Content

• Passos
• Consells

Alguna vegada heu deixat una ampolla d’aigua al sol durant unes hores, després heu obert la tapa i heu sentit un petit "estalvi"? Aquest so es deu pressió del vapor a l'ampolla causa. En química, la pressió de vapor és la pressió que actua sobre la paret d’un recipient tancat mentre el líquid del recipient s’evapora (es converteix en gas). Per trobar la pressió de vapor a una temperatura coneguda, utilitzeu l'equació de Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Passos

Mètode 1 de 3: utilitzeu l'equació de Clausius-Clapeyron

1. 

   Escriviu l’equació de Clausius-Clapeyron. Quan es considera el canvi de pressió de vapor al llarg del temps, la fórmula per calcular la pressió de vapor és l’equació de Clausius-Clapeyron (que porta el nom dels físics Rudolf Clausius i Benoît Paul Émile Clapeyron). Aquesta és una fórmula d’ús comú per resoldre problemes de pressió de vapor comuns en física i química. La fórmula s’escriu de la següent manera: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). En aquesta fórmula, les variables representen:
   • ΔH_vap: Entalpia d’evaporació de líquids. Aquest valor es pot trobar a la taula al final d’un llibre de text de química.
   • R: Constant de gas ideal i igual a 8.314 J / (K × Mol).
   • T1: La temperatura a la qual es coneix la pressió de vapor (temperatura inicial).
   • T2: La temperatura a la qual es requereix la pressió de vapor (temperatura final).
   • P1 i P2: La pressió de vapor corresponent a les temperatures T1 i T2.

2. 

   
   
   Substituïu els valors coneguts per variables. L’equació de Clausius-Clapeyron sembla força complicada perquè hi ha moltes variables diferents, però no és massa difícil si el problema proporciona prou informació. Els problemes més bàsics de pressió de vapor us proporcionaran dos valors de temperatura i un valor de pressió o dos valors de pressió i un valor de temperatura; un cop tingueu aquestes dades, és fàcil de resoldre.
   • Per exemple, suposem que el problema és per a un recipient de líquid a 295 K i amb una pressió de vapor d'1 atmosfera (atm). La pregunta és: Quina és la pressió del vapor a una temperatura de 393 K? Tenim dos valors per a la temperatura i un per a la pressió, de manera que és possible resoldre la pressió restant mitjançant l’equació de Clausius-Clapeyron. Posant valors a les variables, ho tenim ln (1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • Per a l’equació de Clausius-Clapeyron, sempre hem d’utilitzar un valor de temperatura Kelvin. Podeu utilitzar qualsevol valor de pressió, sempre que estigui a les mateixes unitats tant per a P1 com per a P2.

3. 

   
   
   Substitueix les constants. L’equació de Clausius-Clapeyron té dues constants: R i ΔH_vap. R sempre és igual a 8.314 J / (K × Mol). No obstant això, ΔH_vap (entalpia volàtil) depèn del tipus de líquid vaporitzant donat pel problema. Dit això, podeu cercar valors ΔH_vap d'una varietat de substàncies al final d'un llibre de text de química o física, o busqueu-lo en línia (per exemple, aquí).
   • A l'exemple anterior, suposem que el líquid és aigua pura. Si busqueu al valor H de la taula_vap, tenim ΔH_vap d'aigua purificada és d'aproximadament 40,65 kJ / mol. Com que el valor H utilitza unitats joul, hem de convertir-lo a 40.650 J / mol.
   • Posant constants a l’equació, ho tenim ln (1 / P2) = (40.650 / 8.314) ((1/393) - (1/295)).

4. 

   
   
   Resol l’equació. Després d'haver inserit tots els valors a les variables de l'equació, excepte la variable que estem calculant, continueu resolent l'equació segons el principi algebraic habitual.
   • El punt més difícil a l’hora de resoldre l’equació (ln (1 / P2) = (40.650 / 8.314) ((1/393) - (1/295))) és el processament de la funció logarítmica natural (ln). Per eliminar la funció de registre natural, utilitzeu els dos costats de l'equació com a exponent de la constant matemàtica e. En altres paraules, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Ara resolem l'equació de l'exemple:
   • ln (1 / P2) = (40.650 / 8.314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) = (4.889,34) (- 0.00084)
   • (1 / P2) = e
   • 1 / P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 = 60,76 atm. Aquest valor és raonable: en un recipient tancat, quan la temperatura augmenta gairebé 100 graus (fins a una temperatura aproximada de 20 graus per sobre del punt d’ebullició de l’aigua), es genera molt vapor, de manera que la pressió augmentarà. molt.
   publicitat

Mètode 2 de 3: trobeu la pressió de vapor de la solució dissolta

1. 

