3 cách tính áp suất hơi

2024 Tác giả: Jason Gerald | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-01 14:16

Bạn đã bao giờ để một chai nước dưới trời nắng nóng trong vài giờ và nghe thấy tiếng "rít" nhẹ khi mở ra? Điều này là do một nguyên tắc được gọi là áp suất hơi. Trong hóa học, áp suất hơi là áp suất tác dụng lên thành của một bình kín khi chất hóa học trong đó bay hơi (biến thành khí). Để tìm áp suất hơi ở một nhiệt độ nhất định, sử dụng phương trình Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_{hơi nước}/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Bươc chân

Phương pháp 1/3: Sử dụng phương trình Clausius-Clapeyron

Bước 1. Viết phương trình Clausius-Clapeyron

Công thức được sử dụng để tính áp suất hơi với sự thay đổi áp suất hơi theo thời gian được gọi là phương trình Clausius – Clapeyron (đặt theo tên của các nhà vật lý Rudolf Clausius và Benoît Paul mile Clapeyron.) Về cơ bản, đây là công thức bạn sẽ cần để giải hầu hết các dạng bài toán.. Câu hỏi áp suất hơi thường gặp trong các lớp lý, hóa. Công thức như sau: ln (P1 / P2) = (ΔH_{hơi nước}/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). Trong công thức này, các biến đại diện cho:

• NS_{hơi nước}:

  Sự hóa hơi của một chất lỏng. Entanpi này thường có trong bảng ở cuối sách giáo khoa hóa học.

• NS:

  Hằng số khí thực / phổ thông, hoặc 8,314 J / (K × Mol).

• Q1:

  Nhiệt độ mà áp suất hơi đã biết (hay nhiệt độ ban đầu).

• T2:

  Nhiệt độ mà áp suất hơi chưa biết / muốn tìm (hoặc nhiệt độ cuối cùng).

• P1 và P2:

  Áp suất hơi lần lượt ở nhiệt độ T1 và T2.

Bước 2. Nhập các biến mà bạn biết

Phương trình Clausius-Clapeyron trông có vẻ phức tạp vì nó có rất nhiều biến số khác nhau, nhưng thực ra nó không quá khó nếu bạn có thông tin chính xác. Hầu hết các bài toán cơ bản về áp suất hơi sẽ liệt kê hai giá trị nhiệt độ và một giá trị áp suất hoặc hai giá trị áp suất và một giá trị nhiệt độ - một khi bạn hiểu được điều đó, việc giải phương trình này rất dễ dàng.

• Ví dụ, giả sử rằng chúng ta được cho biết rằng chúng ta có một bình chứa đầy chất lỏng ở 295 K có áp suất hơi là 1 khí quyển (atm). Câu hỏi của chúng tôi là: Áp suất hơi ở 393 K là bao nhiêu? Chúng ta có hai giá trị nhiệt độ và một giá trị áp suất, vì vậy chúng ta có thể tìm các giá trị áp suất khác bằng cách sử dụng phương trình Clausius-Clapeyron. Bằng cách bổ sung các biến của chúng tôi, chúng tôi nhận được ln (1 / P2) = (ΔH_{hơi nước}/ R) ((1/393) - (1/295)).
• Lưu ý rằng đối với phương trình Clausius-Clapeyron, bạn phải luôn sử dụng giá trị nhiệt độ Kelvin. Bạn có thể sử dụng bất kỳ giá trị áp suất nào miễn là giá trị P1 và P2 giống nhau.

Bước 3. Nhập hằng số của bạn

Phương trình Clausius-Clapeyron có hai hằng số: R và H_{hơi nước}. R luôn bằng 8,314 J / (K × Mol). Tuy nhiên, H_{hơi nước} (entanpi của hóa hơi) phụ thuộc vào chất có áp suất hơi mà bạn đang tìm kiếm. Như đã lưu ý ở trên, bạn thường có thể tìm thấy các giá trị của H_{hơi nước} cho các chất khác nhau ở mặt sau của sách giáo khoa hóa học hoặc vật lý, hoặc trực tuyến (chẳng hạn như tại đây.)

• Trong ví dụ của chúng tôi, giả sử chất lỏng của chúng tôi là nước tinh khiết.

  Nếu chúng ta tìm trong bảng các giá trị của H_{hơi nước}, chúng tôi thấy rằng H_{hơi nước} nước tinh khiết khoảng 40,65 KJ / mol. Vì giá trị H của chúng ta tính bằng jun chứ không phải kilojoule, chúng ta có thể chuyển đổi nó thành 40,650 J / mol.

