3 mënyra për të llogaritur presionin e avullit

2024 Autor: Jason Gerald | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-02-01 14:15

A keni lënë ndonjëherë një shishe ujë në diellin e nxehtë për disa orë dhe keni dëgjuar një zhurmë të lehtë "fishkëllimë" kur e hapët? Kjo është për shkak të një parimi të quajtur presioni i avullit. Në kimi, presioni i avullit është presioni i ushtruar nga muret e një ene të mbyllur kur substanca kimike në të avullon (kthehet në një gaz). Për të gjetur presionin e avullit në një temperaturë të caktuar, përdorni ekuacionin Clausius-Clapeyron: ln (P1/P2) = (ΔH_avull/R) ((1/T2) - (1/T1)).

Hapi

Metoda 1 nga 3: Përdorimi i Ekuacionit Clausius-Clapeyron

Hapi 1. Shkruani ekuacionin Clausius-Clapeyron

Formula e përdorur për të llogaritur presionin e avullit me ndryshimin e presionit të avullit me kalimin e kohës quhet ekuacioni Clausius – Clapeyron (i quajtur sipas fizikanëve Rudolf Clausius dhe Benoît Paul mile Clapeyron.) Kjo është në thelb formula që do t'ju duhet për të zgjidhur shumicën e llojeve të problemeve Pyetjet për presionin e avullit gjenden shpesh në orët e fizikës dhe kimisë. Formula është kështu: ln (P1/P2) = (ΔH_avull/R) ((1/T2) - (1/T1))Me Në këtë formulë, variablat përfaqësojnë:

• H_avull:

  Entalpia e avullimit të një lëngu. Kjo entalpi zakonisht mund të gjendet në tabelën në pjesën e pasme të librit shkollor të kimisë.

• R:

  Konstanta reale/universale e gazit, ose 8.314 J/(K × Mol).

• P1:

  Temperatura në të cilën dihet presioni i avullit (ose temperatura fillestare).

• T2:

  Temperatura në të cilën presioni i avullit është i panjohur/dëshirohet të gjendet (ose temperatura përfundimtare).

• P1 dhe P2:

  Presioni i avullit në temperaturat T1 dhe T2, respektivisht.

Hapi 2. Shkruani variablat që njihni

Ekuacioni Clausius-Clapeyron duket i komplikuar sepse ka shumë ndryshore të ndryshme, por në fakt nuk është aq e vështirë nëse keni informacionin e duhur. Shumica e problemeve themelore të presionit të avullit do të rendisin dy vlera të temperaturës dhe një vlerë të presionit ose dy vlera të presionit dhe një vlerë të temperaturës - pasi ta kuptoni këtë, zgjidhja e këtij ekuacioni është shumë e lehtë.

• Për shembull, thoni që na thuhet se kemi një enë plot me lëng në 295 K presioni i avullit të të cilit është 1 atmosferë (atm). Pyetja jonë është: Sa është presioni i avullit në 393 K? Ne kemi dy vlera të temperaturës dhe një vlerë presioni, kështu që mund të gjejmë vlerat e tjera të presionit duke përdorur ekuacionin Clausius-Clapeyron. Duke futur variablat tanë, ne marrim ln (1/P2) = (ΔH_avull/R) ((1/393) - (1/295)).
• Vini re se, për ekuacionin Clausius-Clapeyron, gjithmonë duhet të përdorni vlerën e temperaturës KelvinMe Ju mund të përdorni çdo vlerë presioni për sa kohë që vlerat për P1 dhe P2 janë të njëjta.

Hapi 3. Futni konstantet tuaja

Ekuacioni Clausius-Clapeyron ka dy konstante: R dhe H_avullMe R gjithmonë është e barabartë me 8.314 J/(K × Mol). Megjithatë, H_avull (entalpia e avullimit) varet nga substanca presioni i avullit të së cilës po kërkoni. Siç u përmend më lart, zakonisht mund të gjeni vlerat e H_avull për substanca të ndryshme në pjesën e pasme të një libri shkollor të kimisë ose fizikës, ose në internet (si, për shembull, këtu.)

• Në shembullin tonë, supozoni se lëngu ynë është uje i paster.

  Nëse shikojmë në tabelë vlerat e H_avull, gjejmë se H_avull uji i pastër është rreth 40.65 KJ/mol. Meqenëse vlera jonë H është në xhaul, dhe jo kilojoule, ne mund ta konvertojmë atë në 40,650 J/mol.

