Turinys

• Žingsniai
• Patarimas

Ar kada nors kelioms valandoms palikote vandens butelį saulėje, tada atidarę dangtį išgirdote nedidelį „popsą“? Šis garsas priklauso garų slėgis priežasties butelyje. Chemijoje garų slėgis yra slėgis, veikiantis uždaro indo sienelę, kai skystis inde garuoja (virsta dujomis). Norėdami sužinoti garų slėgį esant žinomai temperatūrai, naudokite Clausius-Clapeyron lygtį: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Žingsniai

1 metodas iš 3: naudokite Clausius-Clapeyron lygtį

1. 

   Parašykite Clausius-Clapeyron lygtį. Svarstant garų slėgio kitimą bėgant laikui, garų slėgio apskaičiavimo formulė yra Clausius-Clapeyron lygtis (pavadinta fizikų Rudolfo Clausiuso ir Benoîto Paulo Émile'o Clapeyrono vardu). Tai dažniausiai naudojama formulė, skirta išspręsti bendras fizikos ir chemijos garų slėgio problemas. Formulė parašyta taip: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). Šioje formulėje kintamieji rodo:
   • ΔH_vap: Skysčių garavimo entalpija. Šią vertę galite rasti chemijos vadovėlio pabaigoje esančioje lentelėje.
   • R: Ideali dujų konstanta ir lygi 8 314 J / (K × Mol).
   • T1: Temperatūra, kurioje žinoma garų slėgis (pradinė temperatūra).
   • T2: Temperatūra, kuriai esant reikalingas garų slėgis (galutinė temperatūra).
   • P1 ir P2: Atitinkamas garų slėgis esant T1 ir T2 temperatūroms.

2. 

   
   
   Pakeiskite žinomas kintamųjų reikšmes. „Clausius-Clapeyron“ lygtis atrodo gana komplikuota, nes yra daug skirtingų kintamųjų, tačiau tai nėra per sunku, jei problema suteikia pakankamai informacijos. Esminės garo slėgio problemos suteiks jums dvi temperatūros vertes ir vieną slėgio vertę arba dvi slėgio ir vieną temperatūros vertę - kai turėsite šiuos duomenis, juos lengva išspręsti.
   • Pvz., Tarkime, kad problema yra su skysčio talpa, kurios slėgis 295 K, o garų slėgis 1 atmosfera (atm). Kyla klausimas: Koks garų slėgis esant 393 K temperatūrai? Mes turime dvi temperatūros ir vieną slėgio vertes, todėl likusiam slėgiui išspręsti galima naudojant Clausius-Clapeyron lygtį. Dėdami reikšmes į kintamuosius, mes turime ln (1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • Clausius-Clapeyron lygčiai visada turime naudoti temperatūros vertę Kelvinas. Galite naudoti bet kokią slėgio vertę, jei P1 ir P2 yra vienodi.

3. 

   
   
   Pakeiskite konstantas. Clausius-Clapeyron lygtis turi dvi konstantas: R ir ΔH_vap. R visada yra lygus 8 314 J / (K × Mol). Tačiau ΔH_vap (laki entalpija) priklauso nuo garuojamo skysčio tipo, kurį suteikia problema. Tai pasakius, galite ieškoti ΔH reikšmių_vap chemijos ar fizikos vadovėlio pabaigoje arba ieškokite internete (pavyzdžiui, čia).
   • Aukščiau pateiktame pavyzdyje tarkime, kad skystis yra Tyras vanduo. Jei pažiūrėsite į lentelę, reikšmė H_vap, mes turime ΔH_vap išgryninto vandens yra maždaug 40,65 kJ / mol. Kadangi H reikšmė naudoja joulo vienetus, turime ją konvertuoti į 40 650 J / mol.
   • Įtraukdami konstantas į lygtį, mes turime ln (1 / P2) = (40 650/8 314) ((1/393) - (1/295)).

4. 

   
   
   Išspręskite lygtį. Įterpę visas reikšmes į lygties kintamuosius, išskyrus tą, kurį apskaičiuojame, tęskite lygties sprendimą pagal įprastą algebrinį principą.
   • Sunkiausias taškas sprendžiant lygtį (ln (1 / P2) = (40 650/8 314) ((1/393) - (1/295))) yra natūralios logaritminės funkcijos (ln) apdorojimas. Norėdami pašalinti natūralią log funkciją, naudokite abi lygties puses kaip matematinės konstantos rodiklį e. Kitaip tariant, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Dabar išspręskime pavyzdžio lygtį:
   • ln (1 / P2) = (40 650/8 314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) = (4889,34) (- 0,00084)
   • (1 / P2) = e
   • 1 / P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 = 60,76 atm. Ši vertė yra pagrįsta - uždarytame inde, kai temperatūra padidėja beveik 100 laipsnių (iki maždaug 20 laipsnių vandens virimo temperatūros), susidaro daug garų, todėl slėgis padidės. daug.
   skelbimas

2 metodas iš 3: raskite ištirpusio tirpalo garų slėgį

1. 