• Cắm vào các hằng số của chúng tôi, chúng tôi nhận được ln (1 / P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295)).

Bước 4. Giải phương trình

Khi bạn đã bao gồm tất cả các biến trong phương trình ngoại trừ biến bạn đang tìm, hãy tiến hành giải phương trình theo các quy tắc của đại số thông thường.

• Phần khó duy nhất của việc giải phương trình của chúng tôi (ln (1 / P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295))) đang giải quyết log tự nhiên (ln). Để loại bỏ log tự nhiên, chỉ cần sử dụng cả hai vế của phương trình làm số mũ cho hằng số toán học e. Nói cách khác, ln (x) = 2 → e^{ln (x)} = e² → x = e².

• Bây giờ, hãy giải phương trình của chúng ta:
• 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.

  Điều này có ý nghĩa - trong một bình kín, tăng nhiệt độ lên gần 100 độ (cao hơn gần 20 độ so với nhiệt độ sôi) sẽ tạo ra nhiều hơi nước, làm tăng áp suất nhanh chóng.

Phương pháp 2/3: Tìm áp suất hơi với dung dịch hòa tan

Bước 1. Viết ra Định luật Raoult

Trong cuộc sống thực, chúng ta hiếm khi làm việc với một chất lỏng tinh khiết - thông thường, chúng ta làm việc với một chất lỏng là hỗn hợp của một số chất khác nhau. Một số hỗn hợp được sử dụng phổ biến nhất được tạo ra bằng cách hòa tan một lượng nhỏ hóa chất nhất định được gọi là chất hòa tan trong nhiều hóa chất được gọi là dung môi để tạo dung dịch. Trong những trường hợp này, sẽ rất hữu ích nếu biết một phương trình được gọi là Định luật Raoult (được đặt theo tên của nhà vật lý François-Marie Raoult), được viết như thế này: P_tan= P_{dung môi}NS_{dung môi}. Trong công thức này, các biến đại diện cho;

• P_tan:

  Áp suất hóa hơi của toàn bộ dung dịch (tất cả các yếu tố kết hợp)

• P_{dung môi}:

  Áp suất hơi dung môi

• NS_{dung môi}:

  Phân đoạn nốt ruồi của dung môi

• Đừng lo lắng nếu bạn không biết các thuật ngữ như phân số mol - chúng tôi sẽ giải thích chúng trong vài bước tiếp theo.

Bước 2. Xác định dung môi và chất tan trong dung dịch của bạn

Trước khi bạn có thể tính toán áp suất hơi của một chất lỏng hỗn hợp, bạn phải xác định các chất bạn đang sử dụng. Xin nhắc lại, một dung dịch được tạo thành khi một chất tan hòa tan trong dung môi - hóa chất hòa tan luôn được gọi là chất tan, và hóa chất làm cho nó hòa tan luôn được gọi là dung môi.

• Hãy làm việc bằng cách sử dụng các ví dụ đơn giản trong phần này để minh họa các khái niệm mà chúng ta thảo luận. Ví dụ, giả sử chúng ta muốn tìm áp suất hơi của xi-rô đường. Theo truyền thống, xi-rô đường là đường hòa tan trong nước (tỷ lệ 1: 1), vì vậy chúng ta có thể nói rằng đường là chất tan và nước là dung môi của chúng ta.
• Lưu ý rằng công thức hóa học của sucrose (đường ăn) là C₁₂NS₂₂O₁₁. Công thức hóa học này sẽ rất quan trọng.

Bước 3. Tìm nhiệt độ của dung dịch

Như chúng ta đã thấy trong phần Clausius Clapeyron ở trên, nhiệt độ của chất lỏng sẽ ảnh hưởng đến áp suất hơi của nó. Nói chung, nhiệt độ càng cao, áp suất hơi càng lớn - khi nhiệt độ tăng, nhiều chất lỏng sẽ bay hơi và tạo thành hơi, làm tăng áp suất trong bình chứa.

Trong ví dụ của chúng tôi, giả sử nhiệt độ của xi-rô đường tại thời điểm này là 298 K (khoảng 25 C).

