3 cách tính áp suất hơi

Mục lục:

3 cách tính áp suất hơi
3 cách tính áp suất hơi

Video: 3 cách tính áp suất hơi

Video: 3 cách tính áp suất hơi
Video: Cách vẽ các loại bóng đơn giản 2024, Tháng Ba
Anonim

Bạn đã bao giờ để một chai nước dưới ánh nắng chói chang trong vài giờ, chỉ nghe thấy tiếng “huýt sáo” nhẹ khi bạn mở nó ra lần nữa? Hiện tượng này được gây ra bởi một nguyên lý gọi là áp suất hơi. Trong hóa học, áp suất hơi là áp suất tác dụng lên thành của một bình kín khi chất chứa trong đó bay hơi thành thể khí. Để tìm áp suất hơi ở một nhiệt độ nhất định, sử dụng phương trình Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔHvap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

các bước

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

Tính áp suất hóa hơi Bước 1
Tính áp suất hóa hơi Bước 1

Bước 1. Viết phương trình Clausius-Clapeyron

Công thức được sử dụng để tính áp suất hơi, với một sự thay đổi nhất định trong áp suất hiện có, được gọi là phương trình Clausius-Clapeyron (được đặt theo tên của các nhà vật lý Rudolf Clausius và Benoît Paul Émile Clapeyron). Đây thường là công thức cần thiết để khám phá các vấn đề liên quan đến áp suất hơi phổ biến nhất được tìm thấy trong sách giáo khoa vật lý và hóa học. Nó được viết như sau: ln (P1 / P2) = (ΔHvap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). Trong công thức này, các biến tham chiếu đến các biến sau:

  • ΔHvap:

    entanpi của sự hóa hơi chất lỏng. Giá trị này thường có thể được tìm thấy trong bảng ở bìa sau của sách hóa học.

  • MỘT:

    Hàm lượng thực tế ở dạng khí, hoặc 8,314 J / (K × mol).

  • T1:

    nhiệt độ tại đó áp suất hơi đã biết (hoặc nhiệt độ ban đầu).

  • T2:

    nhiệt độ tại đó áp suất hơi được tìm thấy (hoặc nhiệt độ cuối cùng).

  • P1 / P2:

    áp suất hơi nước lần lượt ở nhiệt độ T1 và T2.

Tính áp suất hóa hơi Bước 2
Tính áp suất hóa hơi Bước 2

Bước 2. Nhập các biến đã biết

Phương trình Clausius-Clapeyron trông có vẻ khó khăn với rất nhiều biến số khác nhau, nhưng nó thực sự không khó khi có thông tin phù hợp. Các bài toán áp suất hơi cơ bản nhất sẽ đưa ra hai giá trị liên quan đến nhiệt độ và một liên quan đến áp suất, hoặc hai giá trị liên quan đến áp suất và một liên quan đến nhiệt độ - một khi chúng có mặt, việc giải quyết vấn đề sẽ dễ dàng.

  • Ví dụ, giả sử chúng ta có một bình chứa đầy chất lỏng ở nhiệt độ 295 K, áp suất hơi của chúng bằng 1 atm. Câu hỏi đặt ra là: Áp suất hơi ở nhiệt độ 393 K là bao nhiêu? Chúng ta có hai giá trị cho nhiệt độ và một cho áp suất, vì vậy chúng ta có thể giải quyết vấn đề bằng phương trình Clausius-Clapeyron. Chèn các biến, chúng ta sẽ có: ln (1 / P2) = (ΔHvap/ R) ((1/393) - (1/295))
  • Lưu ý rằng trong phương trình Clausius-Clapeyron, cần nhập các giá trị nhiệt độ theo độ Kelvin. Bạn có thể sử dụng bất kỳ giá trị áp suất nào miễn là chúng ở các đơn vị giống hệt nhau trong P1 và P2.
Tính toán áp suất hóa hơi Bước 3
Tính toán áp suất hóa hơi Bước 3