• Duke futur konstantet tona, ne marrim ln (1/P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295)).

Hapi 4. Zgjidh ekuacionin

Pasi të keni përfshirë të gjitha ndryshoret në ekuacion, përveç atij që po kërkoni, vazhdoni me zgjidhjen e ekuacionit sipas rregullave të algjebrës së zakonshme.

• Pjesa e vetme e vështirë e zgjidhjes së ekuacionit tonë (ln (1/P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295))) po zgjidh logun natyror (ln). Për të hequr regjistrin natyror, thjesht përdorni të dy anët e ekuacionit si eksponentë për konstantën matematikore e. Me fjale te tjera, ln (x) = 2 → e^{në (x)} = e² → x = e².

• Tani, le të zgjidhim ekuacionin tonë:
• ln (1/P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295))
• ln (1/P2) = (4889, 34) (-0, 00084)
• (1/P2) = e^{(-4, 107)}
• 1/P2 = 0.0165

• P2 = 0.0165^-1 = 60, 76 atm.

  Kjo ka kuptim - në një enë të mbyllur, ngritja e temperaturës në pothuajse 100 gradë (në pothuajse 20 gradë mbi pikën e vlimit) do të prodhojë shumë avull, duke rritur presionin me shpejtësi.

Metoda 2 nga 3: Gjetja e presionit të avullit me tretësirë të tretur

Hapi 1. Shkruani Ligjin e Raoult -it

Në jetën reale, ne rrallë punojmë me një lëng të pastër - zakonisht, ne punojmë me një lëng që është një përzierje e disa substancave të ndryshme. Disa nga përzierjet më të përdorura bëhen duke shpërndarë një sasi të vogël të një kimikati të caktuar të quajtur tretësirë në shumë kimikate të quajtur tretës për të bërë një zgjidhje. Në këto raste, është e dobishme të njihni një ekuacion të quajtur Ligji i Raoult (i emëruar pas fizikanit François-Marie Raoult), i cili është shkruar kështu: P_{i tretur}= P_tretësX_tretësMe Në këtë formulë, variablat përfaqësojnë;

• P_{i tretur}:

  Presioni i avullit të të gjithë zgjidhjes (të gjithë elementët e kombinuar)

• P_tretës:

  Presioni i avullit të tretësit

• X_tretës:

  Pjesa mole e tretësit

• Mos u shqetësoni nëse nuk i njihni termat si thyesa e nishanit - ne do t'i shpjegojmë ato në hapat e ardhshëm.

Hapi 2. Përcaktoni tretësin dhe tretësirën në tretësirën tuaj

Para se të llogaritni presionin e avullit të një lëngu të përzier, duhet të identifikoni substancat që përdorni. Si kujtesë, një tretësirë formohet kur një tretësirë tretet në një tretës - kimikati që tretet quhet gjithmonë i tretur, dhe kimikati që e bën atë të tretet quhet gjithmonë tretës.

• Le të punojmë duke përdorur shembujt e thjeshtë në këtë pjesë për të ilustruar konceptet që diskutojmë. Për shembullin tonë, le të themi se duam të gjejmë presionin e avullit të shurupit të sheqerit. Tradicionalisht, shurupi i sheqerit është sheqer i tretshëm në ujë (raporti 1: 1), kështu që mund ta themi këtë sheqeri është tretësi ynë dhe uji është tretësi ynë.
• Vini re se formula kimike për saharozën (sheqeri i tryezës) është C₁₂H₂₂O₁₁Me Kjo formulë kimike do të jetë shumë e rëndësishme.

Hapi 3. Gjeni temperaturën e tretësirës

Siç e pamë në pjesën Clausius Clapeyron më lart, temperatura e një lëngu do të ndikojë në presionin e avullit të tij. Në përgjithësi, sa më e lartë të jetë temperatura, aq më i madh është presioni i avullit - me rritjen e temperaturës, më shumë lëng do të avullojë dhe do të krijojë avull, duke rritur presionin në enë.

Në shembullin tonë, le të themi se temperatura e shurupit të sheqerit në këtë pikë është 298 K (rreth 25 ° C).