Bước 4. Tìm áp suất hơi của dung môi

Vật liệu chuẩn hóa học thường có các giá trị áp suất hơi đối với nhiều chất và hợp chất thường được sử dụng, nhưng các giá trị áp suất này thường chỉ có giá trị nếu chất có nhiệt độ 25 C / 298 K hoặc nhiệt độ sôi của nó. Nếu dung dịch của bạn có một trong các nhiệt độ này, bạn có thể sử dụng giá trị tham chiếu, nhưng nếu không, bạn sẽ cần tìm áp suất hơi ở nhiệt độ đó.

• Clausius-Clapeyron có thể hữu ích - sử dụng áp suất hơi tham chiếu và 298 K (25 C) cho P1 và T1 tương ứng.
• Trong ví dụ của chúng tôi, hỗn hợp của chúng tôi có nhiệt độ 25 C, vì vậy chúng tôi có thể dễ dàng sử dụng bảng tham chiếu dễ dàng của chúng tôi. Chúng ta biết rằng ở 25 C, nước có áp suất hơi là 23,8 mm HG

Bước 5. Tìm phần mol dung môi của bạn

Điều cuối cùng chúng ta cần làm trước khi có thể giải quyết vấn đề này là tìm phần mol dung môi của chúng ta. Tìm phần trăm số mol rất dễ dàng: chỉ cần chuyển đổi các hợp chất của bạn thành số mol, sau đó tìm phần trăm của mỗi hợp chất trong tổng số mol trong chất. Nói cách khác, phần mol của mỗi hợp chất bằng (số mol hợp chất) / (tổng số mol chất).

• Giả sử công thức của chúng tôi sử dụng xi-rô đường 1 lít (L) nước và 1 lít sucrose (đường).

  Trong trường hợp này, chúng ta phải tìm số mol của mỗi hợp chất. Để làm điều này, chúng ta sẽ tìm khối lượng của mỗi hợp chất, sau đó sử dụng khối lượng mol của chất đó để chuyển nó thành mol.

• Khối lượng (1 L nước): 1.000 gam (g)
• Khối lượng (1 L đường thô): Xấp xỉ 1,056,8 g
• Nốt ruồi (nước): 1.000 gam × 1 mol / 18.015 gam = 55.51 mol
• Số mol (sacaroza): 1,056, 7 gam × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (lưu ý rằng bạn có thể tìm khối lượng mol của sacaroza từ công thức hóa học của nó, C₁₂NS₂₂O₁₁.)
• Tổng số mol: 55,51 + 3,08 = 58,59 mol
• Phần nốt ruồi của nước: 55, 51/58, 59 = 0, 947

Bước 6. Kết thúc

Cuối cùng, chúng ta có mọi thứ cần thiết để giải phương trình Định luật Raoult. Phần này rất dễ dàng: chỉ cần nhập các giá trị của bạn cho các biến trong phương trình Định luật Raoult đơn giản ở đầu phần này (P_tan = P_{dung môi}NS_{dung môi}).

• Nhập các giá trị của chúng tôi, chúng tôi nhận được:
• P_{dung dịch} = (23,8 mm Hg) (0, 947)

• P_{dung dịch} = 22,54 mm Hg.

  Kết quả là có ý nghĩa - về số mol, có rất ít đường hòa tan trong nhiều nước (mặc dù trong thực tế, cả hai thành phần đều có cùng thể tích), do đó áp suất hơi sẽ chỉ giảm một chút.

Phương pháp 3/3: Tìm áp suất hơi trong các trường hợp đặc biệt

Bước 1. Cẩn thận với các điều kiện Nhiệt độ và Áp suất tiêu chuẩn

Các nhà khoa học thường sử dụng một tập hợp các giá trị nhiệt độ và áp suất làm “tiêu chuẩn” dễ sử dụng. Các giá trị này được gọi là Nhiệt độ và Áp suất Tiêu chuẩn (hoặc STP). Các vấn đề về áp suất hơi thường đề cập đến các điều kiện STP, vì vậy điều quan trọng là phải nhớ các giá trị này. Giá trị STP được định nghĩa là:

• Nhiệt độ: 273, 15 K / 0 C / 32 F
• Sức ép: 760 mm Hg / 1 atm / 101, 325 kilopascal

Bước 2. Sắp xếp lại phương trình Clausius-Clapeyron để tìm các biến khác

Trong ví dụ của chúng tôi ở Phần 1, chúng tôi thấy rằng phương trình Clausius-Clapeyron rất hữu ích để tìm áp suất hơi cho các chất tinh khiết. Tuy nhiên, không phải tất cả các câu hỏi đều yêu cầu bạn tìm P1 hoặc P2 - nhiều câu hỏi sẽ yêu cầu bạn tìm giá trị nhiệt độ hoặc đôi khi thậm chí là giá trị H._{hơi nước}. May mắn thay, trong những trường hợp này, việc có được câu trả lời đúng chỉ đơn giản là việc sắp xếp lại phương trình sao cho các biến bạn muốn giải nằm riêng về một phía của dấu bằng.

