Buhar Basıncını Hesaplamanın 3 Yolu

2024 Yazar: Jason Gerald | [email protected]. Son düzenleme: 2024-02-01 14:16

Hiç bir şişe suyu birkaç saat sıcak güneşin altında bırakıp açtığınızda hafif bir "tıslama" sesi duydunuz mu? Bu, buhar basıncı adı verilen bir ilkeden kaynaklanmaktadır. Kimyada buhar basıncı, içindeki kimyasal madde buharlaştığında (gaza dönüştüğünde) kapalı bir kabın duvarları tarafından uygulanan basınçtır. Belirli bir sıcaklıkta buhar basıncını bulmak için Clausius-Clapeyron denklemini kullanın: ln(P1/P2) = (ΔH_buhar/R)((1/T2) - (1/T1)).

Adım

Yöntem 1/3: Clausius-Clapeyron Denklemini Kullanma

Adım 1. Clausius-Clapeyron denklemini yazın

Zamanla buhar basıncındaki değişimle birlikte buhar basıncını hesaplamak için kullanılan formüle Clausius-Clapeyron denklemi denir (isim fizikçiler Rudolf Clausius ve Benoît Paul mile Clapeyron'dan alınmıştır.) Bu temel olarak çoğu problem türünü çözmek için ihtiyaç duyacağınız formüldür. Buhar basıncı soruları genellikle fizik ve kimya derslerinde bulunur. Formül şöyle: ln(P1/P2) = (ΔH_buhar/R)((1/T2) - (1/T1)). Bu formülde, değişkenler şunları temsil eder:

H_buhar:

Bir sıvının buharlaşma ısısı. Bu entalpi genellikle kimya ders kitabının arkasındaki tabloda bulunabilir.
R:

Gerçek/evrensel gaz sabiti veya 8.314 J/(K × Mol).
S1:

Buhar basıncının bilindiği sıcaklık (veya başlangıç sıcaklığı).
T2:

Buhar basıncının bilinmediği/bulunmak istenen sıcaklık (veya nihai sıcaklık).
P1 ve P2:

Sırasıyla T1 ve T2 sıcaklıklarında buhar basıncı.

Adım 2. Bildiğiniz değişkenleri girin

Clausius-Clapeyron denklemi karmaşık görünüyor çünkü birçok farklı değişkeni var, ancak doğru bilgiye sahipseniz aslında o kadar da zor değil. Çoğu temel buhar basıncı problemi, iki sıcaklık değeri ve bir basınç değeri veya iki basınç değeri ve bir sıcaklık değeri listeler - bunu bir kez anladığınızda, bu denklemi çözmek çok kolaydır.

Örneğin, buhar basıncı 1 atmosfer (atm) olan 295 K'da sıvı dolu bir kabımız olduğu söylendiğini varsayalım. Sorumuz şu: 393 K'da buhar basıncı nedir? İki sıcaklık değerimiz ve bir basınç değerimiz var, bu yüzden Clausius-Clapeyron denklemini kullanarak diğer basınç değerlerini bulabiliriz. Değişkenlerimizi takarak, ln(1/P2) = (ΔH_buhar/R)((1/393) - (1/295)).
Clausius-Clapeyron denklemi için her zaman sıcaklık değerini kullanmanız gerektiğini unutmayın. Kelvin. P1 ve P2 değerleri aynı olduğu sürece istediğiniz basınç değerini kullanabilirsiniz.

Adım 3. Sabitlerinizi girin

Clausius-Clapeyron denkleminin iki sabiti vardır: R ve H_buhar. R her zaman 8.314 J/(K × Mol)'e eşittir. Ancak, H_buhar (buharlaşma entalpisi) buhar basıncını aradığınız maddeye bağlıdır. Yukarıda belirtildiği gibi, genellikle H değerlerini bulabilirsiniz._buhar çeşitli maddeler için bir kimya veya fizik ders kitabının arkasında veya çevrimiçi olarak (örneğin burada olduğu gibi)

Örneğimizde, sıvımızın saf su.

