ТЕПЛОТА ВИПАРОВУВАННЯ: З ВОДИ, ЕТАНОЛУ, АЦЕТОНУ, ЦИКЛОГЕКСАНУ - ХІМІЯ - 2025

Теплота випаровування або ентальпія випаровування є енергія , яка грама рідкої речовини повинні поглинати на своїй точці кипіння при постійній температурі; тобто завершити перехід від рідкої до газової фази. Зазвичай він виражається в одиницях j / g або cal / g; і в кДж / моль, коли йдеться про молярну ентальпію випаровування.

Ця концепція є більш повсякденною, ніж здається. Наприклад, багато машин, наприклад, парові поїзди, працюють на енергію, що виділяється водяною парою. Великі маси пари можна побачити, що піднімаються вгору на земну поверхню, як ті, що зображені нижче.

Джерело: Pxhere

Також випаровування поту на шкірі охолоджується або освіжається через втрату кінетичної енергії; що перетворюється на падіння температури. Почуття свіжості посилюється, коли дме вітер, оскільки він швидше виводить водяну пару з крапель поту.

Теплота випаровування залежить не тільки від кількості речовини, але і від її хімічних властивостей; особливо, про молекулярну структуру та тип міжмолекулярних взаємодій.

З чого він складається?

Теплота випаровування (ΔH _vap ) - це фізична величина, яка відображає сили згущення рідини. Під силами згуртованості розуміють ті, які утримують молекули (або атоми) разом у рідкій фазі. Летючі рідини, наприклад, мають слабкі сили зчеплення; тоді як води дуже сильні.

Що є причиною того, що одна рідина є більш летючою, ніж інша, і, як наслідок, їй потрібно більше тепла, щоб повністю випаруватися в точці кипіння? Відповідь полягає у міжмолекулярних взаємодіях або силах Ван дер Ваальса.

Залежно від молекулярної структури та хімічної ідентичності речовини змінюються її міжмолекулярні взаємодії, а також величина її сил згуртованості. Щоб зрозуміти це, необхідно проаналізувати різні речовини з різною ΔH _vap .

Середня кінетична енергія

Сили згущення всередині рідини не можуть бути дуже сильними, інакше її молекули не вібрують. Тут під «вібрацією» розуміється вільний і випадковий рух кожної молекули в рідині. Деякі йдуть повільніше або швидше, ніж інші; тобто вони не всі мають однакову кінетичну енергію.

Тому ми говоримо про середню кінетичну енергію для всіх молекул рідини. Ці молекули досить швидко зможуть подолати міжмолекулярні сили, які утримують його в рідині, і втечуть у газоподібну фазу; тим більше, якщо вони знаходяться на поверхні.

Як тільки перша молекула М з високою кінетичною енергією втече, коли середня кінетична енергія знову оцінюється, вона зменшується.

Чому? Оскільки чим швидші молекули виходять у газову фазу, тим повільніші залишаються в рідині. Більш висока молекулярна повільність дорівнює охолодженню.

Тиск пари

У міру того, як молекули М виходять у газову фазу, вони можуть повернутися до рідини; Однак якщо рідина потрапить у навколишнє середовище, неминуче всі молекули будуть схильні витікати, і кажуть, що випаровування відбулося.

Якщо рідина зберігається в герметично закритому контейнері, може бути встановлена ​​рівноважна рівновага; тобто швидкість, з якою виходять газоподібні молекули, буде однаковою, з якою вони вводяться.

Тиск, який чинять молекули газу на поверхні рідини в цій рівновазі, називають тиском пари. Якщо контейнер відкритий, тиск буде нижчим порівняно з тиском, що діє на рідину в закритому контейнері.

Чим більший тиск пари, тим більш летюча рідина. Чим більш мінливими, тим слабкішими є сили згуртованості. І тому для випаровування його до нормальної температури кипіння потрібно менше тепла; тобто температура, при якій тиск пари та атмосферний тиск дорівнюють 760 торр або 1 атм.

Тепло випаровування води

Молекули води можуть утворювати відомі водневі зв’язки: H - O - H-OH ₂ . Цей особливий тип міжмолекулярної взаємодії, хоча слабкий, якщо врахувати три-чотири молекули, надзвичайно сильний, коли мова йде про мільйони з них.