• Ví dụ, giả sử chúng ta có một chất lỏng chưa biết với áp suất hơi 25 torr ở 273 K và 150 torr ở 325 K, và chúng ta muốn tìm entanpi của quá trình hóa hơi của chất lỏng này (ΔH_{hơi nước}). Chúng tôi có thể giải quyết nó như thế này:
• ln (P1 / P2) = (ΔH_{hơi nước}/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
• (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_{hơi nước}/NS)
• R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = H_{hơi nước} Bây giờ, chúng tôi nhập các giá trị của mình:
• 8, 314 J / (K × Mol) × (-1, 79) / (- 0, 00059) = H_{hơi nước}
• 8, 314 J / (K × Mol) × 3.033, 90 = H_{hơi nước} = 25,223, 83 J / mol

Bước 3. Tính áp suất hơi của chất tan khi chất tạo ra hơi

Trong ví dụ về Định luật Raoult của chúng tôi ở trên, chất tan của chúng tôi, đường, không tự tạo ra bất kỳ áp suất nào ở nhiệt độ bình thường (hãy nghĩ - lần cuối cùng bạn nhìn thấy một bát đường bay hơi trong tủ trên của bạn là khi nào?) Tuy nhiên, khi chất tan của bạn đã bay hơi, điều này sẽ ảnh hưởng đến áp suất hơi của bạn. Chúng tôi giải thích điều này bằng cách sử dụng phiên bản sửa đổi của phương trình Định luật Raoult: P_{dung dịch} = (P_{hợp chất}NS_{hợp chất}) Ký hiệu sigma (Σ) có nghĩa là chúng ta chỉ cần cộng tất cả các áp suất hơi của các hợp chất khác nhau để có câu trả lời.

• Ví dụ, giả sử chúng ta có một dung dịch làm từ hai chất hóa học: benzen và toluen. Tổng thể tích của dung dịch là 12 mililít (mL); 60 mL benzen và 60 mL toluen. Nhiệt độ của dung dịch là 25 ° C và áp suất hơi của mỗi hóa chất này ở 25 ° C là 95,1 mm Hg đối với benzen và 28,4 mm Hg đối với toluen. Với các giá trị này, hãy tìm áp suất hơi của dung dịch. Chúng tôi có thể làm điều này như sau, sử dụng các giá trị mật độ, khối lượng mol và áp suất hơi tiêu chuẩn cho hai hóa chất của chúng tôi:
• Khối lượng (benzen): 60 mL = 0,060 L & lần 876,50 kg / 1.000 L = 0,053 kg = 53 g
• Khối lượng (toluen): 0,060 L & lần 866, 90 kg / 1.000 L = 0,052 kg = 52 g
• Mol (benzen): 53 g × 1 mol / 78, 11 g = 0,679 mol
• Nốt ruồi (toluen): 52 g × 1 mol / 92, 14 g = 0,564 mol
• Tổng số mol: 0,679 + 0,564 = 1,243
• Phần mol (benzen): 0,679 / 1, 243 = 0,546
• Phần mol (toluen): 0,564 / 1, 243 = 0,454
• Giải pháp: P_{dung dịch} = P_benzenNS_benzen + P_toluenNS_toluen
• P_{dung dịch} = (95,1 mm Hg) (0, 546) + (28,4 mm Hg) (0, 454)
• P_{dung dịch} = 51,92 mm Hg + 12,89 mm Hg = 64, 81 mm Hg

Lời khuyên

• Để sử dụng phương trình Clausius Clapeyron ở trên, nhiệt độ phải được đo bằng Kelvin (viết là K). Nếu bạn có nhiệt độ bằng độ C, thì bạn phải chuyển đổi nó theo công thức sau: NS_k = 273 + T_NS
• Các phương pháp trên có thể được sử dụng vì năng lượng tỷ lệ chính xác với lượng nhiệt tác dụng. Nhiệt độ của chất lỏng là yếu tố môi trường duy nhất ảnh hưởng đến áp suất hơi.