Давление газа

Когда жидкость испаряется в закрытом контейнере, молекулы газа не могут выйти наружу. По мере случайного перемещения этих молекул газовой фазы они иногда сталкиваются с поверхностью конденсированной фазы, и в некоторых случаях эти столкновения приведут к повторному попадению молекул в конденсированную фазу. Переход от газовой фазы к жидкости называется конденсацией. Когда скорость конденсации становится равной скорости испарения, ни количество жидкости, ни количество пара в контейнере не изменяются. В этом случае пары в контейнере находятся в равновесии с жидкостью. Имейте в виду, что это не статическая ситуация, так как молекулы постоянно обмениваются между конденсированной и газообразной фазами. Это пример динамического равновесия, состояния системы, в которой взаимные процессы (например, испарение и конденсация) происходят с одинаковой скоростью.

Давление, оказываемое парами в равновесии с жидкостью в закрытом контейнере при заданной температуре, называется давлением паров жидкости (или равновесным давлением пара). Площадь поверхности жидкости, соприкасающейся с паром, и размер сосуда не влияют на давление пара, хотя они влияют на время, необходимое для достижения равновесия. Химические тождества молекул в жидкости определяют возможные типы (и сильные стороны) межмолекулярных аттракционов; следовательно, различные вещества будут демонстрировать различные равновесные давления пара. Относительно сильная межмолекулярная силы притяжения будет препятствовать испарению, а также способствовать “повторному захвату” молекул газовой фазы, когда они столкнутся с жидкостной поверхностью, что приведет к относительно низкому давлению пара. Слабые межмолекулярные аттракционы представляют собой меньшее препятствие для испарения, а также меньшую вероятность повторного улавливания газа, что приводит к относительно высокому давлению пара.

Рассмотрим четыре соединения: Этанол (CH3CH2OH), этиленгликоль (C2H6O₂), диэтиловый эфир (C4H10O) и вода (H2O).

Диэтиловый эфир имеет очень маленький диполь, и большинство его межмолекулярных достопримечательностей — лондонские дисперсионные силы. Несмотря на то, что эта молекула является самой большой из четырех рассматриваемых молекул, ее ИМФ являются самыми слабыми и, как следствие, ее молекулы с наибольшей готовностью вырываются из жидкости. Он также имеет самое высокое давление пара. Из-за меньшего размера этанол обладает более слабыми дисперсионными силами, чем диэтиловый эфир. Тем не менее, этанол способен на водородное связывание и, следовательно, демонстрирует более сильные общие ИМФ, что означает, что меньше молекул выходит из жидкости при любой заданной температуре, и поэтому этанол имеет более низкое давление пара, чем диэтиловый эфир. Вода гораздо меньше, чем любое из предыдущих веществ, и обладает более слабыми диспергирующих сил, но ее обширное водородное соединение обеспечивает более сильные межмолекулярные аттракционы, меньше молекул, выходящие из жидкости, и более низкое давление пара, чем для диэтилового эфира или этанола. Этиленгликоль имеет две группы -OH, поэтому, как и вода, он обладает обширным водородным связующим веществом. Она намного больше воды и, таким образом, испытывает более крупные лондонские силы. Его общие ИМС являются самыми большими из этих четырех веществ, что означает, что скорость испарения будет самой медленной и, следовательно, ее давление пара будет самым низким.

По мере повышения температуры давление пара жидкости также увеличивается из-за увеличения среднего KE ее молекул. Вспомните, что при любой заданной температуре молекулы вещества испытывают ряд кинетических энергий, при этом определенная часть молекул имеет достаточную энергию для преодоления МВФ и выхода жидкости (испарения). При более высокой температуре большая часть молекул имеет достаточно энергии, чтобы вырваться из жидкости. Утечка большего количества молекул за единицу времени и большая средняя скорость молекул, которые выходят из них, способствуют повышению давления пара.

Когда давление пара увеличивается настолько, чтобы оно равнялось внешнему атмосферному давлению, жидкость достигает точки кипения. Точка кипения жидкости — это температура, при которой ее равновесное давление пара равно давлению, оказываемому на жидкость газовой средой. Для жидкостей в открытых емкостях это давление связано с атмосферой Земли. Нормальная точка кипения жидкости определяется как точка кипения, когда давление окружающей среды равно 1 атм (101.3 кПа). При давлении выше 1 атм точка кипения жидкости выше нормальной точки кипения.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 10.3: Фазовые переходы.