acest caz, trebuie să aflăm numărul de moli ai fiecărei substanțe. Pentru a face acest lucru, este necesar să găsim masa fiecăruia și apoi să folosim masa molară pentru a converti această valoare la moli.
- 1 litru de apă: 1000 grame (g).
- Pasta de 1 litru de zahăr comun: aproximativ 1056,7 g.
- Solide de apă: 1000 g × 1 mol / 18,015 g = 55,51 moli.
- Moli de zaharoză: 1,056,7 g × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 moli (rețineți că este posibil determină masa molară de zaharoză din formula sa chimică, C₁₂H₂₂₁₁).
- Total moli: 55,51 + 3,08 = 58,59 moli.
- Fracțiunea molară de apă: 55,51 / 58,59 = 0.947.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 10

Rezolvați ecuația. În cele din urmă, avem tot ce este necesar pentru a rezolva ecuația legii lui Raoult. Această parte este surprinzător de simplă: introduceți doar valorile variabilelor în ecuația simplificată prezentă la începutul secțiunii: P_soluție = P_solvent × X_solvent.

Înlocuind valorile actuale, avem:
- P_soluție = (23,8 mm Hg) (0,947).
- P_soluție = 22,54 mm Hg. Acest lucru are sens - pe bază molară, există doar un pic de zahăr dizolvat în multă apă (chiar dacă, în practică, ambele ingrediente au același volum), astfel încât presiunea de vapori va scădea ușor.

Metoda 3
Descoperirea presiunii vaporilor în cazuri speciale

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 11

Fiți conștienți de condițiile normale de temperatură și de presiune. Oamenii de știință folosesc adesea, pentru comoditate, un set de valori "standardizate" pentru temperatură și presiune. Se numesc Condiții normale de temperatură și presiune sau CNTP. Problemele de presiune a vaporilor se referă de obicei la condițiile CNTP și este destul de practic să aveți aceste valori întotdeauna în memorie. Valorile CNTP sunt definite ca:

Temperatura: 273.15 K / 0 ° C / 32 ° F.
presiune: 760 mm Hg / 1 atm / 101,325 kPa.

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 12

Rearanjați ecuația Clausius-Clapeyron pentru a găsi alte variabile. În exemplul nostru, în secțiunea 1, observăm că ecuația Clausius-Clapeyron este foarte utilă pentru a descoperi presiunile vaporilor în raport cu substanțele pure. Cu toate acestea, nu toate întrebările vă vor cere să aflați valoarea P1 sau P2 - mulți vă doresc să găsiți o valoare a temperaturii sau chiar valoarea lui ΔH_abur. Din fericire, în aceste cazuri, pentru a obține răspunsul corect, rearanjați pur și simplu ecuația pentru a lăsa doar variabila care trebuie rezolvată pe o parte a egalității.

De exemplu, să presupunem că fie un lichid necunoscut, cu presiune de vapori de 25 torr, la 273 K, este egal cu 150 torr, 325 K, și dorim să găsim că vaporizarea lichidului entalpie (DH_abur). Am putea rezolva problema după cum urmează:
- ln (P1 / P2) = (ΔH_abur/ R) ((1 / T2) - (1 / Ti))
- (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) =_abur/ R)
- R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH_abur
Acum, introduceți valorile:
- 8,314 J / (KxMol) x (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_abur
- 8,314 J / (KxMol) × 3,033,90 = ΔH_abur = 25,223,83 J / mol

Imaginea intitulată Calculați presiunea vaporilor Pasul 13

Luați în considerare presiunea de vapori a substanței dizolvate când produce abur. In exemplul de mai sus legea Raoult, solut (de zahăr) nu produce nici un abur pe cont propriu, la temperaturi normale (cred - cand ai vazut un castron de zahăr se evaporă pe masa de bucătărie?). Cu toate acestea, atunci când solute de fapt se evaporă, acest lucru va influența presiunea vaporilor. Vom lua acest lucru în considerare atunci când vom folosi o versiune modificată a ecuației lui Raoult`s Law: P_soluție = Σ (P_component × X_component). Sigma (Σ) înseamnă că trebuie să rezumăm toate presiunile de vapori ale diferitelor componente pentru a ajunge la răspuns.

De exemplu, să presupunem că avem o soluție compusă din două substanțe chimice: benzen și toluen. Volumul total al soluției este egal cu 120 mililitri (ml): 60 ml de benzen și 60 ml de toluen. Temperatura soluției este de 25 ° C și presiunea de vapori a fiecăreia dintre aceste substanțe, la 25 ° C este egală cu 95,1 mm Hg pentru benzen și 28,4 mm Hg pentru toluen . Având în vedere aceste valori, aflați presiunea de vapori a soluției. Putem rezolva problema după cum urmează, folosind valorile standard ale densității, masei moleculare și presiunii de vapori relativ la cele două substanțe:
- Masa (benzen): 60 ml = 0,060 l × 876,5 kg / 1000 l = 0,053 kg = 53 g.
- Masa (toluen): 0,060 l × 866,9 kg / 1000 l = 0,052 kg = 52 g.
- Mols (benzen): 53 g x 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol.
- Mole (toluen): 52 g x 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol.
- Total moli: 0.679 + 0.564 = 1.243.
- Fracțiunea molară (benzen): 0,679 / 1,243 = 0,546.
- Fracție molară (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454.
Rezolvați: P_soluție = P_benzen × X_benzen + P_toluen × X_toluen.
- P_soluție = (95,1 mm Hg) (0,546) + (28,4 mm Hg) (0,454).
- P_soluție = 51,92 mm Hg + 12,89 mm Hg = 64,81 mm Hg.

sfaturi

Pentru a folosi ecuația Clausius-Clapeyron de mai sus, temperatura trebuie măsurată în grade Kelvin (exprimată în K). Dacă aveți temperatura în grade Celsius, trebuie să o convertiți cu următoarea formulă: T_K = 273 + T_C.
Metodele menționate mai sus funcționează deoarece energia este direct proporțională cu cantitatea de căldură livrată. Temperatura lichidului este singurul factor de mediu pe care depinde presiunea de vapori.

Distribuiți pe rețelele sociale:

înrudit