Tabloya bakarsak H değerleri_buharH olduğunu buluruz_buhar saf su yaklaşık 40.65 KJ/mol'dür. H değerimiz kilojul değil de joule cinsinden olduğundan, onu şuna çevirebiliriz: 40.650 J/mol.
Sabitlerimizi takarak, elde ederiz ln(1/P2) = (40.650/8, 314)((1/393) - (1/295)).

Adım 4. Denklemi çözün

Aradığınız değişken dışındaki tüm değişkenleri denkleme ekledikten sonra, denklemi adi cebir kurallarına göre çözmeye devam edin.

Denklemimizi çözmenin tek zor kısmı (ln(1/P2) = (40.650/8, 314)((1/393) - (1/295))) doğal günlüğü (ln) çözüyor. Doğal logu çıkarmak için, denklemin her iki tarafını da matematiksel sabit e için üs olarak kullanın. Diğer bir deyişle, ln(x) = 2 → e^ln(x) = e² → x = e².
Şimdi denklemimizi çözelim:
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.

Bu mantıklıdır - kapalı bir kapta, sıcaklığı neredeyse 100 dereceye (kaynama noktasının neredeyse 20 derece üstüne) yükseltmek çok fazla buhar üretecek ve basıncı hızla artıracaktır.

Yöntem 2/3: Çözünmüş Çözelti ile Buhar Basıncı Bulma

Adım 1. Raoult Yasasını yazın

Gerçek hayatta nadiren saf bir sıvıyla çalışırız - genellikle birkaç farklı maddenin karışımı olan bir sıvıyla çalışırız. En yaygın olarak kullanılan karışımlardan bazıları, bir çözelti yapmak için çözücü olarak adlandırılan birçok kimyasalda çözünen adı verilen belirli bir kimyasalın az bir miktarının çözülmesiyle yapılır. Bu durumlarda, Raoult Yasası olarak adlandırılan (fizikçi François-Marie Raoult'un adını taşıyan) bir denklemi bilmek faydalıdır ve şöyle yazılmıştır: P_çözünen=P_çözücüx_çözücü. Bu formülde değişkenler;

P_çözünen:

Tüm çözeltinin buhar basıncı (tüm elementler birleştirildi)
P_çözücü:

çözücü buhar basıncı
x_çözücü:

Çözücünün mol fraksiyonu
Köstebek kesri gibi terimleri bilmiyorsanız endişelenmeyin - bunları sonraki birkaç adımda açıklayacağız.

Adım 2. Solüsyonunuzdaki solventi ve çözüneni belirleyin

Karışık bir sıvının buhar basıncını hesaplamadan önce kullandığınız maddeleri tanımlamanız gerekir. Hatırlatma olarak, bir çözünen bir çözücü içinde çözündüğünde bir çözelti oluşur - çözünen kimyasala her zaman çözünen denir ve onu çözündüren kimyasala her zaman çözücü denir.

Tartıştığımız kavramları göstermek için bu bölümdeki basit örnekleri kullanarak çalışalım. Örneğimiz için, şeker şurubunun buhar basıncını bulmak istediğimizi varsayalım. Geleneksel olarak şeker şurubu suda çözünür şekerdir (1:1 oranında), yani şunu söyleyebiliriz. şeker bizim çözünenimiz, su ise çözücümüzdür.
Sakkarozun (sofra şekeri) kimyasal formülünün C olduğuna dikkat edin.₁₂H₂₂Ö₁₁. Bu kimyasal formül çok önemli olacaktır.

Adım 3. Çözeltinin sıcaklığını bulun

Yukarıdaki Clausius Clapeyron bölümünde gördüğümüz gibi, bir sıvının sıcaklığı buhar basıncını etkiler. Genel olarak, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, buhar basıncı o kadar yüksek olur - sıcaklık yükseldikçe, daha fazla sıvı buharlaşacak ve buhar oluşturarak kaptaki basıncı artıracaktır.

Örneğimizde şeker şurubunun bu noktadaki sıcaklığı diyelim. 298 bin (yaklaşık 25 C).

