- Koncepcja prężności par
- Prężność par i siły międzycząsteczkowe
- Parowanie i lotność
- Równowaga termodynamiczna
- Przykłady prężności par
- Rozwiązane ćwiczenia
- Ćwiczenie 1
- Ćwiczenie 2
- Bibliografia
Ciśnienie pary to taki, który doświadcza powierzchni cieczy lub ciała stałego, tak jak w produkcie w równowadze termodynamicznej z cząstkami w układzie zamkniętym. Przez system zamknięty rozumie się pojemnik, pojemnik lub butelkę, które nie są narażone na działanie powietrza i ciśnienia atmosferycznego.
Dlatego cała ciecz lub ciało stałe w pojemniku wywiera na siebie prężność par charakterystyczną dla ich natury chemicznej. Nieotwarta butelka wody jest w równowadze z parą wodną, która „ubija” powierzchnię płynu i wewnętrzne ścianki butelki.
Napoje gazowane ilustrują pojęcie prężności pary. Źródło: Pixabay.
Dopóki temperatura pozostaje stała, nie będzie żadnych zmian w ilości pary wodnej w butelce. Ale jeśli wzrośnie, nadejdzie punkt, w którym powstanie ciśnienie, które może wystrzelić pokrywkę; jak to się dzieje, gdy celowo próbujesz napełnić i zamknąć butelkę wrzącą wodą.
Z drugiej strony, napoje gazowane są bardziej oczywistym (i bezpieczniejszym) przykładem tego, co rozumie się przez prężność pary. Po odsłonięciu równowaga gazowo-cieczowa wewnątrz zostaje przerwana, uwalniając opary na zewnątrz z dźwiękiem przypominającym syk. Nie miałoby to miejsca, gdyby jego prężność par była niższa lub nieistotna.
Koncepcja prężności par
Prężność par i siły międzycząsteczkowe
Odkrycie kilku napojów gazowanych, w tych samych warunkach, daje jakościowe wyobrażenie o tym, które z nich mają wyższą prężność pary, w zależności od intensywności emitowanego dźwięku.
Butelka eteru również zachowywałaby się w ten sam sposób; nie jest to olej, miód, syrop czy kupa mielonej kawy. Nie wydawałyby żadnego zauważalnego hałasu, chyba że uwalniają gazy z rozkładu.
Dzieje się tak, ponieważ ich ciśnienie pary jest niższe lub nieistotne. Z butelki uciekają cząsteczki w fazie gazowej, które muszą najpierw pokonać siły, które utrzymują je „uwięzione” lub spójne w cieczy lub w ciele stałym; to znaczy muszą przezwyciężyć siły międzycząsteczkowe lub interakcje wywierane przez cząsteczki w ich środowisku.
Gdyby nie było takich interakcji, w butelce nie byłoby nawet cieczy lub ciała stałego. Dlatego im słabsze interakcje międzycząsteczkowe, tym większe prawdopodobieństwo, że cząsteczki opuszczą nieuporządkowaną ciecz lub uporządkowane lub bezpostaciowe struktury ciała stałego.
Dotyczy to nie tylko czystych substancji czy związków, ale także mieszanin, do których trafiają wspomniane już napoje i alkohole. Dzięki temu można przewidzieć, która butelka będzie miała wyższą prężność pary, znając skład jej zawartości.
Parowanie i lotność
Ciecz lub ciało stałe wewnątrz butelki, zakładając, że jest odkorkowane, będzie stale parować; to znaczy, cząsteczki na jego powierzchni uciekają do fazy gazowej, która jest rozpraszana w powietrzu i jego prądach. Dlatego woda całkowicie wyparowuje, jeśli butelka nie jest zamknięta lub naczynie jest zakryte.
Ale to samo nie dzieje się z innymi płynami, a znacznie mniej z ciałami stałymi. Prężność pary dla tego ostatniego jest zwykle tak absurdalna, że może minąć miliony lat, zanim zauważy się zmniejszenie wielkości; zakładając, że przez cały ten czas nie zardzewiały, nie uległy erozji ani nie uległy rozkładowi.
Następnie mówi się, że substancja lub związek jest lotny, jeśli szybko odparowuje w temperaturze pokojowej. Należy zauważyć, że lotność jest pojęciem jakościowym: nie jest określana ilościowo, ale jest wynikiem porównania parowania różnych cieczy i ciał stałych. Te, które szybciej odparowują, będą uważane za bardziej lotne.
Z drugiej strony ciśnienie pary jest mierzalne, gromadząc samoistnie to, co jest rozumiane jako parowanie, wrzenie i lotność.
Równowaga termodynamiczna
Cząsteczki w fazie gazowej zderzają się z powierzchnią cieczy lub ciała stałego. W ten sposób siły międzycząsteczkowe innych, bardziej skondensowanych cząsteczek mogą je zatrzymać i zatrzymać, zapobiegając w ten sposób ich ponownej ucieczce w postaci pary. Jednak w trakcie tego procesu inne cząsteczki na powierzchni potrafią uciec, integrując parę.
