Zawartość

• Kroki
• Metoda 1 z 3: Korzystanie z równania Clapeyrona-Clausiusa
• Metoda 2 z 3: Obliczanie prężności par w roztworach
• Metoda 3 z 3: Obliczanie ciśnienia pary w szczególnych przypadkach
• Porady

Czy kiedykolwiek zostawiłeś butelkę wody na kilka godzin w palącym słońcu i usłyszałeś „syk” po otwarciu? Ten dźwięk jest spowodowany ciśnieniem pary. W chemii prężność pary to ciśnienie wywierane przez parę cieczy, która odparowuje w hermetycznie zamkniętym pojemniku. Aby znaleźć prężność pary w danej temperaturze, użyj równania Clapeyrona-Clausiusa: ln (P1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Kroki

Metoda 1 z 3: Korzystanie z równania Clapeyrona-Clausiusa

1. 1 Zapisz równanie Clapeyrona-Clausiusa, które służy do obliczania prężności pary w miarę jej zmiany w czasie. Ta formuła może być stosowana w większości problemów fizycznych i chemicznych. Równanie wygląda tak: ln (P1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)), gdzie:
   • H_wap Jest entalpią parowania cieczy. Zwykle można go znaleźć w tabeli w podręcznikach do chemii.
   • R - stała gazowa równa 8,314 J / (K × mol)
   • T1 to temperatura początkowa (przy której znana jest prężność pary).
   • T2 to temperatura końcowa (przy której prężność pary jest nieznana).
   • P1 i P2 - ciśnienie pary w temperaturach odpowiednio T1 i T2.
2. 2 Zastąp wartości podanych wielkości równaniem Clapeyrona-Clausiusa. Większość problemów podaje dwie wartości temperatury i wartość ciśnienia lub dwie wartości ciśnienia i wartość temperatury.
   • Na przykład naczynie zawiera ciecz o temperaturze 295 K, a jej prężność pary wynosi 1 atmosferę (1 atm). Znajdź ciśnienie pary w 393 K. Tutaj masz dwie temperatury i ciśnienie, więc możesz znaleźć różne ciśnienie za pomocą równania Clapeyrona-Clausiusa. Podstawiając wartości podane we wzorze otrzymujesz: ln (1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • Należy zauważyć, że w równaniu Clapeyrona-Clausiusa temperatura jest zawsze mierzona w kelwinach, a ciśnienie w dowolnej jednostce miary (ale muszą być takie same dla P1 i P2).
3. 3 Zastąp stałe. Równanie Clapeyrona-Clausiusa zawiera dwie stałe: R i ΔH_wap... R zawsze wynosi 8,314 J / (K × mol). ΔWartość H_wap (entalpia parowania) zależy od substancji, której prężność pary próbujesz znaleźć; tę stałą można zwykle znaleźć w tabeli w podręcznikach do chemii lub na stronach internetowych (na przykład tutaj).
   • W naszym przykładzie załóżmy, że w naczyniu jest woda. H_wap woda jest równa 40,65 kJ / mol lub równa 40650 J / mol.
   • Wstaw stałe do wzoru i uzyskaj: ln (1 / P2) = (40650/8314) ((1/393) - (1/295)).
4. 4 Rozwiąż równanie za pomocą operacji algebraicznych.
   • W naszym przykładzie nieznana zmienna znajduje się pod znakiem logarytmu naturalnego (ln). Aby pozbyć się logarytmu naturalnego, przekształć obie strony równania do potęgi stałej matematycznej „e”. Innymi słowy, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Teraz rozwiąż równanie:
   • 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. Ma to sens, ponieważ podniesienie temperatury w hermetycznie zamkniętym naczyniu o 100 stopni zwiększy parowanie, co znacznie zwiększy prężność pary.

