- Концепція тиску пари
- Тиск пари і міжмолекулярні сили
- Випаровування і летючість
- Термодинамічна рівновага
- Приклади тиску пари
- Розв’язані вправи
- Вправа 1
- Вправа 2
- Список літератури
Тиск пара є той , який відчуває поверхню рідини або твердої речовини, в вигляді продукту термодинамічної рівноваги частинок в замкнутій системі. Під закритою системою розуміють ємність, контейнер або пляшку, які не піддаються впливу повітря та атмосферного тиску.
Тому вся рідина або тверда речовина в ємності чинять на себе тиск пари, характерний для їх хімічної природи. Незакрита пляшка води знаходиться в рівновазі з водяною парою, яка «утрамбовує» поверхню рідини та внутрішні стінки пляшки.
Газовані напої ілюструють поняття тиску пари. Джерело: Pixabay.
Поки температура залишається постійною, кількість водяної пари в пляшці не буде змінюватися. Але якщо він збільшиться, настане момент, коли буде створюватися тиск, який може підняти кришку вгору; як це відбувається, коли ви навмисно намагаєтеся наповнити та закрити пляшку окропом.
Газовані напої, з іншого боку, є більш очевидним (і безпечнішим) прикладом того, що мається на увазі під тиском пари. При розкритті залишок газо-рідина всередині порушується, випускаючи пари назовні, звуком, схожим на шипіння. Цього не сталося, якби його тиск пари був нижчим або незначним.
Концепція тиску пари
Тиск пари і міжмолекулярні сили
Відкриття кількох газованих напоїв за однакових умов дає якісне уявлення про те, які з них мають високий тиск пари, залежно від інтенсивності звуку, що випромінюється.
Пляшка ефіру також поводилася б так само; не так з олією, медом, сиропом або вагою меленої кави. Вони б не видавали помітного шуму, якщо б не виділили гази від розкладання.
Це пояснюється тим, що їх тиск пари нижчий або незначний. Що витікає з пляшки - це молекули в газовій фазі, які спочатку повинні подолати сили, які утримують їх у пастці чи згуртованості у рідині чи твердій речовині; тобто вони повинні долати міжмолекулярні сили чи взаємодії, що здійснюються молекулами у їхньому середовищі.
Якби не було таких взаємодій, всередині пляшки не було б навіть рідини або твердої речовини. Отже, чим слабкіші міжмолекулярні взаємодії, тим більше шансів, що молекули залишать невпорядковану рідину або впорядковані або аморфні структури твердого тіла.
Це стосується не лише чистих речовин або сполук, а й сумішей, куди потрапляють уже згадані напої та спиртні напої. Таким чином, можна передбачити, яка пляшка матиме більший тиск пари, знаючи склад її вмісту.
Випаровування і летючість
Рідина або тверда речовина всередині пляшки, якщо вважати, що вона не зачинена, буде постійно випаровуватися; тобто молекули на його поверхні виходять у газоподібну фазу, яка розсіюється у повітрі та його течіях. Ось чому вода закінчується повністю випаровується, якщо пляшка не закрита або горщик накритий.
Але те ж саме не відбувається з іншими рідинами, а набагато рідше, коли мова йде про тверді речовини. Тиск пари для останніх зазвичай настільки смішний, що може пройти мільйони років, перш ніж буде сприйнято зменшення розмірів; припускаючи, що вони не ржавіли, не розмивались та не розкладалися за весь цей час.
Потім речовина або сполука вважаються летючими, якщо вони швидко випаровуються при кімнатній температурі. Зауважимо, що летючість - це якісна концепція: вона не визначається кількісно, але є продуктом порівняння випаровування між різними рідинами та твердими речовинами. Ті, що випаровуються швидше, вважатимуться більш мінливими.
З іншого боку, тиск пари вимірюється, збираючи сам по собі те, що розуміється під випаровуванням, кипінням і летючістю.
Термодинамічна рівновага
Молекули в газовій фазі стикаються з поверхнею рідини або твердого тіла. Роблячи це, міжмолекулярні сили інших, більш конденсованих молекул можуть зупинятись і утримувати їх, тим самим не даючи їм знову втекти як пари. Однак у процесі інших молекул на поверхні вдається вийти, інтегруючи пари.