   Escriu la llei de Raoult. De fet, poques vegades treballem amb líquids purs; sovint hem de treballar amb mescles de moltes substàncies diferents. Algunes mescles habituals es creen dissolvent petites quantitats d'un producte químic anomenat solut en una gran quantitat d'altres productes químics anomenats Solvent per formar solució. En aquest cas, hem de conèixer l’equació de la llei de Raoult (que porta el nom del físic François-Marie Raoult), que té l’aspecte següent: Pàg_solució= P_SolventX_Solvent. En aquesta fórmula, les variables representen:
   • Pàg_solució: Pressió de vapor de tota la solució (tots els components de la solució)
   • Pàg_Solvent: Pressió de vapor del dissolvent
   • X_Solvent: Fracció molar del dissolvent.
   • No us preocupeu, si encara no coneixeu el terme "part molar": ho explicarem en els passos següents.

2. 

   Distingir dissolvents i dissolvents en dissolució. Abans de calcular la pressió de vapor d’una solució, haureu d’identificar les substàncies donades pel problema. Tingueu en compte que es forma una solució quan es dissol un dissolvent en un dissolvent: el producte químic que es dissol sempre és un solut i el producte químic que fa la feina és el dissolvent.
   • En aquesta secció agafarem un exemple senzill per il·lustrar els conceptes anteriors. Suposem que volem trobar la pressió de vapor de la solució de xarop. Normalment, l'almívar es prepara a partir d'una part de sucre dissolt en una part d'aigua, per això diem el sucre és solut i l’aigua és solvent.
   • Nota: la fórmula química de la sacarosa (sucre granulat) és C₁₂H₂₂O₁₁. Trobareu aquesta informació molt important.

3. 

   Cerqueu la temperatura de la solució. Com veiem a l’esmentada secció de Clausius Clapeyron, la temperatura del líquid afectarà la seva pressió de vapor. En general, com més alta sigui la temperatura, més alta serà la pressió de vapor; a mesura que augmenta la temperatura, més líquid s’evapora i augmenta la pressió del recipient.
   • En aquest exemple, suposem que la temperatura actual de l'almívar és 298 K (uns 25 C).

4. 

   Trobeu la pressió de vapor del dissolvent. Les referències químiques solen donar valors de pressió de vapor per a moltes substàncies i mescles habituals, però normalment només per a valors de pressió a 25 ° C / 298 K o a la temperatura del punt d'ebullició. Si la vostra solució té aquesta temperatura, podeu utilitzar un valor de referència; en cas contrari, haureu de trobar la pressió de vapor a la temperatura inicial de la solució.
   • L’equació de Clausius-Clapeyron pot ajudar aquí, fent servir la pressió i la temperatura de 298 K (25 C) per a P1 i T1.
   • En aquest exemple, la barreja té una temperatura de 25 ° C, de manera que podem utilitzar una taula de cerca. Veiem aigua a 25 ° C amb una pressió de vapor de 23,8 mmHg

5. 

   Troba la fracció molar del dissolvent. L’últim que heu de fer abans de resoldre els resultats és trobar la fracció molar del dissolvent. Això és bastant fàcil: només cal convertir els ingredients en lunars i, a continuació, trobar el percentatge de cadascun dels lunars totals de la barreja. En altres paraules, la porció molar de cada component és igual (nombre de mols de la barreja) / (mols totals de la barreja).
   • Suposem que la recepta del xarop és 1 litre d'aigua i 1 litre de sacarosa (sucre). Després hem de trobar el nombre de lunars de cada ingredient. Per fer-ho, trobarem les masses de cada component i, a continuació, utilitzarem la massa molar d’aquests components per calcular els mols.
   • Pes (1 L d’aigua): 1.000 grams (g)
   • Pes (1 L de sucre cru): aproximadament 1.056,7 g
   • Nombre de mols (aigua): 1.000 grams × 1 mol / 18.015 g = 55,51 mol
   • Moles (sucre): 1.056,7 grams × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (Tingueu en compte que podeu trobar la massa molar de sucre a partir de la seva fórmula química, C₁₂H₂₂O₁₁.)
   • Moles totals: 55,51 + 3,08 = 58,59 mols
   • Fracció molar d’aigua: 55,51 / 58,59 = 0,947

6. 

