3 Cara Mengira Tekanan Wap

2024 Pengarang: Jason Gerald | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-02-01 14:14

Adakah anda pernah meninggalkan sebotol air di bawah terik matahari selama beberapa jam dan mendengar sedikit suara "mendesis" semasa anda membukanya? Ini disebabkan oleh prinsip yang disebut tekanan wap. Dalam kimia, tekanan wap adalah tekanan yang dilakukan oleh dinding bekas tertutup apabila bahan kimia di dalamnya menguap (berubah menjadi gas). Untuk mengetahui tekanan wap pada suhu tertentu, gunakan persamaan Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Langkah

Kaedah 1 dari 3: Menggunakan Persamaan Clausius-Clapeyron

Langkah 1. Tuliskan persamaan Clausius-Clapeyron

Rumus yang digunakan untuk mengira tekanan wap dengan perubahan tekanan wap dari masa ke masa disebut persamaan Clausius-Clapeyron (dinamakan sempena ahli fizik Rudolf Clausius dan Benoît Paul mil Clapeyron.) Pada dasarnya inilah formula yang anda perlukan untuk menyelesaikan kebanyakan jenis masalah Soalan tekanan wap sering dijumpai di kelas fizik dan kimia. Rumusannya seperti ini: ln (P1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). Dalam formula ini, pemboleh ubah mewakili:

H_wap:

Entalpi pengewapan cecair. Entalpi ini biasanya terdapat dalam jadual di bahagian belakang buku teks kimia.
R:

Pemalar gas sebenar / sejagat, atau 8.314 J / (K × Mol).
S1:

Suhu di mana tekanan wap diketahui (atau suhu awal).
T2:

Suhu di mana tekanan wap tidak diketahui / ingin dijumpai (atau suhu akhir).
P1 dan P2:

Tekanan wap pada suhu T1 dan T2, masing-masing.

Langkah 2. Masukkan pemboleh ubah yang anda tahu

Persamaan Clausius-Clapeyron kelihatan rumit kerana mempunyai banyak pemboleh ubah yang berbeza, tetapi sebenarnya tidak begitu sukar jika anda mempunyai maklumat yang tepat. Sebilangan besar masalah tekanan wap asas akan menyenaraikan dua nilai suhu dan satu nilai tekanan atau dua nilai tekanan dan satu nilai suhu - setelah anda mengetahui, menyelesaikan persamaan ini sangat mudah.

Sebagai contoh, katakan bahawa kita diberitahu bahawa kita mempunyai bekas berisi cecair pada suhu 295 K yang tekanan wapnya adalah 1 atmosfer (atm). Soalan kami ialah: Berapakah tekanan wap pada 393 K? Kami mempunyai dua nilai suhu dan satu nilai tekanan, jadi kami dapat mencari nilai tekanan yang lain menggunakan persamaan Clausius-Clapeyron. Dengan memasukkan pemboleh ubah, kita dapat ln (1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1/393) - (1/295)).
Perhatikan bahawa, untuk persamaan Clausius-Clapeyron, anda mesti selalu menggunakan nilai suhu Kelvin. Anda boleh menggunakan sebarang nilai tekanan selagi nilai untuk P1 dan P2 adalah sama.

Langkah 3. Masukkan pemalar anda

Persamaan Clausius-Clapeyron mempunyai dua pemalar: R dan H_wap. R selalu sama dengan 8.314 J / (K × Mol). Walau bagaimanapun, H_wap (entalpi pengewapan) bergantung pada bahan yang tekanan wap anda cari. Seperti yang dinyatakan di atas, anda biasanya dapat mencari nilai H_wap untuk pelbagai bahan di bahagian belakang buku teks kimia atau fizik, atau dalam talian (seperti, misalnya, di sini.)

Dalam contoh kita, anggap cecair kita adalah air tulen.

Sekiranya kita melihat dalam jadual nilai-nilai H_wap, kita dapati bahawa H_wap air tulen kira-kira 40.65 KJ / mol. Oleh kerana nilai H kami adalah dalam joule, dan bukan kilojoule, kami dapat menukarnya menjadi 40,650 J / mol.
Memasang pemalar kita, kita dapat ln (1 / P2) = (40,650 / 8, 314) ((1/393) - (1/295)).

