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11.8: 蒸汽压
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Vapor Pressure
 
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11.8: 蒸汽压

当液体在封闭容器中蒸发时,气体分子就无法逸出。 当这些气相分子随机移动时,它们偶尔会与凝相表面发生碰撞,在某些情况下,这些碰撞会导致分子重新进入凝相。 从气相到液体的变化称为凝结。 当凝结速率等于汽化速率时,容器中的液体量和蒸汽量都不会变化。 然后,容器中的蒸汽据说与液体保持平衡。 请记住,这不是一种静态情况,因为分子在冷凝和气体相之间不断交换。 这就是动态平衡的一个示例,即一个系统的状态,在该系统中,对等进程 (例如汽化和凝结) 以相等的速率进行。

在给定温度下,蒸汽与封闭容器中的液体均衡施加的压力被称为液体的蒸汽压 (或均衡蒸汽压)。 与蒸汽接触的液体表面面积和容器尺寸对蒸汽压没有影响,尽管它们确实会影响达到平衡所需的时间。 液体中分子的化学特性决定了可能的分子间吸引力的类型 (和强度) ;因此,不同的物质将表现出不同的平衡蒸汽压力。 相对强的分子间吸引力强的力将会阻碍汽化,并在气体相分子与液体表面发生碰撞时倾向于“再捕获”气体相分子,从而导致蒸汽压相对较低。 弱分子间吸引力对汽化的障碍较少,气体再捕获的可能性也降低,从而产生相对较高的蒸汽压力。

考虑四种化合物:乙醇 (CH3CH2OH) ,乙二醇 (C2H6O2 ,二乙醚 (C4H10O) 和水 (H2O)。

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二乙醚的偶极非常小,其大部分分子间吸引力为伦敦色散力。 尽管这种分子是考虑中的四种分子中最大的一种,但其 分子间力(IMFs) 是最弱的,因此其分子最容易从液体中逸出。 它还拥有最高的蒸汽压。 由于乙醇的尺寸较小,其色散力比二乙醚弱。 然而,乙醇能够产生氢键,因此整体 分子间力(IMFs) 更强,这意味着在任何特定温度下从液体中排出的分子更少,因此乙醇的蒸汽压低于二乙醚。 水比以前的任何一种物质都要小得多,并且色散力较弱,但其外延的氢键提供了更强的分子间吸引力,排出液体的分子更少,蒸汽压也比二乙醚或乙醇低。 乙二醇有两个 −OH 组,因此,就像水一样,它展示了外延的氢键。 它比水大得多,因此体验到更大的伦敦力。 其整体 分子间力(IMFs) 是这四种物质中最大的一种,这意味着其汽化速率将是最慢的,因此其蒸汽压将是最低的。

随着温度的升高,液体的蒸汽压也会因其分子的平均 动能(KE) 增加而增加。 请记住,在任何给定温度下,一种物质的分子都会经历一系列的动能,其中一定比例的分子具有足够的能量来克服 分子间力(IMF) 并排出液体 (汽化)。 在较高的温度下,较大比例的分子有足够的能量从液体中逸出。 每单位时间的分子越多越逸,越高的分子平均速度越快,蒸汽压就越高。

当蒸汽压升高到足以等于外部大气压力时,液体会达到其沸点。 液体的沸点是其平衡蒸汽压等于其气体环境对液体施加压力的温度。 对于露天容器中的液体,这种压力是由地球的大气造成的。 当周围压力等于 1 ATM (101.3 kPa) 时,液体的正常沸点定义为其沸点。 当压力大于 1 ATM 时,液体的沸点高于其正常沸点。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第10.3节:相变

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