   Resoldre resultats. Finalment, tenim prou dades per resoldre l’equació de Raoult. Això és molt fàcil: connecteu els valors a les variables de l'equació del teorema de Raoult esmentades al començament d'aquesta secció (Pàg_solució = P_SolventX_Solvent).
   • Substituint els valors, tenim:
   • Pàg_solució = (23,8 mmHg) (0,947)
   • Pàg_solució = 22,54 mmHg. Aquest resultat és raonable: en termes molars només es dissol una mica de sucre en molta aigua (tot i que aquests dos són de fet el mateix volum), de manera que la pressió de vapor només baixarà una mica.
   publicitat

Mètode 3 de 3: trobar la pressió del vapor en casos especials

1. 

   Identificar les condicions estàndard de pressió i temperatura. Els científics solen utilitzar un parell de valors de pressió i temperatura com a condicions "predeterminades". Aquests valors es denominen Pressió i Temperatura Estàndard (denominades col·lectivament Condició Estàndard o DKTC). Els problemes de pressió de vapor solen referir-se al DKTC, per la qual cosa hauríeu de memoritzar aquests valors per comoditat. DKTC es defineix com:
   • Temperatura: 273,15 K / 0 C / 32 F.
   • Pressió: 760 mmHg / 1 atm / 101.325 kilopascals

2. 

   Canvieu a l'equació de Clausius-Clapeyron per trobar altres variables. A l'exemple de la primera part, veiem que l'equació de Clausius-Clapeyron és molt eficaç a l'hora de calcular la pressió de vapor de substàncies pures. No obstant això, no tots els problemes requereixen trobar P1 o P2, però moltes vegades fins i tot demanen trobar la temperatura o fins i tot el valor ΔH._vap. En aquest cas, per trobar la resposta, només cal canviar l’equació de manera que la variable desitjada estigui a un costat de l’equació i la resta de variables estiguin a l’altre costat.
   • Per exemple, suposem que hi ha un líquid desconegut amb una pressió de vapor de 25 torr a 273 K i 150 torr a 325 K, i volem trobar l’entalpia volàtil d’aquest líquid (ΔH_vap). Podem resoldre el següent:
   • ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
   • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_vap/ R)
   • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH_vap. Ara substituïm els valors:
   • 8.314 J / (K × Mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_vap
   • 8.314 J / (K × Mol) × 3.033,90 = ΔH_vap = 25.223,83 J / mol

3. 

   Tingueu en compte la pressió de vapor del solut mentre s’evapora. A l'exemple anterior de la llei de Raoult, el nostre solut és el sucre, de manera que no s'evapora per si sol a temperatura ambient (creieu que heu vist mai que s'evapora un bol de sucre?). No obstant això, quan la substància es dissol realment Si s’evapora, afectarà la pressió de vapor general de la solució. Calculem aquesta pressió mitjançant l'equació variable de la llei de Raoult: Pàg_solució = Σ (P_ingredientX_ingredient). El símbol (Σ) significa que hem de sumar totes les pressions de vapor dels diferents components per trobar una resposta.
   • Per exemple, suposem que tenim una solució formada per dos productes químics: el benzè i el tolueno. El volum total de la solució és de 120 ml; 60 mL de benzè i 60 mL de toluene. La temperatura de la solució és de 25 ° C i la pressió de vapor de cada component químic a 25 ° C és de 95,1 mmHg per al benzè i 28,4 mmHg per al tolueno. Per als valors donats, trobeu la pressió de vapor de la solució. Podem resoldre el problema utilitzant la densitat, la massa molar i la pressió de vapor dels dos productes químics:
   • Volum (benzè): 60 mL = 0,06 L × 876,50 kg / 1.000 L = 0,053 kg = 53 g
   • Pes (toluen): 0,06 L × 866,90 kg / 1.000 L = 0,052 kg = 52 g
   • Nombre de mols (benzè): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
   • Nombre de mols (toluene): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
   • Moles totals: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Fracció molar (benzè): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Fracció molar (toluen): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Resoldre resultats: P_solució = P_benzèX_benzè + P_toluenX_toluen
   • Pàg_solució = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • Pàg_solució = 51,92 mmHg + 12,89 mmHg = 64,81 mmHg
   publicitat

Consells

• Per utilitzar l’equació de Clausius Clapeyron anterior, heu de convertir la temperatura en unitats de Kevin (indicades per K). Si teniu la temperatura en centígrads, canvieu-la amb la següent fórmula: T_k = 273 + T_c
• Podeu aplicar els mètodes anteriors perquè l’energia és proporcional a la quantitat de calor subministrada. La temperatura del líquid és l’únic factor ambiental que afecta la pressió de vapor.