   Parašykite Raoult dėsnį. Tiesą sakant, mes dirbame retai su grynais skysčiais - dažnai tenka dirbti su daugelio skirtingų medžiagų mišiniais. Kai kurie įprasti mišiniai yra sukurti ištirpinus nedidelį kiekį cheminės medžiagos, vadinamos ištirpęs daugelyje kitų vadinamų cheminių medžiagų Tirpiklis suformuoti sprendimas. Šiuo atveju turime žinoti Raoult'o dėsnio (pavadinto fiziko François-Marie Raoult vardu) lygtį, kuri atrodo taip: P_sprendimas= P_TirpiklisX_Tirpiklis. Šioje formulėje kintamieji rodo:
   • P_sprendimas: Viso tirpalo (visų tirpalo komponentų) garų slėgis
   • P_Tirpiklis: Tirpiklio garų slėgis
   • X_Tirpiklis: Molinė tirpiklio frakcija.
   • Nesijaudinkite, jei dar nežinote termino „krūminė dalis“ - paaiškinsime jį tolesniuose žingsniuose.

2. 

   Skirkite tirpiklius ir tirpiklius tirpale. Prieš apskaičiuodami tirpalo garų slėgį, turite nustatyti medžiagas, kurias sukelia problema. Atkreipkite dėmesį, kad tirpalas susidaro, kai tirpiklis ištirpinamas tirpiklyje - ištirpusi cheminė medžiaga visada yra ištirpusi medžiaga, o cheminė medžiaga, atliekanti šį darbą, yra tirpiklis.
   • Šiame skyriuje pateiksime paprastą pavyzdį, kuris iliustruos minėtas sąvokas. Tarkime, kad norime rasti sirupo tirpalo garų slėgį. Paprastai sirupas ruošiamas iš vienos cukraus dalies, ištirpintos vienoje vandens dalyje, todėl sakome cukrus yra ištirpusios medžiagos, o vanduo - tirpiklis.
   • Pastaba: sacharozės (granuliuoto cukraus) cheminė formulė yra C₁₂H₂₂O₁₁. Ši informacija jums bus labai svarbi.

3. 

   Raskite tirpalo temperatūrą. Kaip matome minėtame Clausius Clapeyron skyriuje, skysčio temperatūra paveiks jo garų slėgį. Apskritai, kuo aukštesnė temperatūra, tuo didesnis garų slėgis - didėjant temperatūrai, tuo daugiau skysčio išgaruoja ir padidėja slėgis inde.
   • Šiame pavyzdyje tarkime, kad esama sirupo temperatūra yra 298 K (apie 25 C).

4. 

   Raskite tirpiklio garų slėgį. Cheminės nuorodos paprastai pateikia garų slėgio vertes daugeliui įprastų medžiagų ir mišinių, tačiau paprastai tik slėgio vertės esant 25 ° C / 298 K arba virimo temperatūrai. Jei jūsų tirpale yra tokia temperatūra, galite naudoti etaloninę vertę, kitaip jums reikia rasti garų slėgį pradinėje tirpalo temperatūroje.
   • Čia gali padėti Clausius-Clapeyron lygtis, naudojant P1 ir T1 slėgį ir temperatūrą 298 K (25 C).
   • Šiame pavyzdyje mišinio temperatūra yra 25 ° C, todėl galime naudoti paieškos lentelę. Mes matome 25 ° C temperatūros vandenį, kurio garų slėgis yra 23,8 mmHg

5. 

   Raskite molinę tirpiklio dalį. Paskutinis dalykas, kurį turite padaryti prieš išspręsdami rezultatus, yra rasti molinę tirpiklio dalį. Tai gana lengva: tiesiog paverskite ingredientus kurmis, tada raskite kiekvieno mišinio molio procentinę dalį. Kitaip tariant, kiekvieno komponento molinė dalis yra lygi (mišinio molių skaičius) / (bendras mišinio molis).
   • Tarkime, kad sirupo receptas yra 1 litras (L) vandens ir 1 litras sacharozės (cukrus). Tada turime rasti kiekvieno ingrediento apgamų skaičių. Norėdami tai padaryti, rasime kiekvieno komponento mases, tada naudosime tų komponentų molinę masę, kad nustatytumėte apgamus.
   • Svoris (1 l vandens): 1 000 gramų (g)
   • Svoris (1 l žalio cukraus): apie 1056,7 g
   • Apgamų (vandens) skaičius: 1 000 g × 1 mol / 18 015 g = 55,51 mol
   • Apgamai (cukrus): 1 056,7 g × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (Atkreipkite dėmesį, kad molinę cukraus masę galite rasti pagal jo cheminę formulę C₁₂H₂₂O₁₁.)
   • Bendras apgamas: 55,51 + 3,08 = 58,59 mol
   • Molinė vandens dalis: 55,51 / 58,59 = 0,947

6. 

