- Höyrynpainekonsepti
- Höyrynpaine ja molekyylien väliset voimat
- Haihtuminen ja haihtuvuus
- Termodynaaminen tasapaino
- Esimerkkejä höyrynpaineesta
- Ratkaistuja harjoituksia
- Harjoitus 1
- Harjoitus 2
- Viitteet
Höyrynpaine on yksi, joka kokee pinta nestemäisiä tai kiinteitä, kuten tuote on termodynaamisen tasapainon hiukkasten suljetussa järjestelmässä. Suljetulla järjestelmällä tarkoitetaan säiliötä, säiliötä tai pulloa, joka ei ole alttiina ilmalle tai ilmanpaineelle.
Tästä syystä kaikki astian nestemäiset tai kiinteät aineet aiheuttavat itselleen höyrynpaineen ominaispiirteen ja kemiallisen luonteensa. Avaamaton vesipullo on tasapainossa vesihöyryn kanssa, joka "peukaloi" nesteen pintaa ja pullon sisäseinämiä.
Hiilihapolliset juomat kuvaavat höyrynpaineen käsitettä. Lähde: Pixabay.
Niin kauan kuin lämpötila pysyy vakiona, pullossa olevan vesihöyryn määrässä ei tapahdu muutoksia. Mutta jos se kasvaa, tulee kohta, jossa paine syntyy siten, että se voi ampua kannen ylös; kuten tapahtuu, kun yrität tietoisesti täyttää ja sulkea pullon kiehuvalla vedellä.
Hiilihapolliset juomat puolestaan ovat ilmeisempi (ja turvallisempi) esimerkki siitä, mitä höyrynpaineella tarkoitetaan. Kun paljastuu, kaasun ja nesteen tasapaino sisällä keskeytyy, vapauttaen höyryn ulkopuolelle samaan aikaan kuuluvalla äänellä. Tätä ei tapahdu, jos sen höyrynpaine olisi alhaisempi tai vähäinen.
Höyrynpainekonsepti
Höyrynpaine ja molekyylien väliset voimat
Useiden hiilihappopitoisten juomien sulkeminen samoissa olosuhteissa tarjoaa laadullisen kuvan siitä, minkä juomien höyrynpaine on korkeampi, riippuen äänen voimakkuudesta.
Myös pullo eetteriä käyttäytyy samalla tavalla; ei öljyä, hunajaa, siirappia tai jauhettua kahvia. Ne eivät aiheuta mitään huomattavaa melua, elleivät ne vapauta kaasuja hajoamisesta.
Tämä johtuu siitä, että niiden höyrynpaineet ovat alhaisemmat tai vähäiset. Pullosta karkaa molekyylejä kaasufaasissa, joiden on ensin voitettava voimat, jotka pitävät ne "loukussa" tai koheesioina nesteessä tai kiinteässä aineessa; toisin sanoen niiden on voitettava molekyyliensä ympäristössä aiheuttamat molekyylien väliset voimat tai vuorovaikutukset.
Jos tällaista vuorovaikutusta ei olisi, pullon sisällä ei edes olisi nestettä tai kiinteää ainetta. Siksi mitä heikompi on molekyylien välinen vuorovaikutus, sitä todennäköisemmin molekyylit poistuvat epäjärjestyneestä nesteestä tai kiinteän aineen järjestäytyneistä tai amorfisista rakenteista.
Tämä ei koske pelkästään puhtaita aineita tai yhdisteitä, vaan myös seoksia, joissa jo mainittuja juomia ja väkeviä alkoholijuomia esiintyy. Siten on mahdollista ennustaa, millä pullolla on korkeampi höyrynpaine tietäen sen pitoisuuden koostumuksen.
Haihtuminen ja haihtuvuus
Pullon sisällä oleva neste tai kiinteä aine haihtuu jatkuvasti, jos se on suljettu. ts. sen pinnalla olevat molekyylit pakenevat kaasumaiseen faasiin, jotka ovat dispergoituneet ilmaan ja sen virroihin. Siksi vesi loppuu höyrystymään kokonaan, jos pulloa ei suljeta tai astia on peitetty.
Mutta samaa ei tapahdu muiden nesteiden kanssa, ja paljon vähemmän kun kyse on kiinteistä aineista. Viimeksi mainitun höyrynpaine on yleensä niin naurettava, että voi kestää miljoonia vuosia, ennen kuin kokonsa pieneneminen havaitaan; olettaen, että he eivät ole ruostuneet, rappeutuneet tai hajonneet koko ajan.
Aineen tai yhdisteen sanotaan sitten olevan haihtuvaa, jos se haihtuu nopeasti huoneenlämpötilassa. Huomaa, että haihtuvuus on laadullinen käsite: sitä ei määritetä määrällisesti, mutta se on tuote, jossa verrataan haihtumista eri nesteiden ja kiinteiden aineiden välillä. Niitä, jotka haihtuvat nopeammin, pidetään haihtuvina.
Toisaalta höyrynpaine on mitattavissa, keräämällä sinänsä mitä ymmärretään haihtumisella, kiehumisella ja haihtuvuudella.
Termodynaaminen tasapaino
Kaasufaasin molekyylit törmäävät nesteen tai kiinteän aineen pinnan kanssa. Näin toimiessaan muiden, tiivistyneempien molekyylien molekyylien väliset voimat voivat pysäyttää ja pitää niitä, mikä estää niitä pääsemästä uudelleen höyrynä. Prosessissa muut pinnalla olevat molekyylit onnistuvat kuitenkin pakenemaan integroimalla höyryn.
