11.8: ضغط البخار

عندما يتبخر سائل في حاوية مغلقة ، لا يمكن لجزيئات الغاز الهروب. نظرًا لأن جزيئات الطور الغازي تتحرك بشكل عشوائي ، فإنها ستصطدم أحيانًا بسطح المرحلة المكثفة ، وفي بعض الحالات ، ستؤدي هذه التصادمات إلى عودة الجزيئات إلى الطور المكثف. يسمى التغيير من الطور الغازي إلى السائل بالتكثيف. عندما يصبح معدل التكثيف مساويًا لمعدل التبخر، لا تتغير كمية السائل ولا كمية البخار في الحاوية. ثم يقال أن البخار الموجود في الحاوية في حالة توازن مع السائل. ضع في اعتبارك أن هذا ليس موقفًا ثابتًا، حيث يتم تبادل الجزيئات باستمرار بين المرحلتين المكثفة والغازية. هذا مثال على التوازن الديناميكي، الحالة لنظام تحدث فيه العمليات المتبادلة (على سبيل المثال ، التبخر والتكثيف) بمعدلات متساوية.

يُطلق على الضغط الذي يمارسه البخار في حالة توازن مع سائل في حاوية مغلقة عند درجة حرارة معينة ضغط بخار السائل’ (أو ضغط بخار التوازن). لا تؤثر مساحة سطح السائل الملامس للبخار وحجم الوعاء على ضغط البخار ، على الرغم من أنها تؤثر على الوقت اللازم للوصول إلى التوازن. تحدد الهويات الكيميائية للجزيئات في سائل أنواع (ونقاط قوة) عوامل الجذب بين الجزيئات الممكنة ؛ وبالتالي ، ستظهر المواد المختلفة ضغوط بخار توازن مختلفة. ستعمل القوى الجاذبة بين الجزيئات القوية نسبيًا على إعاقة التبخير وكذلك تفضيل “الاستعادة” من جزيئات الطور الغازي عندما تصطدم بسطح السائل ، مما ينتج عنه ضغط بخار منخفض نسبياً. تمثل عوامل الجذب بين الجزيئات الضعيفة حاجزًا أقل للتبخر، كما تقل احتمالية استعادة الغاز، مما ينتج عنه ضغوط بخار عالية نسبياً.

ضع في اعتبارك أربعة مركبات: الإيثانول (CH₃CH₂OH) ، إيثيلين جلايكول (C _{2C2H6O2) ودي إيثيل إيثر (C4H10O) والماء (H2O) .}

يحتوي إيثيل الأثير على ثنائي أقطاب صغير جداً، ومعظم عوامل الجذب بين الجزيئات هي قوى تشتت لندن. على الرغم من أن هذا الجزيء هو الأكبر من بين أربعة جزيئات قيد الدراسة ، فإن IMFs هو الأضعف ، ونتيجة لذلك ، فإن جزيئاته تتسرب بسهولة من السائل. كما أن لديها أعلى ضغط بخار. نظرًا لصغر حجمه ، يُظهر الإيثانول قوى تشتت أضعف من ثنائي إيثيل إيثر. ومع ذلك ، فإن الإيثانول قادر على الترابط الهيدروجيني ، وبالتالي ، يُظهر أقوى عوامل IMF بشكل عام ، مما يعني أن عددًا أقل من الجزيئات يفلت من السائل عند أي درجة حرارة معينة ، وبالتالي فإن الإيثانول لديه ضغط بخار أقل من ثنائي إيثيل إيثر. الماء أصغر بكثير من أي من المواد السابقة ويظهر قوى تشتت أضعف ، لكن روابطه الهيدروجينية الواسعة توفر عوامل جذب أقوى بين الجزيئات ، وجزيئات أقل تفلت من السائل ، وضغط بخار أقل من أي إيثر ثنائي إيثيل أو إيثانول. يحتوي جلايكول الإيثيلين على مجموعتين من مجموعات −OH ، لذلك ، مثل الماء ، فإنه يُظهر روابط هيدروجينية واسعة النطاق. إنه أكبر بكثير من الماء وبالتالي يواجه قوى لندن أكبر. تعد صناديق النقد الدولية الخاصة بها هي الأكبر من بين هذه المواد الأربع ، مما يعني أن معدل تبخرها سيكون الأبطأ ، وبالتالي ، فإن ضغط بخارها سيكون الأدنى.

مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد ضغط بخار السائل أيضًا بسبب زيادة متوسط ​​KE لجزيئاته. تذكر أنه في أي درجة حرارة معينة ، فإن جزيئات مادة ما تتعرض لمجموعة من الطاقات الحركية ، مع وجود جزء معين من الجزيئات لديه طاقة كافية للتغلب على IMF والهروب من السائل (التبخر). عند درجة حرارة أعلى ، يمتلك جزء أكبر من الجزيئات طاقة كافية للهروب من السائل. يساهم تسريب المزيد من الجزيئات لكل وحدة زمنية والسرعة المتوسطة الأكبر للجزيئات التي تتسرب في زيادة ضغط البخار.

عندما يزيد ضغط البخار بدرجة كافية ليعادل الضغط الجوي الخارجي ، يصل السائل إلى نقطة الغليان. نقطة غليان السائل هي درجة الحرارة التي يكون عندها ضغط بخار توازنه مساويًا للضغط الذي يمارس على السائل بواسطة محيطه الغازي. بالنسبة للسوائل في الحاويات المفتوحة، فإن هذا الضغط يرجع إلى الغلاف الجوي للأرض’. يتم تحديد نقطة الغليان العادية للسائل على أنها نقطة غليانه عندما يكون الضغط المحيط مساويًا لـ 1 atm (101.3 كيلو باسكال). عند ضغوط أكبر من 1 atm، تكون درجة غليان السائل أعلى من نقطة غليانه العادية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.

في نظام مغلق،عند توازن السائل وبخاره،يحدث التكثيف والتبخّر بنفس السرعة،دون أي تغيير صافي في الكتلة للمرحلتين. الضغط الجزئي،الذي تبذله المرحلة الغازية بتوازن ديناميكي مع سائله،يسمى ضغط البخار. كلما ازداد عدد الجزيئات أثناء مرحلة البخار،يرتفع ضغط البخار أكثر.

وهكذا فإن ضغط البخار بمثابة انعكاس لميل الجزيئات السائلة للهروب إلى مرحلة البخار عند درجة حرارة معينة. وهي كمية قابلة للقياس،تحددها القوى البين جزيئية. يصف التطاير هذا الميل من ناحية نوعية،بناء على ضغط البخار للسوائل تحت الظروف ذاتها.

على سبيل المثال،لنقارن الهكسان والماء،تحت درجة الحرارة ذاتها. لأن قوى التشتت في الهكسان أضعف من الروابط الهيدروجينية القوية الموجودة في الماء،فإن الهكسان يتبخّر أسرع من الماء. في نظام مغلق عند حالة التوازن،يمتاز الهكسان بقوة بخار أعلى منها في الماء:فالهكسان متطاير،بينما الماء غير متطاير.

توزيع الطاقات الحرارية في مرحلة السيولة من وظائف درجة الحرارة. تسخين سائل معين يرفع درجة حرارته،مما يدل على أن الجزيئات تمتلك طاقات حرارية أعلى،والتي بدورها تؤدي إلى سرعة تبخّر أعلى وضغط بخار أعلى. عندما يتساوى ضغط البخار مع الضغط الخارجي،يبدأ السائل بالغليان،وتسمى درجة حرارة حدوث ذلك نقطة الغليان الخاصة بالسائل.

نقطة الغليان الطبيعية لسائل ما هي درجة الحرارة التي يصل عندها ضغط البخار لذلك السائل إلى جو واحد. غير أنه إذا تغير الضغط الخارجي،فسوف يغلي السائل عند درجة حرارة تختلف عن نقطة غليانه الطبيعية. على سبيل المثال،عند مستوى سطح البحر القياسي،حيث يكون الضغط الجوي واحد جو،يغلي الماء عند درجة 100 مئوية.

أما عند الارتفاع أكثر حين يكون الضغط الجوي أقل من واحد جو فتتطلب مرحلة البخار عدد جزيئات أقل لمعادلة الضغط الخارجي المنخفض. وهذا يفسر سبب غليان الماء عند درجة حرارة أقل. في طنجرة الضغط،يحتاج الضغط الخارجي الأعلي إلى مزيد من الجزيئات في مرحلة البخار،وبالتالي يحتاج الماء إلى حرارة أعلى ليغلي.