   Išspręskite rezultatus. Galiausiai turime pakankamai duomenų, kad išspręstume Raoult lygtį. Tai labai lengva: prijunkite reikšmes į šio skyriaus pradžioje minėtos Raoult teoremos lygties kintamuosius (P_sprendimas = P_TirpiklisX_Tirpiklis).
   • Pakeisdami vertes, turime:
   • P_sprendimas = (23,8 mmHg) (0,947)
   • P_sprendimas = 22,54 mmHg. Šis rezultatas yra pagrįstas - moliniu požiūriu tik mažai cukraus ištirpsta daugybėje vandens (nors šie du iš tikrųjų yra vienodo tūrio), todėl garų slėgis tik šiek tiek sumažės.
   skelbimas

3 metodas iš 3: specialiais atvejais raskite garo slėgį

1. 

   Nustatykite standartines slėgio ir temperatūros sąlygas. Mokslininkai kaip numatytąsias sąlygas dažnai naudoja porą slėgio ir temperatūros verčių. Šios vertės vadinamos standartiniu slėgiu ir temperatūra (kartu vadinamos standartine sąlyga arba DKTC). Garų slėgio problemos dažnai susijusios su DKTC, todėl patogumui turėtumėte įsiminti šias vertes. DKTC apibrėžiamas kaip:
   • Temperatūra: 273,15 K / 0 C / 32 F
   • Slėgis: 760 mmHg / 1 atm / 101 325 kilopaskaliai

2. 

   Norėdami rasti kitus kintamuosius, pereikite prie Clausius-Clapeyron lygties. 1 dalies pavyzdyje matome, kad Clausius-Clapeyron lygtis yra labai efektyvi apskaičiuojant grynų medžiagų garų slėgį. Tačiau ne dėl visų problemų reikia rasti P1 ar P2, tačiau dažnai jie netgi prašo rasti temperatūrą ar net ΔH vertę._vap. Šiuo atveju, norint rasti atsakymą, jums tiesiog reikia perjungti lygtį taip, kad norimas kintamasis būtų vienoje lygties pusėje, o visi kiti kintamieji būtų kitoje pusėje.
   • Pvz., Tarkime, kad yra nežinomas skystis, kurio garų slėgis yra 25 torr, esant 273 K, ir 150 torr, esant 325 K, ir mes norime rasti lakią šio skysčio entalpiją (ΔH_vap). Mes galime išspręsti šiuos dalykus:
   • 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. Dabar pakeiskime vertes:
   • 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. 

   Atsižvelkite į ištirpusios medžiagos garų slėgį, kai jis garuoja. Ankstesniame Raoulto dėsnio pavyzdyje mūsų tirpalas yra cukrus, todėl kambario temperatūroje jis pats neišgaruoja (manote, kad kada nors matėte, kaip garuoja cukraus dubenėlis?). Tačiau kai medžiaga ištirpsta tikrai Jei jis išgaruoja, tai paveiks bendrą tirpalo garų slėgį. Mes apskaičiuojame šį slėgį naudodami kintamąją Raoult dėsnio lygtį: P_sprendimas = Σ (P._ingredientasX_ingredientas). Simbolis (Σ) reiškia, kad norėdami rasti atsakymą, turime susumuoti visus skirtingų komponentų garų slėgius.
   • Pavyzdžiui, tarkime, kad turime tirpalą, sudarytą iš dviejų cheminių medžiagų: benzeno ir tolueno. Bendras tirpalo tūris yra 120 ml; 60 ml benzolo ir 60 ml tolueno. Tirpalo temperatūra yra 25 ° C, o kiekvieno cheminio komponento garų slėgis esant 25 ° C - 95,1 mmHg benzolui ir 28,4 mmHg toluenui. Nurodytoms reikšmėms suraskite tirpalo garų slėgį. Mes galime išspręsti problemą naudodami dviejų cheminių medžiagų tankį, molinę masę ir garų slėgį:
   • Tūris (benzenas): 60 ml = 0,06 L × 876,50 kg / 1 000 L = 0,053 kg = 53 g
   • Svoris (toluenas): 0,06 L × 866,90 kg / 1 000 L = 0,052 kg = 52 g
   • Apgamų (benzeno) skaičius: 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
   • Molių skaičius (toluenas): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
   • Bendras apgamas: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Molinė frakcija (benzenas): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Molinė frakcija (toluenas): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Išspręskite rezultatus: P_sprendimas = P_benzenasX_benzenas + P_toluenX_toluen
   • P_sprendimas = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • P_sprendimas = 51,92 mmHg + 12,89 mmHg = 64,81 mmHg
   skelbimas

Patarimas

• Norėdami naudoti aukščiau pateiktą „Clausius Clapeyron“ lygtį, turite konvertuoti temperatūrą į Kevino vienetus (žymimi K). Jei temperatūra yra Celsijaus, pakeiskite ją pagal šią formulę: T_k = 273 + T._c
• Galite taikyti pirmiau nurodytus metodus, nes energija yra proporcinga tiekiamos šilumos kiekiui. Skysčio temperatūra yra vienintelis aplinkos veiksnys, turintis įtakos garų slėgiui.