Bước 3. Nhập các hằng số

Phương trình Clausius-Clapeyron chứa hai hằng số: R và ΔHvap. R luôn bằng 8,314 J / (K × mol). Giá trị của ΔHvap (entanpi của hóa hơi), tuy nhiên, phụ thuộc vào chất có áp suất hơi đang được kiểm tra. Như đã lưu ý trước đó, bạn có thể tìm các giá trị cho ΔHvap trên các chất khác nhau trên bìa sau của sách 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 bao gồm nước tinh khiết. Nếu chúng ta nhìn vào bảng giá trị ΔHvap, chúng ta sẽ thấy rằng ΔHvap sẽ xấp xỉ bằng 40, 65 KJ / mol. Vì giá trị của chúng tôi cho H sử dụng jun, chúng tôi có thể chuyển đổi số tìm được thành 40,650 J / mol.
  • Chèn các hằng số vào phương trình của chúng ta, chúng ta sẽ có: ln (1 / P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295)).
Tính áp suất hóa hơi Bước 4
Tính áp suất hóa hơi Bước 4

Bước 4. Giải phương trình

Khi bạn có tất cả các biến được nhập vào phương trình ngoại trừ biến phải được phát hiện, hãy tiến hành giải nó theo các quy tắc của đại số thông thường.

  • Phần khó duy nhất của phương trình - ln (1 / P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295)) - đang xử lý lôgarit tự nhiên (ln). Để hủy bỏ nó, 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 → vàln (x) = và2 → x = và2.
  • Bây giờ, hãy giải phương trình:

    • ln (1 / P2) = (40,650/8, 314) ((1/393) - (1/295))
    • ln (1 / P2) = (4,889, 34) (- 0, 00084)
    • (1 / P2) = và(-4, 107)
    • 1 / P2 = 0,0165
    • P2 = 0,0165-1 = 60, 76 atm. Điều này có ý nghĩa - trong một bình chứa kín, việc tăng nhiệt độ hiện tại lên gần 100 độ (lên đến gần 20 độ so với nhiệt độ sôi của nước) sẽ tạo ra một lượng hơi nước khổng lồ, làm tăng đáng kể áp suất bên trong.

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

Tính áp suất hóa hơi Bước 5
Tính áp suất hóa hơi Bước 5

Bước 1. Viết định luật Raoult

Trong cuộc sống thực, rất hiếm khi làm việc với một chất lỏng tinh khiết duy nhất - chúng ta thường xử lý chất lỏng được tạo thành từ hỗn hợp các chất khác nhau. Một số phổ biến nhất trong số này được tạo ra bằng cách hòa tan một lượng nhỏ hóa chất nhất định được gọi là chất hòa tan vào một lượng lớn hóa chất được gọi là dung môi, do đó tạo ra dung dịch. Trong những trường hợp như vậy, sẽ rất hữu ích nếu biết một phương trình được gọi là Định luật Raoult (theo tên nhà vật lý François-Marie Raoult), có dạng như sau: dung dịch = Pdung môi × Xdung môi. Trong công thức này, các biến tham chiếu đến:

  • dung dịch:

    áp suất hơi của toàn bộ dung dịch (tất cả các thành phần cộng lại).

  • dung môi:

    áp suất hơi của dung môi.

  • NSdung môi:

    phần mol của dung môi.

  • Đừng lo lắng nếu bạn không biết các thuật ngữ như “phân số mol” - chúng sẽ được giải thích trong các bước tiếp theo.
Tính áp suất hóa hơi Bước 6
Tính áp suất hóa hơi Bước 6

Bước 2. Nhận biết dung môi và chất tan trong dung dịch

Trước khi tính áp suất hơi của hỗn hợp chất lỏng, bạn cần xác định các chất mà bạn đang làm việc. Điều quan trọng cần nhớ là dung dịch được tạo thành khi một chất tan được hòa tan trong dung môi - hóa chất hòa tan luôn là chất tan và hóa chất hòa tan luôn là dung môi.

  • Chúng tôi sẽ làm việc thông qua một ví dụ đơn giản để minh họa các khái niệm sẽ được thảo luận. Ví dụ, giả sử rằng chúng ta đang nhắm đến việc tìm áp suất hơi của một loại xi-rô thông thường. Theo truyền thống, chất này bao gồm một phần đường hòa tan trong một phần nước, do đó đường là chất tan và nước là dung môi.
  • Lưu ý rằng công thức hóa học của sucrose (đường thông thường) là C12NS22O11. Nó sẽ quan trọng sớm thôi.
Tính áp suất hóa hơi Bước 7
Tính áp suất hóa hơi Bước 7

Bước 3. Tìm nhiệt độ của dung dịch

Như 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, tạo thành hơi và làm tăng áp suất bên trong của bình.