Теплота випаровування води в точці її кипіння становить 2260 Дж / г або 40,7 кДж / моль . Що це означає? Щоб випарувати грам води при 100ºC, вам потрібно 2260 Дж (або 40,7 кДж, щоб випарувати моль води, тобто близько 18 г).

Вода при температурі тіла 37 ° C має більш високий ΔH _пара . Чому? Тому що, як випливає з його визначення, вода повинна нагріватися до 37ºC, поки вона не досягне своєї температури кипіння і повністю випарується; тому ΔH _vap вищий (і навіть вищий, якщо мова йде про холодні температури).

З етанолу

ΔH _пара етанолу в його температурі кипіння становить 855 Дж / г або 39,3 кДж / моль. Зауважимо, що вона поступається воді, оскільки її структура, CH ₃ CH ₂ OH, навряд чи може утворювати водневий зв’язок. Однак він продовжує займати серед рідин з найвищими температурами кипіння.

З ацетону

ΔH _пара ацетону становить 521 Дж / г або 29,1 кДж / моль. Оскільки це відображає тепло його випаровування, воно набагато більш летюча рідина, ніж вода або етанол, і тому кипить при більш низькій температурі (56 ° C).

Чому? Оскільки його молекули CH ₃ OCH ₃ не можуть утворювати водневі зв’язки і можуть взаємодіяти лише через дипольно-дипольні сили.

Циклогексану

Для циклогексану його ΔH- _пара становить 358 Дж / г або 30 кДж / моль. Він складається з шестикутного кільця з формулою C ₆ H ₁₂ . Її молекули взаємодіють через лондонські сили розсіювання, оскільки вони неполярні і не мають дипольного моменту.

Зауважимо, що хоча вона важча за воду (84 г / моль проти 18 г / моль), сили її згуртованості нижчі.

З бензолу

ΔH _пара бензолу, ароматного шестикутного кольця з формулою C ₆ H ₆ , становить 395 Дж / г або 30,8 кДж / моль. Як і циклогексан, він взаємодіє за допомогою дисперсійних сил; але, він також здатний утворювати диполі та переміщувати поверхню кілець (де їх подвійні зв’язки ділокабілізовані) на інших.

Це пояснює, чому він, як аполярний і не дуже важкий, має відносно високий ΔH _пара .

З толуолу

_Пара ΔH толуолу навіть вище, ніж бензолу (33,18 кДж / моль). Це пов’язано з тим, що, крім вищезазначеного, його метильні групи, -CH _3, співпрацюють у дипольний момент толуолу; також вони можуть взаємодіяти за допомогою дисперсійних сил.

Гексану

І нарешті, ΔH _пара гексану становить 335 Дж / г або 28,78 кДж / моль. Його структура - CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , тобто лінійна, на відміну від циклогексану, який є шестикутним.

Хоча їх молекулярна маса відрізняється дуже мало (86 г / моль проти 84 г / моль), циклічна структура безпосередньо впливає на спосіб взаємодії молекул. Будучи кільцем, сили розсіювання ефективніші; з іншого боку, вони більше "вартують" у лінійній структурі гексану.

Значення ΔH _vap для гексану суперечать значенням ацетону. В принципі, гексан, тому що він має більш високу температуру кипіння (81ºC), повинен мати більший & delta ; H _VAP , ніж у ацетону, який кипить при 56ºC.

Різниця полягає в тому, що ацетон має більшу теплоємність, ніж гексан. Це означає, що для нагрівання граму ацетону від 30 ° C до 56 ° C та його випаровування потрібно більше тепла, ніж використовується для нагрівання граму гексану від 30 ° C до температури його кипіння 68 ° C.

Список літератури

1. TutorVista. (2018). Ентальпія випаровування. Відновлено з: chemistry.tutorvista.com
2. Хімія LibreTexts. (3 квітня 2018 р.). Тепло випаровування. Відновлено з: chem.libretexts.org
3. Дортмундський банк даних. (sf). Стандартна теплота випаровування циклогексану. Відновлено з: ddbst.com
4. Chickos JS & Acree WE (2003). Ентальпії випаровування органічних та органічнометалічних сполук, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, том 32, № 2.
5. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Learning, p 461-464.
6. Академія хана. (2018). Теплоємність, теплота випаровування та густина води. Відновлено: es.khanacademy.org