Jos pullo on suljettu, tulee aika, jolloin nesteeseen tai kiinteään aineeseen tulevien molekyylien lukumäärä on yhtä suuri kuin ne, jotka ne jättävät. Joten meillä on tasapaino, joka riippuu lämpötilasta. Jos lämpötila nousee tai laskee, höyrynpaine muuttuu.
Mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi höyrynpaine, koska nesteen tai kiinteän aineen molekyyleillä on enemmän energiaa ja ne pääsevät helpommin ulos. Mutta jos lämpötila pysyy vakiona, tasapaino palautuu; eli höyrynpaine lakkaa kasvamasta.
Esimerkkejä höyrynpaineesta
Oletetaan, että n-butaanin, CH 3 CH 2 CH 2 CH 3, ja hiilidioksidi, CO 2, kahteen erilliseen säiliöön. Niiden höyrynpaineet mitattiin lämpötilassa 20 ° C. N-butaanin höyrynpaine on noin 2,17 atm, kun taas hiilidioksidin paine on 56,25 atm.
Höyrynpaineet voidaan mitata myös yksiköinä Pa, bar, torr, mmHg ja muut. CO 2: n höyrynpaine on lähes 30 kertaa korkeampi kuin n-butaanin, joten sen säiliön on ensi silmäyksellä oltava kestävämpi varastoidakseen sitä; ja jos siinä on halkeamia, se ampuu enemmän väkivaltaa ympäristön ympärillä.
Tämä CO 2 löytyy liuotetaan hiilihappoa juomat, mutta riittävän pieni määriä niin, että kun pakenemasta pullojen tai tölkkien eivät räjähdä, mutta vain äänen tuottamiseksi.
Toisaalta olemme dietyylieetteri, CH 3 CH 2 -CH 2 CH 3 tai Et 2 O, jonka höyrynpaine 20 ° C: ssa on 0,49 atm. Tämän eetterin säiliö, kun se on peittämätön, kuulostaa samanlaiselta kuin soodan. Sen höyrynpaine on melkein viisi kertaa matalampi kuin n-butaanin, joten teoriassa on turvallisempaa käsitellä pullon dietyylieetteriä kuin pullon n-butaania.
Ratkaistuja harjoituksia
Harjoitus 1
Millä seuraavista kahdesta yhdisteestä odotetaan olevan yli 25 ° C höyrynpaine? Dietyylieetteri tai etyylialkoholi?
Rakennekaava dietyylieetteriä on CH 3 CH 2 -CH 2 CH 3, ja että etyylialkoholia, CH 3 CH 2 OH. Periaatteessa dietyylieetterillä on suurempi molekyylimassa, se on suurempi, joten voitaisiin uskoa, että sen höyrynpaine on alhaisempi, koska sen molekyylit ovat raskaampia. Kuitenkin päinvastoin: dietyylieetteri on haihtuvampaa kuin etyylialkoholi.
Tämä johtuu siitä, että CH 3 CH 2 OH -molekyylejä, kuten CH 3 CH 2 -CH 2 CH 3, vuorovaikutuksessa dipoli-dipoli voimat. Mutta toisin kuin dietyylieetteri, etyylialkoholi pystyy muodostamaan vetysidoksia, joille on tunnusomaista se on erittäin vahva ja suuntaava dipolien: CH 3 CH 2 HO-HOCH 2 CH 3.
Näin ollen etyylialkoholin (0,098 atm) höyrynpaine on alhaisempi kuin dietyylieetterin (0,684 atm), vaikka sen molekyylit ovat kevyempiä.
Harjoitus 2
Millä seuraavista kahdesta kiintoaineesta uskotaan olevan korkein höyrynpaine 25ºC: ssa? Naftaleeni tai jodi?
Naftaleenimolekyyli on bisyklinen, siinä on kaksi aromaattista rengasta ja kiehumispiste on 218 ºC. Jodi puolestaan on lineaarinen ja homonukleaarinen, I 2 tai II, kiehumispiste on 184 ºC. Pelkästään nämä ominaisuudet luokittelevat jodin mahdollisesti kiinteäksi aineeksi, jolla on korkein höyrynpaine (se kiehuu alimmassa lämpötilassa).
Molemmat molekyylit, naftaleenin ja jodin, ovat apolaarisia, joten ne ovat vuorovaikutuksessa Lontoon dispergoivien voimien kanssa.
Naftaleenin molekyylimassa on suurempi kuin jodin, ja siksi on ymmärrettävää olettaa, että sen molekyyleillä on vaikeampi aika jättää musta, tuoksuva, tervainen kiinteä aine; kun taas jodilla on helpompaa paeta tumman violetteja kiteitä.
Pubchemistä saatujen tietojen mukaan naftaleenin ja jodin höyrynpaineet 25 ° C: ssa ovat vastaavasti: 0,085 mmHg ja 0,233 mmHg. Siksi jodin höyrynpaine on 3 kertaa korkeampi kuin naftaleenin.
Viitteet
- Whitten, Davis, Peck ja Stanley. (2008). Kemia (8. painos). CENGAGE -oppiminen.
- Höyrynpaine. Palautettu: kem.purdue.edu
- Wikipedia. (2019). Höyrynpaine. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
- Encyclopaedia Britannican toimittajat. (3. huhtikuuta 2019). Höyrynpaine. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
- Nichole Miller. (2019). Höyrynpaine: määritelmä, yhtälö ja esimerkit. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com