CIEPŁO PAROWANIA: Z WODY, ETANOLU, ACETONU, CYKLOHEKSANU - CHEMIA - 2026

Odparowanie ciepła i ciepło parowania jest energia, która gram ciekłej substancji absorbują w temperaturze wrzenia w stałej temperatura; to znaczy, aby zakończyć przejście od fazy ciekłej do fazy gazowej. Zwykle jest wyrażany w jednostkach j / g lub cal / g; oraz w kJ / mol, kiedy mówimy o molowej entalpii parowania.

Ta koncepcja jest bardziej codzienna, niż się wydaje. Na przykład wiele maszyn, takich jak pociągi parowe, pracuje na energii uwalnianej przez parę wodną. Na powierzchni Ziemi można zobaczyć duże masy pary unoszącej się ku niebu, tak jak na poniższym obrazku.

Źródło: Pxhere

Ponadto odparowanie potu na skórze chłodzi lub orzeźwia z powodu utraty energii kinetycznej; co przekłada się na spadek temperatury. Uczucie świeżości zwiększa się, gdy wieje wiatr, ponieważ szybciej usuwa parę wodną z kropli potu.

Ciepło parowania zależy nie tylko od ilości substancji, ale od jej właściwości chemicznych; zwłaszcza o strukturze molekularnej i rodzaju obecnych oddziaływań międzycząsteczkowych.

Z czego to się składa?

Ciepło parowania (ΔH _vap ) jest zmienną fizyczną, która odzwierciedla siły kohezji cieczy. Siły kohezji są rozumiane jako siły, które utrzymują cząsteczki (lub atomy) razem w fazie ciekłej. Na przykład lotne ciecze mają słabe siły kohezji; podczas gdy wody są bardzo mocne.

Dlaczego jest tak, że jedna ciecz jest bardziej lotna niż inna iw rezultacie potrzebuje więcej ciepła, aby całkowicie wyparować w punkcie wrzenia? Odpowiedź leży w interakcjach międzycząsteczkowych lub siłach Van der Waalsa.

W zależności od struktury molekularnej i chemicznej tożsamości substancji jej interakcje międzycząsteczkowe są różne, a także wielkość sił kohezji. Aby to zrozumieć, należy przeanalizować różne substancje z różnymi ΔH _vap .

Średnia energia kinetyczna

Siły kohezji w cieczy nie mogą być bardzo silne, w przeciwnym razie jej cząsteczki nie drgałyby. Tutaj „wibracja” odnosi się do swobodnego i przypadkowego ruchu każdej cząsteczki w cieczy. Niektóre poruszają się wolniej lub szybciej niż inne; to znaczy, nie wszystkie mają taką samą energię kinetyczną.

Dlatego mówimy o średniej energii kinetycznej dla wszystkich cząsteczek cieczy. Te cząsteczki wystarczająco szybko będą w stanie pokonać siły międzycząsteczkowe, które utrzymują je w cieczy i uciekną do fazy gazowej; tym bardziej, jeśli są na powierzchni.

Gdy pierwsza cząsteczka M o wysokiej energii kinetycznej ucieknie, po ponownym oszacowaniu średniej energii kinetycznej, zmniejsza się.

Czemu? Ponieważ gdy szybsze cząsteczki uciekają do fazy gazowej, wolniejsze pozostają w cieczy. Większa powolność molekularna oznacza chłodzenie.

Ciśnienie pary

Gdy cząsteczki M uciekają do fazy gazowej, mogą powrócić do cieczy; Jeśli jednak ciecz zostanie wystawiona na działanie środowiska, nieuchronnie wszystkie cząsteczki będą miały tendencję do ucieczki i mówi się, że nastąpiło parowanie.

Jeśli ciecz jest przechowywana w hermetycznie zamkniętym pojemniku, można ustalić równowagę ciecz-gaz; to znaczy, prędkość, z jaką cząsteczki gazowe opuszczają się, będzie taka sama, z jaką wchodzą.

Ciśnienie wywierane przez cząsteczki gazu na powierzchnię cieczy w tej równowadze jest znane jako ciśnienie pary. Jeśli pojemnik jest otwarty, ciśnienie będzie niższe w porównaniu z działaniem na ciecz w zamkniętym pojemniku.

Im wyższe ciśnienie pary, tym bardziej lotna jest ciecz. Będąc bardziej niestabilnym, słabsze są jego siły spójności. Dlatego też potrzeba mniej ciepła, aby odparować go do normalnej temperatury wrzenia; to znaczy temperatura, w której prężność pary i ciśnienie atmosferyczne są równe 760 tor lub 1 atm.

Ciepło parowania wody

Cząsteczki wody mogą tworzyć słynne wiązania wodorowe: H - O - H-OH ₂ . Ten szczególny rodzaj interakcji międzycząsteczkowej, choć słaby, jeśli wziąć pod uwagę trzy lub cztery cząsteczki, jest niezwykle silny, jeśli chodzi o ich miliony.