Trong ví dụ của chúng tôi, giả sử nhiệt độ hiện tại của xi-rô thông thường bằng 298 nghìn (khoảng 25 ° C).

Tính toán áp suất hóa hơi Bước 8
Tính toán áp suất hóa hơi Bước 8

Bước 4. Tìm áp suất hơi dung môi

Các chất đối chiếu hóa học thường hiển thị các giá trị áp suất hơi cho một số hợp chất và chất thông thường, nhưng chúng thường được trình bày ở nhiệt độ 25 ° C (298 K) hoặc nhiệt độ sôi của chúng. Nếu dung dịch ở một trong các nhiệt độ này, bạn có thể sử dụng giá trị tham chiếu. Nếu không, bạn sẽ cần phải tìm ra áp suất hơi ở nhiệt độ hiện tại của bạn.

  • Mối quan hệ Clausius-Clapeyron có thể hữu ích ở điểm này - 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 ở 25 ° C nên chúng tôi có thể sử dụng các bảng tham chiếu. Chúng tôi nhận thấy rằng nước ở 25 ° C có áp suất hơi bằng 23, 8 mm Hg.
Tính áp suất hóa hơi Bước 9
Tính áp suất hóa hơi Bước 9

Bước 5. Tìm phần mol của dung môi

Điều cuối cùng cần làm trước khi giải phương trình là tính ra phần mol dung môi của chúng ta. Tìm giá trị này rất dễ dàng: chỉ cần chuyển đổi các thành phần sang số mol và sau đó tìm phần trăm của tổng số mol trong chất được chiếm bởi mỗi thành phần. Nói cách khác, mỗi phần mol bằng: (số mol thành phần) / (tổng số mol chất).

  • Giả sử công thức của chúng tôi để sử dụng xi-rô phổ biến 1 lít (l) nước và 1 lít (l) sucrose (đường). Trong trường hợp này, chúng ta sẽ cần tìm ra số mol tương ứng với mỗi chất. Để làm điều này, cần phải tìm khối lượng của mỗi chúng và sau đó sử dụng khối lượng mol của chúng để chuyển giá trị này sang số mol.

    • Khối lượng của 1 l nước: 1.000 gam (g).
    • Khối lượng 1 l đường thông thường: xấp xỉ 1,056,7 g.
    • Số mol nước: 1.000 g × 1 mol / 18, 015 g = 55. 51 mol.
    • Số mol của sacaroza: 1056, 7 g × 1 mol / 342, 2965 g = 3.08 mol (lưu ý rằng có thể tính khối lượng mol của sacaroza từ công thức hóa học của nó, C12NS22O11).
    • Tổng số mol: 55, 51 + 3,08 = 58,59 mol.
    • Phần mol của nước: 55, 51/58, 59 = 0, 947.
Tính áp suất hóa hơi Bước 10
Tính áp suất hóa hơi Bước 10

Bước 6. Giải phương trình

Cuối cùng, chúng ta có mọi thứ cần thiết để giải phương trình Định luật Raoult. Phần này dễ dàng một cách đáng ngạc nhiên: chỉ cần nhập các giá trị liên quan đến các biến trong phương trình đơn giản ở đầu phần: dung dịch = Pdung môi × Xdung môi.

  • Thay thế các giá trị hiện tại, chúng ta có:

    • dung dịch = (23,8 mm Hg) (0,947).
    • dung dịch = 22, 54 mm Hg. Điều này có lý - tính theo mol, chỉ có một ít đường hòa tan trong nhiều nước (mặc dù về mặt thực tế, cả hai thành phần có cùng thể tích), do đó áp suất hơi sẽ giảm một chút.

