11.8:

Ciśnienie pary

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Vapor Pressure
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

33,079 Views

02:34 min
September 24, 2020

Kiedy ciecz paruje w zamkniętym pojemniku, cząsteczki gazu nie mogą się wydostać. Ponieważ te cząsteczki fazy gazowej poruszają się losowo, od czasu do czasu zderzają się z powierzchnią fazy skondensowanej, aw niektórych przypadkach zderzenia te spowodują ponowne wejście cząsteczek w fazę skondensowaną. Przejście z fazy gazowej na ciecz nazywa się kondensacją. Gdy szybkość kondensacji zrówna się szybkości parowania, nie zmienia się ani ilość cieczy, ani ilość pary w pojemniku. Mówi się wtedy, że para w pojemniku jest w równowadze z cieczą. Należy pamiętać, że nie jest to sytuacja statyczna, ponieważ cząsteczki są stale wymieniane między fazą skondensowaną a gazową. Jest to przykład równowagi dynamicznej, stanu układu, w którym wzajemne procesy (na przykład parowanie i kondensacja) zachodzą w równym tempie.

Ciśnienie wywierane przez parę w równowadze z cieczą w zamkniętym pojemniku w danej temperaturze nazywane jest ciśnieniem pary (lub równowagowym ciśnieniem pary). Powierzchnia powierzchni cieczy stykającej się z parą i wielkość naczynia nie mają wpływu na prężność pary, chociaż wpływają na czas potrzebny do osiągnięcia równowagi. Tożsamości chemiczne cząsteczek w cieczy określają rodzaje (i siły) możliwych przyciągań międzycząsteczkowych; W związku z tym różne substancje będą wykazywać różną równowagę prężności par. Stosunkowo silne międzycząsteczkowe siły przyciągania będą służyć do utrudniania parowania, a także sprzyjać “wychwytywaniu” cząsteczek fazy gazowej, gdy zderzają się one z powierzchnią cieczy, co skutkuje stosunkowo niską prężnością pary. Słabe przyciąganie międzycząsteczkowe stanowi mniejszą barierę dla parowania i zmniejsza prawdopodobieństwo ponownego wychwycenia gazu, co skutkuje stosunkowo wysoką prężnością pary.

Rozważ cztery związki: etanol (CH3,CH2OH), glikol etylenowy (C2H6O2), eter dietylowy (C, 4H,10O) i wodę (H2O).

Image1

Eter dietylowy ma bardzo mały dipol, a większość jego przyciągań międzycząsteczkowych to londyńskie siły dyspersyjne. Chociaż ta cząsteczka jest największa z czterech rozważanych, jej IMF są najsłabsze, w wyniku czego jej cząsteczki najłatwiej uciekają z cieczy. Ma również najwyższą prężność pary. Ze względu na mniejszy rozmiar etanol wykazuje słabsze siły dyspersji niż eter dietylowy. Jednak etanol jest zdolny do wiązania wodorowego i dlatego wykazuje silniejsze ogólne IMF, co oznacza, że mniej cząsteczek ucieka z cieczy w danej temperaturze, a więc etanol ma niższą prężność par niż eter dietylowy. Woda jest znacznie mniejsza niż którakolwiek z poprzednich substancji i wykazuje słabsze siły dyspersji, ale jej rozległe wiązania wodorowe zapewniają silniejsze przyciąganie międzycząsteczkowe, mniej cząsteczek uciekających z cieczy i niższą prężność par niż w przypadku eteru dietylowego lub etanolu. Glikol etylenowy ma dwie grupy −OH, więc podobnie jak woda wykazuje rozległe wiązania wodorowe. Jest znacznie większy od wody i dlatego doświadcza większych sił Londynu. Jego ogólne IMF są największymi z tych czterech substancji, co oznacza, że jego szybkość parowania będzie najwolniejsza, a co za tym idzie, ciśnienie pary najniższe.

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również prężność pary cieczy ze względu na zwiększoną średnią KE jej cząsteczek. Przypomnijmy, że w każdej temperaturze cząsteczki substancji doświadczają szeregu energii kinetycznych, przy czym pewna frakcja cząsteczek ma wystarczającą energię, aby pokonać IMF i uciec z cieczy (odparować). W wyższej temperaturze większa frakcja cząsteczek ma wystarczająco dużo energii, aby uciec z cieczy. Ucieczka większej liczby cząsteczek w jednostce czasu i większa średnia prędkość cząsteczek, które uciekają, przyczyniają się do wyższej prężności pary.

Gdy prężność pary wzrośnie na tyle, aby zrównać się z zewnętrznym ciśnieniem atmosferycznym, ciecz osiąga temperaturę wrzenia. Temperatura wrzenia cieczy to temperatura, w której jej równowagowa prężność pary jest równa ciśnieniu wywieranemu na ciecz przez jej gazowe otoczenie. W przypadku cieczy w otwartych pojemnikach ciśnienie to jest spowodowane atmosferą ziemską. Normalna temperatura wrzenia cieczy jest definiowana jako jej temperatura wrzenia, gdy ciśnienie otoczenia jest równe 1 atm (101,3 kPa). Przy ciśnieniach większych niż 1 atm temperatura wrzenia cieczy jest wyższa niż jej normalna temperatura wrzenia.

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/10-3-phase-transitions”>Openstax, Chemia 2e, Sekcja 10.3: Przejścia fazowe.