Adım 4. Çözücünün buhar basıncını bulun

Kimyasal referans malzemeleri genellikle yaygın olarak kullanılan birçok madde ve bileşik için buhar basıncı değerlerine sahiptir, ancak bu basınç değerleri genellikle yalnızca maddenin sıcaklığı 25 C/298 K veya kaynama noktasına sahipse geçerlidir. Çözümünüz bu sıcaklıklardan birine sahipse, bir referans değeri kullanabilirsiniz, ancak değilse, o sıcaklıktaki buhar basıncını bulmanız gerekir.

Clausius-Clapeyron yardımcı olabilir - P1 ve T1 için sırasıyla bir referans buhar basıncı ve 298 K (25 C) kullanın.
Örneğimizde karışımımızın sıcaklığı 25 C olduğundan kolay referans tablomuzu rahatlıkla kullanabiliriz. 25 C'de suyun buhar basıncının 23,8 mm YG

Adım 5. Çözücünüzün mol fraksiyonunu bulun

Bunu çözmeden önce yapmamız gereken son şey, çözücümüzün mol fraksiyonunu bulmaktır. Mol fraksiyonunu bulmak kolaydır: sadece bileşiklerinizi mollere dönüştürün, ardından maddedeki toplam mol sayısı içindeki her bir bileşiğin yüzdesini bulun. Başka bir deyişle, her bileşiğin mol kesri eşittir (bileşik mol)/(maddedeki toplam mol sayısı).

Şeker şurubu kullanımları için tarifimizi varsayalım. 1 litre (L) su ve 1 litre sakaroz (şeker).

Bu durumda, her bir bileşiğin mol sayısını bulmalıyız. Bunu yapmak için, her bir bileşiğin kütlesini bulacağız, sonra maddenin molar kütlesini kullanarak onu mollere çevireceğiz.
Kütle (1 L su): 1.000 gram (g)
Kütle (1 L ham şeker): Yaklaşık 1.056, 8 g
Mol (su): 1.000 gram × 1 mol/18.015 g = 55.51 mol
Mol (sakaroz): 1.056, 7 gram × 1 mol/342.2965 g = 3.08 mol (sakarozun molar kütlesini kimyasal formülünden bulabileceğinizi unutmayın, C₁₂H₂₂Ö₁₁.)
Toplam mol: 55.51 + 3.08 = 58.59 mol
Suyun mol oranı: 55, 51/58, 59 = 0, 947

Adım 6. Bitirin

Son olarak, Raoult Yasası denklemimizi çözmek için ihtiyacımız olan her şeye sahibiz. Bu kısım çok kolay: sadece bu bölümün başındaki basitleştirilmiş Raoult Yasası denklemindeki değişkenler için değerlerinizi girin (P_çözünen = P_çözücüx_çözücü).

Değerlerimizi girerek şunu elde ederiz:
P_çözüm = (23.8 mm Hg)(0, 947)
P_çözüm = 22.54 mm Hg.

Sonuç mantıklıdır - mol terimleriyle, çok suda çok az şeker çözülür (gerçi gerçek dünya terimleriyle, her iki bileşen de aynı hacme sahiptir), bu nedenle buhar basıncı yalnızca biraz azalacaktır.

Yöntem 3/3: Özel Durumlarda Buhar Basıncının Bulunması

Adım 1. Standart Sıcaklık ve Basınç koşullarına dikkat edin

Bilim adamları genellikle kullanımı kolay bir “standart” olarak bir dizi sıcaklık ve basınç değeri kullanırlar. Bu değerlere Standart Sıcaklık ve Basınç (veya STP) denir. Buhar basıncı sorunları genellikle STP koşullarına atıfta bulunur, bu nedenle bu değerleri hatırlamak önemlidir. STP değerleri şu şekilde tanımlanır:

Sıcaklık: 273, 15 Bin / 0 C / 32F
Baskı yapmak: 760 mm Hg / 1 atm / 101, 325 kilopaskal

Adım 2. Diğer değişkenleri bulmak için Clausius-Clapeyron denklemini yeniden düzenleyin

Bölüm 1'deki örneğimizde Clausius-Clapeyron denkleminin saf maddeler için buhar basıncını bulmak için çok faydalı olduğunu gördük. Ancak, tüm sorular sizden P1 veya P2'yi aramanızı istemeyecektir - çoğu sizden sıcaklık değerini ve hatta bazen H değerini bulmanızı isteyecektir._buhar. Neyse ki, bu durumlarda, cevabı doğru bulmak, denklemi, çözmek istediğiniz değişkenler eşittir işaretinin bir tarafında ayrı olacak şekilde yeniden düzenlemek meselesidir.