Якщо пляшку закрити, настане час, коли кількість молекул, які потрапляють у рідину або тверду речовину, буде дорівнює тій, яка їх покидає. Отже, у нас рівновага, яка залежить від температури. Якщо температура зростає або знижується, тиск пари зміниться.
Чим вище температура, тим вище тиск пари, тому що молекули рідини або твердого речовини матимуть більше енергії і вони можуть вирватися легше. Але якщо температура залишиться постійною, рівновага буде відновлено; тобто тиск пари перестане зростати.
Приклади тиску пари
Припустимо, у вас є n -бутан, CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 та вуглекислий газ, CO 2 , у двох окремих контейнерах. При 20 ° C вимірювали їх тиск пари. Тиск пари н-бутану становить приблизно 2,17 атм, а вуглекислого газу - 56,25 атм.
Тиск пари також можна виміряти в одиницях Па, бар, тор, мм рт.ст. та ін. СО 2 має тиск пари майже в 30 разів вище , ніж у н-бутану, так що на перший погляд його контейнер повинен бути більш стійким , щоб мати можливість зберігати його; і якщо у нього є тріщини, він буде стріляти з більшим насильством навколо оточення.
Цей CO 2 виявляється розчиненим у газованих напоях, але в достатній кількості, щоб при вибиванні пляшки або банки не вибухали, а лише видавали звук.
З іншого боку, маємо діетиловий ефір, CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 або Et 2 O, тиск пари при 20 ºC становить 0,49 атм. Ємність цього ефіру при непокритті буде звучати аналогічно, ніж у соди. Його тиск пари майже в 5 разів нижчий, ніж у н-бутану, тому теоретично буде безпечніше обробляти пляшку діетилового ефіру, ніж пляшку н-бутану.
Розв’язані вправи
Вправа 1
В якому з наступних двох сполук очікується тиск пари, що перевищує 25 ° C? Діетиловий ефір або етиловий спирт?
Структурна формула діетилового ефіру - CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 , а етилового спирту - CH 3 CH 2 OH. В принципі, діетиловий ефір має більшу молекулярну масу, він більший, тому можна вважати, що його тиск пари нижчий, оскільки молекули його важчі. Однак справедливо навпаки: діетиловий ефір є більш летючим, ніж етиловий спирт.
Це відбувається тому, що молекули CH 3 CH 2 OH, як і CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 , взаємодіють через дипольно-дипольні сили. Але на відміну від діетилового ефіру етиловий спирт здатний утворювати водневі зв’язки, які характеризуються особливо сильними і спрямованими диполями: CH 3 CH 2 HO-HOCH 2 CH 3 .
Отже, тиск пари етилового спирту (0,098 атм) нижче, ніж у діетилового ефіру (0,684 атм), незважаючи на більш легкі молекули.
Вправа 2
Як вважають, який із наступних двох твердих речовин має найвищий тиск пари при 25ºC? Нафталін або йод?
Молекула нафталіну є біциклічною, має два ароматичні кільця і температуру кипіння 218ºC. Зі свого боку йод лінійний та гомонуклеарний, I 2 або II, має температуру кипіння 184 ºC. Ці властивості лише позначають йод, як можливо, тверде речовина з найвищим тиском пари (він кипить при найнижчій температурі).
Обидві молекули, нафталіну та йоду, є неполярними, тому вони взаємодіють через лондонські дисперсійні сили.
Нафталін має більш високу молекулярну масу, ніж йод, і тому зрозуміло припустити, що його молекули важче залишають чорне, ароматне, смолисте тверде речовина; тоді як для йоду буде легше уникнути темно-фіолетових кристалів.
За даними, отриманими з Pubchem, тиск пари при 25ºC для нафталіну та йоду становить: 0,085 мм рт.ст. та 0,233 мм рт.ст. відповідно. Тому йод має тиск пари в 3 рази вище, ніж нафталін.
Список літератури
- Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія (8-е видання). CENGAGE Навчання.
- Тиск пари. Відновлено: chem.purdue.edu
- Вікіпедія. (2019). Тиск пари. Відновлено з: en.wikipedia.org
- Редактори Encyclopeedia Britannica. (03 квітня 2019 р.). Тиск пари. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
- Ніколь Міллер. (2019). Тиск пари: визначення, рівняння та приклади. Вивчення. Відновлено з: study.com