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

Tính áp suất hóa hơi Bước 11
Tính áp suất hóa hơi Bước 11

Bước 1. Nhận thức được các điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường

Để thuận tiện, các nhà khoa học thường sử dụng một bộ giá trị “chuẩn hóa” cho nhiệt độ và áp suất. Chúng được gọi là Điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, hoặc CNTP. Các vấn đề về áp suất hơi thường đề cập đến các điều kiện CNTP, và rất thực tế khi luôn có các giá trị này trong bộ nhớ. Giá trị CNTP được định nghĩa là:

  • Nhiệt độ: 273, 15K / 0 ° C / 32 ° F.
  • Sức ép: 760 mm Hg / 1 atm / 101, 325 kPa.
Tính áp suất hóa hơi Bước 12
Tính áp suất hóa hơi Bước 12

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 nhận thấy rằng phương trình Clausius-Clapeyron khá hữu ích để tìm ra áp suất hơi cho các chất tinh khiết. Tuy nhiên, không phải tất cả các câu hỏi đều yêu cầu bạn tìm giá trị của P1 hoặc P2 - nhiều người muốn bạn tìm giá trị nhiệt độ hoặc thậm chí giá trị của ΔHvap. May mắn thay, trong những trường hợp này, để có câu trả lời đúng, nó là đủ để sắp xếp lại phương trình để nó chỉ còn lại biến được giải ở một phía của đẳng thức.

  • Ví dụ, giả sử chúng ta có một chất lỏng chưa biết với áp suất hơi bằng 25 torr ở 273 K và 150 torr ở 325 K, và chúng ta muốn tìm entanpi hóa hơi của chất lỏng đó (ΔHvap). Chúng tôi có thể giải quyết vấn đề như sau:

    • ln (P1 / P2) = (ΔHvap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
    • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔHvap/NS)
    • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔHvap
  • Bây giờ, chúng tôi nhập các giá trị:

    • 8, 314 J / (K × Mol) × (-1, 79) / (- 0, 00059) = ΔHvap
    • 8, 314 J / (K × Mol) × 3,033, 90 = ΔHvap = 25,223, 83 J / mol
Tính áp suất hóa hơi Bước 13
Tính áp suất hóa hơi Bước 13

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

Trong ví dụ của chúng ta về Định luật Raoult ở trên, chất tan (đường) không tự sinh ra hơi nước ở nhiệt độ bình thường (hãy nghĩ xem - khi nào bạn thấy một bát đường bốc hơi trên bàn bếp?). Tuy nhiên, khi chất tan bay hơi, nó sẽ ảnh hưởng đến áp suất hơi của nó. Chúng tôi sẽ tính đến điều này khi sử dụng phiên bản sửa đổi của phương trình Định luật Raoult: dung dịch = Σ (Pthành phần × Xthành phần). Sigma (Σ) có nghĩa là chúng ta cần cộng tất cả các áp suất hơi của các thành phần khác nhau để đi đến câu trả lời.

  • Ví dụ, giả sử bạn có một dung dịch được tạo thành từ hai hóa chất: benzen và toluen. Tổng thể tích của dung dịch bằng 120 ml (ml): 60 ml benzen và 60 ml toluen. Nhiệt độ của dung dịch bằng 25 ° C và áp suất hơi của mỗi chất này ở 25 ° C bằng 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 ta có thể giải quyết câu hỏi như sau, sử dụng các giá trị tiêu chuẩn của khối lượng riêng, khối lượng mol và áp suất hơi so với hai chất:

    • Khối lượng (benzen): 60 ml = 0,060 l × 876, 5 kg / 1.000 l = 0,053 kg = 53 g.
    • Khối lượng (toluen): 0,060 l × 866, 9 kg / 1.000 l = 0,052 kg = 52 g.
    • Số 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 quyết: Pdung dịch = Pbenzen × Xbenzen + Ptoluen × Xtoluen.

    • dung dịch = (95,1 mm Hg) (0,546) + (28,4 mm Hg) (0,454).
    • 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 độ Kelvin (tính bằng K). Nếu bạn có nhiệt độ bằng độ C, bạn cần chuyển đổi nó theo công thức sau: NSK = 273 + TNS.
  • Các phương pháp trên có hiệu quả vì năng lượng tỷ lệ thuận với lượng nhiệt truyền đi. Nhiệt độ của chất lỏng là yếu tố môi trường duy nhất mà áp suất hơi phụ thuộc.

Đề xuất: