Innehåll

• Steg
• Råd

Har du någonsin lämnat en flaska vatten i solen i några timmar, sedan öppnat locket och hört en liten "pop"? Detta ljud beror ångtryck i orsaken flaskan. I kemi är ångtryck det tryck som verkar på väggen i ett slutet kärl när vätskan i kärlet avdunstar (förvandlas till en gas). För att hitta ångtrycket vid en känd temperatur, använd Clausius-Clapeyron-ekvationen: ln (P1 / P2) = (AH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Steg

Metod 1 av 3: Använd Clausius-Clapeyron-ekvationen

1. 

   Skriv Clausius-Clapeyron-ekvationen. När man överväger förändringen av ångtrycket över tiden är formeln för beräkning av ångtrycket Clausius-Clapeyron-ekvationen (uppkallad efter fysikerna Rudolf Clausius och Benoît Paul Émile Clapeyron). Detta är en vanligt förekommande formel för att lösa vanliga ångtrycksproblem inom fysik och kemi. Formeln skrivs enligt följande: ln (P1 / P2) = (AH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). I denna formel representerar variablerna:
   • Ah_vap: Avdunstningshalpi av vätskor. Detta värde kan hittas i tabellen i slutet av en kemibok.
   • R: Idealisk gaskonstant och lika med 8 314 J / (K × Mol).
   • T1: Temperaturen vid vilken ångtrycket är känt (initialtemperatur).
   • T2: Den temperatur vid vilken ångtrycket krävs (slutlig temperatur).
   • P1 och P2: Motsvarande ångtryck vid temperaturerna T1 och T2.

2. 

   
   
   Ersätt kända värden för variabler. Clausius-Clapeyron-ekvationen ser ganska komplicerad ut eftersom det finns många olika variabler, men det är inte så svårt om problemet ger tillräckligt med information. De mest grundläggande ångtrycksproblemen ger dig två temperaturvärden och ett tryckvärde eller två tryckvärden och ett temperaturvärde - när du har dessa data är det lätt att lösa.
   • Antag till exempel att problemet är för en vätskebehållare vid 295 K och med ett ångtryck på 1 atmosfär (atm). Frågan är: Vad är ångtrycket vid en temperatur på 393 K? Vi har två värden för temperatur och ett för tryck, så det är möjligt att lösa det återstående trycket med Clausius-Clapeyron-ekvationen. Att sätta värden i variabler har vi ln (1 / P2) = (AH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • För Clausius-Clapeyron-ekvationen måste vi alltid använda ett temperaturvärde Kelvin. Du kan använda vilket tryckvärde som helst, så länge det finns i samma enheter för både P1 och P2.

3. 

   
   
   Byt ut konstanterna. Clausius-Clapeyron-ekvationen har två konstanter: R och ΔH_vap. R är alltid lika med 8 314 J / (K × Mol). Emellertid ΔH_vap (flyktig entalpi) beror på vilken typ av förångningsvätska som ges av problemet. Med det sagt kan du slå upp ΔH-värden_vap av en mängd olika ämnen i slutet av en lärobok för kemi eller fysik, eller leta upp den online (t.ex. här.)
   • I exemplet ovan antar att vätskan är rent vatten. Om du tittar upp i tabellvärdet H_vapVi har ΔH_vap renat vatten är cirka 40,65 kJ / mol. Eftersom H-värdet använder joul-enheter måste vi konvertera det till 40,650 J / mol.
   • Att sätta konstanter i ekvationen har vi ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295)).

4. 

   
   
   Lös ekvationen. När du har lagt in alla värden i variablerna i ekvationen, förutom variabeln vi beräknar, fortsätter du att lösa ekvationen enligt den vanliga algebraiska principen.
   • Den svåraste punkten när man löser ekvationen (ln (1 / P2) = (40,650 / 8,314) ((1/393) - (1/295))) är bearbetningen av den naturliga logaritmiska funktionen (ln). För att eliminera den naturliga logfunktionen, använd båda sidor av ekvationen som exponent för den matematiska konstanten e. Med andra ord, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Låt oss nu lösa exemplets ekvation:
   • 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. Detta värde är rimligt - i ett slutet kärl, när temperaturen ökas med nästan 100 grader (till en temperatur cirka 20 grader över kokpunkten för vatten) genereras mycket ånga, så trycket kommer att öka. mycket.
   annons

Metod 2 av 3: Hitta ångtrycket i den lösta lösningen

1. 

   Skriv Raoults lag. Faktum är att vi sällan arbetar med rena vätskor - ofta måste vi arbeta med blandningar av många olika ämnen. Några vanliga blandningar skapas genom att lösa upp en liten mängd av en kemikalie som kallas löst i en stor mängd andra kemikalier som kallas Lösningsmedel att forma lösning. I det här fallet behöver vi veta ekvationen för Raoults lag (uppkallad efter fysikern François-Marie Raoult), som ser ut så här: P_lösning= P_{Lösningsmedel}X_{Lösningsmedel}. I denna formel representerar variablerna:
   • P_lösning: Ångtryck för alla lösningar (alla lösningskomponenter)
   • P_{Lösningsmedel}: Lösningsmedels ångtryck
   • X_{Lösningsmedel}: Molär fraktion av lösningsmedlet.
   • Oroa dig inte om du inte redan känner till termen "molär del" - vi förklarar det i nästa steg.

2. 

   Skillnaden mellan lösningsmedel och lösningsmedel i lösningen. Innan du beräknar ångtrycket i en lösning måste du identifiera de ämnen som ges av problemet. Observera att en lösning bildas när ett lösningsmedel löses i ett lösningsmedel - kemikalien som är upplöst är alltid en löst substans, och den kemikalie som gör jobbet är lösningsmedlet.
   • I det här avsnittet tar vi ett enkelt exempel för att illustrera ovanstående begrepp. Anta att vi vill hitta sirapslösningens ångtryck. Vanligtvis bereds sirap av en del socker löst i en del vatten, därför säger vi socker är löst och vatten är lösningsmedel.
   • Obs: den kemiska formeln för sackaros (granulerat socker) är C₁₂H₂₂O₁₁. Du kommer att finna denna information mycket viktig.

3. 

   Hitta temperaturen på lösningen. Som vi ser i ovannämnda Clausius Clapeyron-avsnitt kommer vätskans temperatur att påverka dess ångtryck. I allmänhet, ju högre temperatur, desto högre ångtryck - när temperaturen ökar, desto mer vätska avdunstar och ökar trycket i kärlet.
   • Anta i det här exemplet att sirapens nuvarande temperatur är 298 K (cirka 25 ° C).

4. 

   Hitta lösningsmedlets ångtryck. Kemiska referenser ger vanligtvis ångtrycksvärden för många vanliga ämnen och blandningar, men vanligtvis endast för tryckvärden vid 25 ° C / 298 K eller vid kokpunktstemperaturen. Om din lösning har denna temperatur kan du använda ett referensvärde, annars måste du hitta ångtrycket vid lösningens initialtemperatur.
   • Clausius-Clapeyron-ekvationen kan hjälpa till här, med tryck och temperatur 298 K (25 C) för P1 och T1.
   • I det här exemplet har blandningen en temperatur på 25 ° C så att vi kan använda en uppslagstabell. Vi ser vatten vid 25 ° C med ett ångtryck på 23,8 mmHg

5. 

   Hitta den molära fraktionen av lösningsmedlet. Det sista du behöver göra innan du löser resultat är att hitta den molära fraktionen av lösningsmedlet. Det här är ganska enkelt: konvertera bara ingredienserna till mol och hitta sedan procentandelen av var och en av blandningens totala mol. Med andra ord är den molära delen av varje komponent lika med (antal mol av blandningen) / (total mol av blandningen).
   • Antag att receptet för sirapen är 1 liter (L) vatten och 1 liter sackaros (socker). Sedan måste vi hitta antalet mol av varje ingrediens. För att göra detta kommer vi att hitta massorna för varje komponent och sedan använda molmassan för dessa komponenter för att beräkna mol.
   • Vikt (1 liter vatten): 1000 gram (g)
   • Vikt (1 liter råsocker): Ca 1056,7 g
   • Antal mol (vatten): 1 000 gram × 1 mol / 18 015 g = 55,51 mol
   • Mol (socker): 1 056,7 gram × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (Observera att du kan hitta molmassan av socker från dess kemiska formel, C₁₂H₂₂O₁₁.)
   • Totalt antal mol: 55,51 + 3,08 = 58,59 mol
   • Molär fraktion av vatten: 55,51 / 58,59 = 0,947

6. 

   Lös resultat. Slutligen har vi tillräckligt med data för att lösa Raoult-ekvationen. Detta är väldigt enkelt: anslut värdena till variabler i Raoult Theorem-ekvationen som nämns i början av detta avsnitt (P_lösning = P_{Lösningsmedel}X_{Lösningsmedel}).
   • Genom att ersätta värdena har vi:
   • P_lösning = (23,8 mmHg) (0,947)
   • P_lösning = 22,54 mmHg. Detta resultat är rimligt - i molära termer löses bara lite socker i mycket vatten (även om dessa två faktiskt är samma volym), så att ångtrycket bara sjunker lite.
   annons

Metod 3 av 3: Hitta ångtryck i speciella fall

1. 

   Identifiera standardtryck och temperaturförhållanden. Forskare använder ofta ett par temperatur- och tryckvärden som "standard" -förhållanden. Dessa värden kallas standardtryck och temperatur (gemensamt benämnt standardförhållande eller DKTC). Ångtrycksproblemen hänvisar ofta till DKTC, så du bör memorera dessa värden för enkelhets skull. DKTC definieras som:
   • Temperatur: 273,15 K. / 0 C / 32 F
   • Tryck: 760 mmHg / 1 atm / 101,325 kilopascal

2. 

   Byt till Clausius-Clapeyron-ekvationen för att hitta andra variabler. I exemplet i del 1 ser vi att ekvationen Clausius-Clapeyron är mycket effektiv när det gäller att beräkna ångtrycket för rena ämnen. Emellertid kräver inte alla problem att hitta P1 eller P2, men många gånger frågar de till och med att hitta temperaturen eller till och med Ah-värdet._vap. I det här fallet, för att hitta svaret, behöver du bara växla ekvationen så att den önskade variabeln är på ena sidan av ekvationen, och alla andra variabler är på den andra sidan.
   • Antag till exempel att det finns en okänd vätska med ett ångtryck på 25 torr vid 273 K och 150 torr vid 325 K, och vi vill hitta den flyktiga entalpi av denna vätska (ΔH_vap). Vi kan lösa följande:
   • ln (P1 / P2) = (AH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
   • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (AH_vap/ R)
   • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = Ah_vap. Låt oss nu ersätta värdena:
   • 8,314 J / (K × Mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = Ah_vap
   • 8,314 J / (K × Mol) × 3,033,90 = Ah_vap = 25 223,83 J / mol

3. 

   Ta hänsyn till ångtrycket i det lösta ämnet när det förångas. I ovanstående exempel på Raoults lag är vår lösta substans socker så att den inte förångas av sig själv vid rumstemperatur (tror du att du någonsin har sett en skål med socker avdunsta?) Men när ämnet löser sig verkligen Om det avdunstar kommer det att påverka lösningens allmänna ångtryck. Vi beräknar detta tryck med den variabla ekvationen i Raoults lag: P_lösning = Σ (P_ingrediensX_ingrediens). Symbolen (Σ) betyder att vi måste lägga till alla ångtryck från de olika komponenterna för att hitta ett svar.
   • Låt oss till exempel säga att vi har en lösning som består av två kemikalier: bensen och toluen. Den totala volymen av lösningen är 120 ml; 60 ml bensen och 60 ml toluen. Lösningstemperaturen är 25 ° C och ångtrycket för varje kemisk komponent vid 25 ° C är 95,1 mmHg för bensen och 28,4 mmHg för toluen. För de angivna värdena, hitta ångtrycket i lösningen. Vi kan lösa problemet genom att använda densiteten, molmassan och ångtrycket hos de två kemikalierna:
   • Volym (bensen): 60 ml = 0,06 L × 876,50 kg / 1000 L = 0,053 kg = 53 g
   • Vikt (toluen): 0,06 L × 866,90 kg / 1000 L = 0,052 kg = 52 g
   • Antal mol (bensen): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
   • Antal mol (toluen): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
   • Totalt antal mol: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Molär fraktion (bensen): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Molfraktion (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Lös resultat: P_lösning = P_bensenX_bensen + P_toluenX_toluen
   • P_lösning = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • P_lösning = 51,92 mmHg + 12,89 mmHg = 64,81 mmHg
   annons

Råd

• För att använda Clausius Clapeyron-ekvationen ovan måste du konvertera temperaturen till Kevin-enheter (betecknad med K). Om du har temperaturen i Celsius ändrar du den med följande formel: T_k = 273 + T_c
• Du kan använda ovanstående metoder eftersom energi är proportionell mot den tillförda värmen. Vätskans temperatur är den enda miljöfaktorn som påverkar ångtrycket.