Ciepło parowania wody w jej temperaturze wrzenia wynosi 2260 J / g lub 40,7 kJ / mol . Co to znaczy? Że do odparowania grama wody w temperaturze 100ºC potrzeba 2260J (lub 40,7kJ na odparowanie mola wody, czyli około 18g).

Woda o temperaturze ciała człowieka 37ºC ma wyższą wartość ΔH _vap . Czemu? Ponieważ, zgodnie z definicją, wodę należy podgrzać do 37ºC, aż osiągnie temperaturę wrzenia i całkowicie wyparuje; dlatego ΔH _vap jest wyższa (a nawet wyższa, jeśli chodzi o niskie temperatury).

Z etanolu

Wartość _pary ΔH etanolu w jego temperaturze wrzenia wynosi 855 J / g lub 39,3 kJ / mol. Zauważ, że jest gorszy od wody, ponieważ jego struktura, CH ₃ CH ₂ OH, z trudem może tworzyć wiązanie wodorowe. Jednak nadal zalicza się do cieczy o najwyższych punktach wrzenia.

Z acetonu

Wartość _pary ΔH acetonu wynosi 521 J / g lub 29,1 kJ / mol. Ponieważ odbija ciepło parowania, jest znacznie bardziej lotną cieczą niż woda czy etanol, dlatego wrze w niższej temperaturze (56ºC).

Czemu? Ponieważ jego cząsteczki CH ₃ OCH ₃ nie mogą tworzyć wiązań wodorowych i mogą oddziaływać tylko poprzez siły dipol-dipol.

Cykloheksanu

W przypadku cykloheksanu jego ΔH _vap wynosi 358 J / g lub 30 kJ / mol. Składa się z sześciokątnego pierścienia o wzorze C ₆ H ₁₂ . Jego cząsteczki oddziałują za pośrednictwem londyńskich sił rozpraszających, ponieważ są one niepolarne i brakuje im momentu dipolowego.

Należy zauważyć, że chociaż jest cięższy od wody (84 g / mol w porównaniu z 18 g / mol), jego siły kohezji są niższe.

Benzenowy

ΔH _para benzenu, aromatyczny pierścień heksagonalny o wzorze C ₆ H ₆ , wynosi 395 J / g lub 30,8 kJ / mol. Podobnie jak cykloheksan, oddziałuje poprzez siły dyspersyjne; ale jest również zdolny do tworzenia dipoli i przemieszczania powierzchni pierścieni (gdzie ich podwójne wiązania są zdelokalizowane) na inne.

To wyjaśnia, dlaczego będąc niepolarnym i niezbyt ciężkim, ma stosunkowo wysokie _vap ΔH .

Z toluenu

Wartość _pary ΔH toluenu jest nawet wyższa niż benzenu (33,18 kJ / mol). Wynika to z faktu, że w dodatku do wyżej wymienionych, odpowiednich grup metylowych, -CH ₃ Współpraca w momencie dipolowym toluen; mogą również oddziaływać na siebie poprzez siły rozpraszania.

Heksanu

I wreszcie, _para ΔH heksanu wynosi 335 J / g lub 28,78 kJ / mol. Jego struktura to CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , to znaczy liniowa, w przeciwieństwie do cykloheksanu, który jest heksagonalny.

Chociaż ich masy cząsteczkowe różnią się bardzo niewiele (86 g / mol vs 84 g / mol), struktura cykliczna bezpośrednio wpływa na sposób, w jaki cząsteczki oddziałują. Będąc pierścieniem, siły rozpraszające są bardziej skuteczne; z drugiej strony są bardziej „błędne” w liniowej strukturze heksanu.

Wartości ΔH _vap dla heksanu są sprzeczne z wartościami dla acetonu. Zasadniczo heksan, ponieważ ma wyższą temperaturę wrzenia (81ºC), powinien mieć większą _parę ΔH niż aceton wrzący w temperaturze 56ºC.

Różnica polega na tym, że aceton ma wyższą pojemność cieplną niż heksan. Oznacza to, że aby podgrzać gram acetonu od 30 ° C do 56 ° C i go odparować, potrzeba więcej ciepła niż jest używane do ogrzania grama heksanu od 30 ° C do jego temperatury wrzenia 68 ° C.

Bibliografia

1. TutorVista. (2018). Entalpia parowania. Odzyskany z: chemistry.tutorvista.com
2. Chemistry LibreTexts. (3 kwietnia 2018). Ciepło parowania. Odzyskane z: chem.libretexts.org
3. Bank Dortmundu. (sf). Standardowe ciepło parowania cykloheksanu. Odzyskany z: ddbst.com
4. Chickos JS i Acree WE (2003). Entalpie parowania związków organicznych i metaloorganicznych, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 32, Nr 2.
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 461–464.
6. Khan academy. (2018). Pojemność cieplna, ciepło parowania i gęstość wody. Odzyskane z: es.khanacademy.org