Hapi 4. Gjeni presionin e avullit të tretësit

Materialet referuese kimike zakonisht kanë vlera të presionit të avullit për shumë substanca dhe komponime të përdorura zakonisht, por këto vlera të presionit janë zakonisht të vlefshme vetëm nëse substanca ka një temperaturë prej 25 C/298 K ose pikën e vlimit të saj. Nëse zgjidhja juaj ka një nga këto temperatura, mund të përdorni një vlerë referimi, por nëse jo, do t'ju duhet të gjeni presionin e avullit në atë temperaturë.

• Clausius -Clapeyron mund të ndihmojë - përdorni një presion të avullit referues dhe 298 K (25 C) për P1 dhe T1 respektivisht.
• Në shembullin tonë, përzierja jonë ka një temperaturë prej 25 C, kështu që ne lehtë mund të përdorim tabelën tonë të lehtë të referencës. Ne e dimë se në 25 C, uji ka një presion avulli prej 23.8 mm HG

Hapi 5. Gjeni fraksionin e nishanit të tretësit tuaj

Gjëja e fundit që duhet të bëjmë para se ta zgjidhim këtë është të gjejmë pjesën e nishanit të tretësit tonë. Gjetja e fraksionit të nishanit është e lehtë: thjesht shndërroni komponimet tuaja në nishane, pastaj gjeni përqindjen e secilit përbërës në numrin e përgjithshëm të nishaneve në substancë. Me fjalë të tjera, fraksioni mol i secilit përbërës është i barabartë me (nishanet e përbërjes)/(numri i përgjithshëm i nishaneve në substancë).

• Supozoni se receta jonë për përdorimet e shurupit të sheqerit 1 litër (L) ujë dhe 1 litër sakarozë (sheqer).

  Në këtë rast, duhet të gjejmë numrin e nishaneve të secilit përbërës. Për ta bërë këtë, ne do të gjejmë masën e secilit përbërës, pastaj do të përdorim masën molare të substancës për ta kthyer atë në nishane.

• Masa (1 L ujë): 1.000 gram (g)
• Masa (1 L sheqer të papërpunuar): Afërsisht 1,056, 8 g
• Nishanet (uji): 1.000 gram × 1 mol/18.015 g = 55.51 mol
• Nishanet (saharoza): 1,056, 7 gram × 1 mol/342,2965 g = 3,08 nishane (vini re se ju mund të gjeni masën molare të saharozës nga formula e saj kimike, C₁₂H₂₂O₁₁.)
• Nishanet totale: 55.51 + 3.08 = 58.59 mol
• Pjesa mole e ujit: 55, 51/58, 59 = 0, 947

Hapi 6. Përfundoni

Së fundi, ne kemi gjithçka që na nevojitet për të zgjidhur ekuacionin tonë të Ligjit Raoult. Kjo pjesë është shumë e lehtë: thjesht futni vlerat tuaja për variablat në ekuacionin e thjeshtuar të Ligjit Raoult në fillim të këtij seksioni (P_{i tretur} = P_tretësX_tretës).

• Duke futur vlerat tona, marrim:
• P_zgjidhje = (23.8 mm Hg) (0, 947)

• P_zgjidhje = 22.54 mm Hg.

  Rezultati ka kuptim - në aspektin e nishanit, ka shumë pak sheqer të tretur në shumë ujë (megjithëse në terma të botës reale, të dy përbërësit kanë të njëjtin vëllim), kështu që presioni i avullit do të ulet vetëm pak.

Metoda 3 nga 3: Gjetja e presionit të avullit në raste të veçanta

Hapi 1. Kini kujdes me kushtet e Temperaturës Standarde dhe Presionit

Shkencëtarët shpesh përdorin një sërë vlerash të temperaturës dhe presionit si një "standard" i lehtë për t’u përdorur. Këto vlera quhen Temperatura dhe Presioni Standard (ose STP). Problemet e presionit të avullit shpesh i referohen kushteve STP, kështu që është e rëndësishme të mbani mend këto vlera. Vlerat STP përcaktohen si:

• Temperatura: 273, 15 K / 0 C / 32 F
• Presioni: 760 mm Hg / 1 atm / 101, 325 kilopaskalë

Hapi 2. Rirregulloni ekuacionin Clausius-Clapeyron për të gjetur ndryshoret e tjera

Në shembullin tonë në Pjesën 1, ne pamë se ekuacioni Clausius – Clapeyron është shumë i dobishëm për të gjetur presionin e avullit për substanca të pastra. Sidoqoftë, jo të gjitha pyetjet do t'ju kërkojnë të kërkoni P1 ose P2 - shumë do t'ju kërkojnë të gjeni vlerën e temperaturës ose ndonjëherë edhe vlerën H._avullMe Për fat të mirë, në këto raste, marrja e përgjigjes së duhur është thjesht një çështje e rirregullimit të ekuacionit në mënyrë që ndryshoret që dëshironi të zgjidhni të jenë të ndara në njërën anë të shenjës së barazimit.