Langkah 4. Selesaikan persamaan

Setelah anda memasukkan semua pemboleh ubah dalam persamaan kecuali yang anda cari, teruskan menyelesaikan persamaan mengikut peraturan algebra biasa.

Satu-satunya bahagian yang sukar untuk menyelesaikan persamaan kami (ln (1 / P2) = (40,650 / 8, 314) ((1/393) - (1/295))adalah menyelesaikan log semula jadi (ln). Untuk membuang log semula jadi, gunakan kedua-dua sisi persamaan sebagai eksponen bagi pemalar matematik e. Dalam kata lain, ln (x) = 2 → e^{ln (x)} = e² → x = e².
Sekarang, mari selesaikan persamaan kami:
ln (1 / P2) = (40,650 / 8, 314) ((1/393) - (1/295))
ln (1 / P2) = (4889, 34) (- 0, 00084)
(1 / P2) = e^{(-4, 107)}
1 / P2 = 0.0165
P2 = 0.0165^-1 = 60, 76 atm.

Ini masuk akal - dalam bekas tertutup, menaikkan suhu hingga hampir 100 darjah (hingga hampir 20 darjah di atas titik didih) akan menghasilkan banyak wap, meningkatkan tekanan dengan cepat.

Kaedah 2 dari 3: Mencari Tekanan Wap dengan Larutan Larut

Langkah 1. Tuliskan Undang-undang Raoult

Dalam kehidupan sebenar, kita jarang bekerja dengan cecair tulen - biasanya, kita bekerja dengan cecair yang merupakan campuran beberapa bahan yang berbeza. Sebilangan campuran yang paling biasa dibuat dibuat dengan melarutkan sejumlah kecil bahan kimia tertentu yang disebut zat terlarut dalam banyak bahan kimia yang disebut pelarut untuk membuat larutan. Dalam kes-kes ini, berguna untuk mengetahui persamaan yang disebut Raoult's Law (dinamakan sempena ahli fizik François-Marie Raoult), yang ditulis seperti ini: P_{zat terlarut}= P_pelarutX_pelarut. Dalam formula ini, pemboleh ubah mewakili;

P_{zat terlarut}:

Tekanan wap keseluruhan larutan (semua elemen digabungkan)
P_pelarut:

Tekanan wap pelarut
X_pelarut:

Pecahan mol pelarut
Jangan bimbang jika anda tidak mengetahui istilah seperti pecahan tahi lalat - kami akan menerangkannya dalam beberapa langkah seterusnya.

Langkah 2. Tentukan pelarut dan larut dalam larutan anda

Sebelum anda dapat mengira tekanan wap cecair campuran, anda mesti mengenal pasti bahan yang anda gunakan. Sebagai peringatan, larutan terbentuk apabila zat terlarut larut dalam pelarut - bahan kimia yang larut selalu disebut zat terlarut, dan bahan kimia yang membuatnya larut selalu disebut pelarut.

Mari berusaha menggunakan contoh mudah di bahagian ini untuk menggambarkan konsep yang kita bincangkan. Sebagai contoh, katakan kita mahu mencari tekanan wap sirap gula. Secara tradisional, sirap gula adalah gula larut dalam air (nisbah 1: 1), jadi kita boleh mengatakannya gula adalah zat terlarut kita dan air adalah pelarut kita.
Perhatikan bahawa formula kimia untuk sukrosa (gula meja) adalah C₁₂H₂₂O₁₁. Formula kimia ini akan sangat penting.

Langkah 3. Cari suhu larutan

Seperti yang kita lihat di bahagian Clausius Clapeyron di atas, suhu cecair akan mempengaruhi tekanan wapnya. Secara amnya, semakin tinggi suhu, semakin besar tekanan wap - ketika suhu meningkat, lebih banyak cecair akan menguap dan membentuk wap, meningkatkan tekanan di dalam bekas.

Dalam contoh kita, katakan suhu sirap gula pada ketika ini adalah 298 K (kira-kira 25 C).