Jeśli butelka jest zamknięta, nadejdzie czas, kiedy liczba cząsteczek, które dostaną się do cieczy lub ciała stałego, będzie równa liczbie cząsteczek, które je opuszczają. Mamy więc równowagę, która zależy od temperatury. Jeśli temperatura wzrośnie lub spadnie, ciśnienie pary ulegnie zmianie.
Im wyższa temperatura, tym wyższa prężność pary, ponieważ cząsteczki cieczy lub ciała stałego będą miały więcej energii i mogą łatwiej uciekać. Ale jeśli temperatura pozostanie stała, równowaga zostanie przywrócona; to znaczy, ciśnienie pary przestanie rosnąć.
Przykłady prężności par
Załóżmy, że masz n-butan, CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 i dwutlenek węgla, CO 2 , w dwóch oddzielnych pojemnikach. W 20 ° C zmierzono ich prężność par. Prężność par dla n-butanu wynosi około 2,17 atm, a dla dwutlenku węgla 56,25 atm.
Ciśnienia par można również mierzyć w jednostkach Pa, bar, torr, mmHg i innych. CO 2 ma prężność par prawie 30 razy wyższą niż n-butan, więc na pierwszy rzut oka jego pojemnik musi być bardziej odporny, aby mógł go przechowywać; a jeśli ma pęknięcia, będzie strzelał z większą gwałtownością dookoła otoczenia.
Ten CO 2 jest rozpuszczony w napojach gazowanych, ale w wystarczająco małych ilościach, aby podczas ucieczki butelki lub puszki nie wybuchały, a jedynie wydawały dźwięk.
Z drugiej strony mamy eter dietylowy, CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 lub Et 2 O, którego prężność par w 20 ° C wynosi 0,49 atm. Pojemnik z tym eterem po odsłonięciu będzie brzmiał podobnie do pojemnika z sodą. Jego prężność par jest prawie 5 razy niższa niż n-butanu, więc teoretycznie bezpieczniej będzie obchodzić się z butelką eteru dietylowego niż butelką n-butanu.
Rozwiązane ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oczekuje się, że który z poniższych dwóch związków będzie miał prężność pary większą niż 25 ° C? Eter dietylowy czy alkohol etylowy?
Wzór strukturalny eteru dietylowego to CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 , a alkoholu etylowego CH 3 CH 2 OH. Zasadniczo eter dietylowy ma wyższą masę cząsteczkową, jest większy, więc można by sądzić, że jego prężność pary jest niższa, ponieważ jego cząsteczki są cięższe. Jednak jest odwrotnie: eter dietylowy jest bardziej lotny niż alkohol etylowy.
Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki CH 3 CH 2 OH, takie jak CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 , oddziałują poprzez siły dipolowo-dipolowe. Ale w przeciwieństwie do eteru dietylowego alkohol etylowy jest zdolny do tworzenia wiązań wodorowych, które charakteryzują się szczególnie silnymi i kierunkowymi dipolami: CH 3 CH 2 HO-HOCH 2 CH 3 .
W konsekwencji prężność par alkoholu etylowego (0,098 atm) jest niższa niż eteru dietylowego (0,684 atm), mimo że jego cząsteczki są lżejsze.
Ćwiczenie 2
Uważa się, że które z poniższych dwóch ciał stałych ma najwyższą prężność pary w temperaturze 25 ° C? Naftalen czy jod?
Cząsteczka naftalenu jest bicykliczna, ma dwa pierścienie aromatyczne i ma temperaturę wrzenia 218 ° C. Z kolei jod jest liniowy i homojądrowy, I 2 lub II, o temperaturze wrzenia 184 ° C. Same te właściwości stawiają jod jako prawdopodobnie ciało stałe o najwyższej prężności pary (wrze w najniższej temperaturze).
Obie cząsteczki - naftalenu i jodu - są niepolarne, więc oddziałują za pośrednictwem sił dyspersyjnych Londynu.
Naftalen ma wyższą masę cząsteczkową niż jod, dlatego też można założyć, że jego cząsteczkom trudniej jest pozostawić czarne, pachnące, smoliste ciało stałe; podczas gdy dla jodu łatwiej będzie uciec przed ciemnofioletowymi kryształami.
Według danych z Pubchem, ciśnienie pary w temperaturze 25ºC dla naftalenu i jodu wynosi odpowiednio: 0,085 mmHg i 0,233 mmHg. Dlatego jod ma prężność pary 3 razy wyższą niż naftalen.
Bibliografia
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemia (8th ed.). CENGAGE Learning.
- Ciśnienie pary. Odzyskany z: chem.purdue.edu
- Wikipedia. (2019). Ciśnienie pary. Odzyskane z: en.wikipedia.org
- Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (03 kwietnia 2019). Ciśnienie pary. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
- Nichole Miller. (2019). Prężność par: definicja, równanie i przykłady. Badanie. Odzyskany z: study.com