• Për shembull, themi se kemi një lëng të panjohur me një presion avulli prej 25 torr në 273 K dhe 150 torr në 325 K, dhe duam të gjejmë entalpinë e avullimit të këtij lëngu (ΔH_avull) Mund ta zgjidhim kështu:
• ln (P1/P2) = (ΔH_avull/R) ((1/T2) - (1/T1))
• (ln (P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = (ΔH_avull/R)
• R × (ln (P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = H_avull Tani, ne futim vlerat tona:
• 8, 314 J/(K × Mol) (-1, 79)/(-0, 00059) = H_avull
• 8, 314 J/(K × Mol) × 3,033, 90 = H_avull = 25,223, 83 J/mol

Hapi 3. Llogaritni presionin e avullit të tretësirës kur substanca prodhon avull

Në shembullin tonë të Ligjit Raoult më lart, tretësira jonë, sheqeri, nuk ushtron asnjë presion më vete në temperatura normale (mendoni - kur ishte hera e fundit që keni parë që një tas sheqer të avullojë në dollapin tuaj të sipërm?) Megjithatë, kur tretësira juaj bëri avullojë, kjo do të ndikojë në presionin tuaj të avullit. Ne e llogarisim këtë duke përdorur një version të modifikuar të ekuacionit të Ligjit të Raoult: P_zgjidhje = (F_kompleksX_kompleks) Simboli sigma (Σ) do të thotë që ne vetëm duhet të shtojmë të gjitha presionet e avullit të përbërjeve të ndryshme për të marrë përgjigjen tonë.

• Për shembull, thoni që kemi një zgjidhje të bërë nga dy kimikate: benzeni dhe tolueni. Vëllimi i përgjithshëm i tretësirës është 12 mililitra (mL); 60 ml benzen dhe 60 ml toluen. Temperatura e tretësirës është 25 ° C dhe presionet e avullit të secilës prej këtyre kimikateve në 25 ° C janë 95.1 mm Hg për benzen dhe 28.4 mm Hg për toluen. Me këto vlera, gjeni presionin e avullit të tretësirës. Ne mund ta bëjmë këtë si më poshtë, duke përdorur densitetin standard, masën molare dhe vlerat e presionit të avullit për dy kimikatet tona:
• Masa (benzeni): 60 ml = 0.060 L & herë 876.50 kg/1.000 L = 0.053 kg = 53 g
• Masa (toluen): 0.060 L & herë 866, 90 kg/1.000 L = 0.052 kg = 52 g
• Mol (benzen): 53 g × 1 mol/78, 11 g = 0.679 mol
• Nishanet (tolueni): 52 g × 1 mol/92, 14 g = 0.564 mol
• Nishanet totale: 0.679 + 0.564 = 1.243
• Pjesa mole (benzen): 0.679/1, 243 = 0.546
• Pjesa e moleve (toluen): 0.564/1, 243 = 0.454
• Zgjidhja: P_zgjidhje = P_benzenX_benzen + F_toluenX_toluen
• P_zgjidhje = (95.1 mm Hg) (0, 546) + (28.4 mm Hg) (0, 454)
• P_zgjidhje = 51.92 mm Hg + 12.89 mm Hg = 64, 81 mm Hg

Këshilla

• Për të përdorur ekuacionin Clausius Clapeyron më lart, temperatura duhet të matet në Kelvin (e shkruar si K). Nëse keni temperaturën në Celsius, atëherë duhet ta konvertoni duke përdorur formulën e mëposhtme: T_k = 273 + T_c
• Metodat e mësipërme mund të përdoren sepse energjia është saktësisht proporcionale me sasinë e nxehtësisë së aplikuar. Temperatura e lëngut është faktori i vetëm mjedisor që ndikon në presionin e avullit.