Langkah 4. Cari tekanan wap pelarut

Bahan rujukan kimia biasanya mempunyai nilai tekanan wap bagi banyak bahan dan sebatian yang biasa digunakan, tetapi nilai tekanan ini biasanya hanya berlaku jika bahan tersebut mempunyai suhu 25 C / 298 K atau titik didihnya. Sekiranya penyelesaian anda mempunyai salah satu suhu ini, anda boleh menggunakan nilai rujukan, tetapi jika tidak, anda perlu mencari tekanan wap pada suhu tersebut.

Clausius-Clapeyron dapat membantu - menggunakan tekanan wap rujukan dan masing-masing 298 K (25 C) untuk P1 dan T1.
Dalam contoh kami, campuran kami mempunyai suhu 25 C, jadi kami boleh menggunakan jadual rujukan mudah kami. Kita tahu bahawa pada suhu 25 C, air mempunyai tekanan wap sebanyak 23.8 mm HG

Langkah 5. Cari pecahan mol pelarut anda

Perkara terakhir yang perlu kita lakukan sebelum kita menyelesaikannya ialah mencari pecahan mol pelarut kita. Mencari pecahan tahi lalat adalah mudah: ubah sebatian anda ke tahi lalat, kemudian cari peratusan setiap sebatian dalam jumlah mol dalam bahan. Dengan kata lain, pecahan mol setiap sebatian adalah sama dengan (mol sebatian) / (jumlah mol dalam zat).

Katakan resipi kami untuk penggunaan sirap gula 1 liter (L) air dan 1 liter sukrosa (gula).

Dalam kes ini, kita mesti mencari bilangan mol setiap sebatian. Untuk melakukan ini, kita akan menemui jisim setiap sebatian, kemudian gunakan jisim molar bahan untuk menukarnya menjadi tahi lalat.
Jisim (1 L air): 1,000 gram (g)
Jisim (1 L gula mentah): Kira-kira 1,056, 8 g
Mol (air): 1,000 gram × 1 mol / 18,015 g = 55,51 mol
Mol (sukrosa): 1,056, 7 gram × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (perhatikan bahawa anda dapat mengetahui jisim molar sukrosa dari formula kimianya, C₁₂H₂₂O₁₁.)
Jumlah mol: 55.51 + 3.08 = 58.59 mol
Pecahan mol air: 55, 51/58, 59 = 0, 947

Langkah 6. Selesaikan

Akhirnya, kita mempunyai semua yang kita perlukan untuk menyelesaikan persamaan Hukum Raoult. Bahagian ini sangat mudah: masukkan nilai anda untuk pemboleh ubah dalam persamaan Raoult's Law yang dipermudahkan pada awal bahagian ini (P_{zat terlarut} = P_pelarutX_pelarut).

Memasuki nilai kami, kami mendapat:
P_penyelesaian = (23.8 mm Hg) (0, 947)
P_penyelesaian = 22.54 mm Hg.

Hasilnya masuk akal - dari segi mol, terdapat sedikit gula yang larut dalam banyak air (walaupun dalam istilah dunia nyata, kedua-dua bahan mempunyai isipadu yang sama), jadi tekanan wap hanya akan sedikit menurun.

Kaedah 3 dari 3: Mencari Tekanan Wap dalam Kes Khas

Langkah 1. Berhati-hati dengan keadaan Suhu dan Tekanan Standard

Para saintis sering menggunakan satu set nilai suhu dan tekanan sebagai "standard" yang mudah digunakan. Nilai-nilai ini disebut Suhu dan Tekanan Standard (atau STP). Masalah tekanan wap sering merujuk kepada keadaan STP, jadi penting untuk mengingat nilai-nilai ini. Nilai STP ditakrifkan sebagai:

Suhu: 273, 15 K / 0 C / 32 F
Tekanan: 760 mm Hg / 1 atm / 101, 325 kilopascals

Langkah 2. Susun semula persamaan Clausius-Clapeyron untuk mencari pemboleh ubah lain

Dalam contoh kami di Bahagian 1, kami melihat bahawa persamaan Clausius – Clapeyron sangat berguna untuk mencari tekanan wap bagi bahan-bahan tulen. Namun, tidak semua soalan akan meminta anda mencari P1 atau P2 - banyak yang akan meminta anda mencari nilai suhu atau kadang-kadang bahkan nilai H._wap. Nasib baik, dalam kes ini, mendapatkan jawapan yang tepat hanyalah menyusun semula persamaan sehingga pemboleh ubah yang ingin anda selesaikan terpisah pada satu sisi tanda sama.