Örneğin, 273 K'da 25 torr ve 325 K'da 150 torr buhar basıncına sahip bilinmeyen bir sıvımız olduğunu ve bu sıvının buharlaşma entalpisini (ΔH) bulmak istediğimizi varsayalım._buhar). Bunu şöyle çözebiliriz:
ln(P1/P2) = (ΔH_buhar/R)((1/T2) - (1/T1))
(ln(P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = (ΔH_buhar/R)
R × (ln(P1/P2))/((1/T2) - (1/T1)) = H_buhar Şimdi değerlerimizi giriyoruz:
8, 314 J/(K × Mol) × (-1, 79)/(-0, 00059) = H_buhar
8, 314 J/(K × Mol) × 3.033, 90 = H_buhar = 25,223, 83 J/mol

Adım 3. Madde buhar ürettiğinde çözünen maddenin buhar basıncını hesaplayın

Yukarıdaki Raoult Yasası örneğimizde, çözünen maddemiz olan şeker normal sıcaklıklarda kendi başına herhangi bir basınç uygulamaz (bir düşünün - üst dolabınızda bir kap şekerin buharlaştığını en son ne zaman gördünüz?) buharlaşır, bu buhar basıncınızı etkiler. Bunu Raoult Yasası denkleminin değiştirilmiş bir versiyonunu kullanarak açıklıyoruz: P_çözüm = (P_{birleştirmek}x_{birleştirmek}) Sigma (Σ) sembolü, cevabımızı almak için yalnızca farklı bileşiklerin tüm buhar basınçlarını toplamamız gerektiği anlamına gelir.

Örneğin, iki kimyasaldan oluşan bir çözeltimiz olduğunu varsayalım: benzen ve toluen. Çözeltinin toplam hacmi 12 mililitredir (mL); 60 mL benzen ve 60 mL toluen. Çözeltinin sıcaklığı 25°C'dir ve bu kimyasalların her birinin 25°C'deki buhar basınçları benzen için 95.1 mm Hg ve toluen için 28.4 mm Hg'dir. Bu değerlerle çözeltinin buhar basıncını bulunuz. Bunu iki kimyasalımız için standart yoğunluk, molar kütle ve buhar basıncı değerlerini kullanarak şu şekilde yapabiliriz:
Kütle (benzen): 60 mL = 0.060 L & x 876.50 kg/1.000 L = 0.053 kg = 53 gr
Kütle (toluen): 0.060 L & x 866, 90 kg/1.000 L = 0.052 kg = 52 gr
Mol (benzen): 53 g × 1 mol/78, 11 g = 0.679 mol
Mol (toluen): 52 g × 1 mol/92, 14 g = 0,564 mol
Toplam mol: 0.679 + 0.564 = 1.243
Mol fraksiyonu (benzen): 0.679/1, 243 = 0.546
Mol fraksiyonu (toluen): 0.564/1, 243 = 0.454
Çözüm: P_çözüm = P_benzenx_benzen + P_toluenx_toluen
P_çözüm = (95.1 mm Hg)(0, 546) + (28.4 mm Hg)(0, 454)
P_çözüm = 51,92 mm Hg + 12,89 mm Hg = 64, 81 mm Hg

İpuçları

Yukarıdaki Clausius Clapeyron denklemini kullanmak için sıcaklık Kelvin cinsinden ölçülmelidir (K olarak yazılır). Santigrat cinsinden sıcaklığa sahipseniz, aşağıdaki formülü kullanarak dönüştürmeniz gerekir: T_k = 273 + T_C
Enerji, uygulanan ısı miktarı ile tam olarak orantılı olduğu için yukarıdaki yöntemler kullanılabilir. Sıvının sıcaklığı, buhar basıncını etkileyen tek çevresel faktördür.