Metoda 2 z 3: Obliczanie prężności par w roztworach

1. 1 Zapisz prawo Raoulta. W prawdziwym życiu czyste płyny są rzadkością; często mamy do czynienia z rozwiązaniami. Roztwór tworzy się przez dodanie niewielkiej ilości pewnej substancji chemicznej zwanej „substancją rozpuszczoną” do większej ilości innej substancji chemicznej zwanej „rozpuszczalnikiem”. W przypadku rozwiązań skorzystaj z prawa Raoulta:P_rozwiązanie = P_{rozpuszczalnik}x_{rozpuszczalnik}, gdzie:
   • P_rozwiązanie Czy ciśnienie pary roztworu.
   • P_{rozpuszczalnik} Jest prężnością par rozpuszczalnika.
   • x_{rozpuszczalnik} - ułamek molowy rozpuszczalnika.
   • Jeśli nie wiesz, co to jest ułamek molowy, czytaj dalej.
2. 2 Określ, która substancja będzie rozpuszczalnikiem, a która substancją rozpuszczoną. Przypomnijmy, że substancja rozpuszczona to substancja, która rozpuszcza się w rozpuszczalniku, a rozpuszczalnik to substancja, która rozpuszcza substancję rozpuszczoną.
   • Rozważ przykład syropu. Aby uzyskać syrop, jedną część cukru rozpuszcza się w jednej części wody, więc cukier jest substancją rozpuszczoną, a woda jest rozpuszczalnikiem.
   • Zauważ, że wzór chemiczny sacharozy (cukier zwykły) to C₁₂h₂₂O₁₁... Będziemy tego potrzebować w przyszłości.
3. 3 Znajdź temperaturę roztworu, ponieważ wpłynie to na jego prężność pary. Im wyższa temperatura, tym wyższe ciśnienie pary, ponieważ parowanie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
   • W naszym przykładzie załóżmy, że temperatura syropu wynosi 298 K (około 25 ° C).
4. 4 Znajdź prężność pary rozpuszczalnika. Wartości prężności par dla wielu popularnych chemikaliów są podane w podręcznikach chemii, ale zazwyczaj są one podawane w temperaturach 25°C/298 K lub w ich temperaturach wrzenia. Jeśli w problemie podano takie temperatury, użyj wartości z podręczników; w przeciwnym razie musisz obliczyć prężność pary w danej temperaturze substancji.
   • Aby to zrobić, użyj równania Clapeyrona-Clausiusa, zastępując odpowiednio prężność pary i temperaturę 298 K (25 ° C) zamiast P1 i T1.
   • W naszym przykładzie temperatura roztworu wynosi 25°C, więc skorzystaj z wartości z tabel referencyjnych – prężność pary wodnej przy 25°C wynosi 23,8 mmHg.
5. 5 Znajdź ułamek molowy rozpuszczalnika. Aby to zrobić, znajdź stosunek liczby moli substancji do całkowitej liczby moli wszystkich substancji w roztworze. Innymi słowy, ułamek molowy każdej substancji to (liczba moli substancji) / (całkowita liczba moli wszystkich substancji).
   • Załóżmy, że do przygotowania syropu zużyłeś 1 litr wody i 1 litr sacharozy (cukru). W takim przypadku konieczne jest znalezienie liczby moli każdej substancji. Aby to zrobić, musisz znaleźć masę każdej substancji, a następnie użyć mas molowych tych substancji, aby uzyskać mole.
   • Waga 1 litra wody = 1000 g
   • Waga 1 litra cukru = 1056,7 g
   • Mole (woda): 1000 g × 1 mol / 18,015 g = 55,51 mol
   • Mole (sacharoza): 1056,7 g × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mola (zauważ, że masę molową sacharozy można znaleźć na podstawie jej wzoru chemicznego C₁₂h₂₂O₁₁).
   • Całkowita liczba moli: 55,51 + 3,08 = 58,59 mol
   • Ułamek molowy wody: 55,51 / 58,59 = 0,947.
6. 6 Teraz podłącz dane i znalezione wartości wielkości do równania Raoulta podanego na początku tej sekcji (P_rozwiązanie = P_{rozpuszczalnik}x_{rozpuszczalnik}).
   • W naszym przykładzie:
   • P_rozwiązanie = (23,8 mmHg) (0,947)
   • P_rozwiązanie = 22,54 mmHg Sztuka. Ma to sens, ponieważ niewielka ilość cukru rozpuszcza się w dużej ilości wody (jeśli jest mierzona w molach, ich ilość jest taka sama w litrach), więc ciśnienie pary nieznacznie się zmniejszy.

Metoda 3 z 3: Obliczanie ciśnienia pary w szczególnych przypadkach

1. 1 Definicja warunków standardowych. Często w chemii wartości temperatury i ciśnienia są używane jako rodzaj „domyślnej” wartości. Wartości te nazywane są standardową temperaturą i ciśnieniem (lub standardowymi warunkami). W problemach z ciśnieniem pary często wspomina się o warunkach standardowych, dlatego lepiej zapamiętać wartości standardowe:
   • Temperatura: 273,15 K / 0˚C / 32 F
   • Ciśnienie: 760 mmHg / 1 atm / 101,325 kPa
2. 2 Przepisz równanie Clapeyrona-Clausiusa, aby znaleźć inne zmienne. W pierwszej części tego artykułu pokazano, jak obliczyć prężność par czystych substancji. Jednak nie wszystkie problemy wymagają znalezienia ciśnienia P1 lub P2; w wielu problemach konieczne jest obliczenie temperatury lub wartości ΔH_wap... W takich przypadkach przepisz równanie Clapeyrona-Clausiusa, izolując niewiadomą po jednej stronie równania.
   • Na przykład, biorąc pod uwagę nieznaną ciecz, której prężność pary wynosi 25 Torr w 273 K i 150 Torr w 325 K. Konieczne jest wyznaczenie entalpii parowania tej cieczy (czyli ΔH_wap). Rozwiązanie tego problemu:
   • ln (P1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
   • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_wap/ R)
   • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH_wap Teraz zastąp dla siebie podane wartości:
   • 8,314 J / (K × mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_wap
   • 8,314 J / (K × mol) × 3033,90 = ΔH_wap = 25223,83 J/mol
3. 3 Rozważ prężność pary permeatu. W naszym przykładzie z drugiej części tego artykułu substancja rozpuszczona - cukier - nie odparowuje, ale jeśli substancja rozpuszczona wytwarza parę (odparowuje), należy wziąć pod uwagę prężność pary. W tym celu użyj zmodyfikowanej postaci równania Raoulta: P_rozwiązanie = (P_substancjax_substancja), gdzie symbol Σ (sigma) oznacza, że ​​konieczne jest dodanie wartości prężności par wszystkich substancji tworzących roztwór.
   • Rozważmy na przykład roztwór złożony z dwóch substancji chemicznych: benzenu i toluenu. Całkowita objętość roztworu wynosi 120 mililitrów (ml); 60 ml benzenu i 60 ml toluenu.Temperatura roztworu wynosi 25 ° C, a prężność pary w 25 ° C wynosi 95,1 mm Hg. dla benzenu i 28,4 mm Hg. dla toluenu. Konieczne jest obliczenie prężności pary roztworu. Możemy to zrobić na podstawie gęstości substancji, ich mas cząsteczkowych i wartości ciśnienia pary:
   • Waga (benzen): 60 ml = 0,06 l × 876,50 kg / 1000 l = 0,053 kg = 53 g
   • Masa (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
   • Całkowita liczba moli: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Frakcja molowa (benzen): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Frakcja molowa (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Rozwiązanie: P_rozwiązanie = P_benzenx_benzen + P_toluenx_toluen
   • P_rozwiązanie = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • P_rozwiązanie = 51,92 mm Hg. Sztuka. + 12,89 mm Hg. Sztuka. = 64,81 mmHg Sztuka.

Porady

• Aby użyć równania Clapeyrona Clausiusa, temperaturę należy podać w stopniach Kelvina (oznaczoną przez K). Jeśli twoja temperatura jest podana w stopniach Celsjusza, musisz ją przeliczyć według następującego wzoru: T_k = 273 + T_C
• Powyższa metoda działa, ponieważ energia jest wprost proporcjonalna do ilości ciepła. Temperatura cieczy jest jedynym czynnikiem środowiskowym, który wpływa na prężność pary.