Sebagai contoh, katakan kita mempunyai cecair yang tidak diketahui dengan tekanan wap 25 torr pada 273 K dan 150 torr pada 325 K, dan kita ingin mencari entalpi pengewapan cecair ini (ΔH_wap). Kita boleh menyelesaikannya seperti ini:
ln (P1 / P2) = (ΔH_wap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
(ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_wap/ R)
R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = H_wap Sekarang, kami memasukkan nilai kami:
8, 314 J / (K × Mol) × (-1, 79) / (- 0, 00059) = H_wap
8, 314 J / (K × Mol) × 3,033, 90 = H_wap = 25,223, 83 J / mol

Langkah 3. Hitung tekanan wap zat terlarut semasa bahan menghasilkan wap

Dalam contoh Undang-undang Raoult kami di atas, zat terlarut kami, gula, tidak memberikan tekanan pada suhu normal (fikirkan - kapan terakhir kali anda melihat semangkuk gula menguap di almari atas anda?) Namun, ketika zat terlarut anda menguap, ini akan mempengaruhi tekanan wap anda. Kami memperhitungkan ini dengan menggunakan versi persamaan Raoult's Law yang diubah: P_penyelesaian = (Hlm_kompaunX_kompaun) Sigma simbol (Σ) bermaksud bahawa kita hanya perlu menambahkan semua tekanan wap dari sebatian yang berlainan untuk mendapatkan jawapan kita.

Sebagai contoh, katakan kita mempunyai penyelesaian yang diperbuat daripada dua bahan kimia: benzena dan toluena. Jumlah keseluruhan larutan adalah 12 mililiter (mL); 60 mL benzena dan 60 mL toluena. Suhu larutan adalah 25 ° C dan tekanan wap setiap bahan kimia ini pada 25 ° C adalah 95.1 mm Hg untuk benzena dan 28.4 mm Hg untuk toluena. Dengan nilai ini, cari tekanan wap larutan. Kami dapat melakukan ini seperti berikut, menggunakan nilai ketumpatan standard, jisim molar, dan tekanan wap untuk dua bahan kimia kami:
Jisim (benzena): 60 mL = 0.060 L & kali 876.50 kg / 1.000 L = 0.053 kg = 53 g
Jisim (toluena): 0,060 L & kali 866, 90 kg / 1,000 L = 0,052 kg = 52 g
Mol (benzena): 53 g × 1 mol / 78, 11 g = 0.679 mol
Mol (toluena): 52 g × 1 mol / 92, 14 g = 0,564 mol
Jumlah mol: 0.679 + 0.564 = 1.243
Pecahan mol (benzena): 0,679 / 1, 243 = 0,546
Pecahan mol (toluena): 0,564 / 1, 243 = 0,454
Penyelesaian: P_penyelesaian = P_benzenaX_benzena + P_toluenaX_toluena
P_penyelesaian = (95.1 mm Hg) (0, 546) + (28.4 mm Hg) (0, 454)
P_penyelesaian = 51.92 mm Hg + 12.89 mm Hg = 64, 81 mm Hg

Petua

Untuk menggunakan persamaan Clausius Clapeyron di atas, suhu mesti diukur dalam Kelvin (ditulis sebagai K). Sekiranya anda mempunyai suhu dalam Celsius, anda mesti menukarnya dengan menggunakan formula berikut: T_k = 273 + T_c
Kaedah di atas boleh digunakan kerana tenaga itu berkadar sama dengan jumlah haba yang digunakan. Suhu cecair adalah satu-satunya faktor persekitaran yang mempengaruhi tekanan wap.