Damptryk - Vapor pressure

Den mikroskopiske fordampning og kondensering ved væskeoverfladen.
Hvis damptrykket overstiger den termodynamiske ligevægtsværdi , opstår der kondens i nærvær af nukleationssteder . Dette princip er hjemmehørende i skykamre , hvor ioniserede partikler danner kondensspor , når de passerer igennem.
Den pistol reagensglas eksperiment. Røret indeholder alkohol og lukkes med et stykke kork. Ved opvarmning af alkoholen fylder dampene rummet, hvilket øger trykket i røret til det punkt, hvor korken springer ud.

Damptryk (eller damptryk på britisk engelsk , se staveforskelle ) eller ligevægt damptryk defineres som det tryk, der udøves af en damp i termodynamisk ligevægt med dens kondenserede faser (fast eller flydende) ved en given temperatur i et lukket system . Ligevægtens damptryk er en indikation på en væskes fordampningshastighed . Det vedrører partiklernes tendens til at flygte fra væsken (eller et fast stof). Et stof med et højt damptryk ved normale temperaturer omtales ofte som flygtigt . Det tryk, der udvises af damp til stede over en flydende overflade, er kendt som damptryk. Når temperaturen på en væske stiger, stiger den kinetiske energi af dens molekyler også. Når molekylernes kinetiske energi stiger, stiger antallet af molekyler, der overgår til en damp, og øger derved damptrykket.

Damptrykket af ethvert stof stiger ikke-lineært med temperaturen i henhold til Clausius-Clapeyron-forholdet . Den atmosfæriske tryk kogepunkt af en væske (også kendt som den normale kogepunkt ) er den temperatur, ved hvilken damptrykket er lig det omgivende atmosfæriske tryk. Ved enhver trinvis stigning i denne temperatur bliver damptrykket tilstrækkeligt til at overvinde atmosfærisk tryk og løfte væsken til dannelse af dampbobler inde i hovedparten af ​​stoffet. Bobledannelse dybere i væsken kræver en højere temperatur på grund af det højere væsketryk, fordi væsketrykket stiger over atmosfæretrykket, når dybden stiger. Mere vigtigt på lav dybde er den højere temperatur, der kræves for at starte bobledannelse. Boblens vægoverfladespænding fører til et overtryk i de meget små, indledende bobler.

Damptrykket, som en enkelt komponent i en blanding bidrager til det samlede tryk i systemet, kaldes delvis tryk . Eksempelvis har luft ved havets overflade og mættet med vanddamp ved 20 ° C et partielt tryk på ca. 2,3 kPa vand, 78 kPa nitrogen , 21 kPa ilt og 0,9 kPa argon , i alt 102,2 kPa, hvilket danner grundlag for standard atmosfærisk tryk .

Måling og enheder

Damptryk måles i standardenheder for tryk . Det internationale enhedssystem (SI) genkender tryk som en afledt enhed med dimensionen kraft pr. Område og betegner pascal (Pa) som standardenhed. En pascal er et newton pr . Kvadratmeter (N · m −2 eller kg · m −1 · s −2 ).

Eksperimentel måling af damptryk er en enkel procedure til almindelige tryk mellem 1 og 200 kPa. De mest nøjagtige resultater opnås nær stoffets kogepunkt, og der opstår store fejl ved målinger mindre end 1 kPa . Procedurer består ofte i at rense teststoffet, isolere det i en beholder, evakuere eventuel fremmed gas og derefter måle ligevægtstrykket af stoffets gasfase i beholderen ved forskellige temperaturer. Bedre nøjagtighed opnås, når man sørger for, at hele stoffet og dets damp er ved den foreskrevne temperatur. Dette gøres ofte, som ved brug af et isoteniskop , ved at nedsænke indeslutningsområdet i et flydende bad.

Meget lave damptryk af faste stoffer kan måles ved hjælp af Knudsen -effusionscellemetoden .

I en medicinsk sammenhæng udtrykkes undertiden damptryk i andre enheder, specifikt millimeter kviksølv (mmHg) . Dette er vigtigt for flygtige bedøvelsesmidler , hvoraf de fleste er væsker ved kropstemperatur, men med et relativt højt damptryk.

Estimering af damptryk med Antoine -ligning

Den Antoine-ligningen er en pragmatisk matematisk udtryk for forholdet mellem damptrykket og temperaturen af rene flydende eller faste stoffer. Det opnås ved kurvetilpasning og er tilpasset det faktum, at damptrykket normalt stiger og er konkavt som funktion af temperaturen. Grundformen for ligningen er:

og det kan transformeres til denne temperatureksplicitte form:

hvor:

er et stofs absolutte damptryk
er stoffets temperatur
, og er substansspecifikke koefficienter (dvs. konstanter eller parametre)
er typisk enten eller

En enklere form for ligningen med kun to koefficienter bruges undertiden:

som kan omdannes til:

Sublimationer og fordampninger af det samme stof har separate sæt Antoine -koefficienter, ligesom komponenter i blandinger. Hvert parametersæt for en bestemt forbindelse kan kun anvendes over et bestemt temperaturinterval. Generelt vælges temperaturområder for at opretholde ligningens nøjagtighed på et par op til 8-10 procent. For mange flygtige stoffer findes flere forskellige sæt parametre og bruges til forskellige temperaturområder. Antoine -ligningen har dårlig nøjagtighed med ethvert enkelt parametersæt, når det bruges fra en forbindelses smeltepunkt til dets kritiske temperatur. Nøjagtigheden er også normalt dårlig, når damptrykket er under 10 Torr på grund af apparatets begrænsninger, der bruges til at etablere Antoine -parameterværdierne.

Wagner -ligningen giver "en af ​​de bedste" tilpasninger til eksperimentelle data, men er ret kompleks. Det udtrykker reduceret damptryk som en funktion af reduceret temperatur.

Forhold til væskes kogepunkt

Et log-lin damptryk diagram for forskellige væsker

Som en generel tendens øges damptrykket af væsker ved omgivende temperaturer med faldende kogepunkter. Dette er illustreret i damptryksdiagrammet (se til højre), der viser grafer over damptryk versus temperaturer for en række forskellige væsker. Ved en væskes normale kogepunkt er damptrykket lig med det atmosfæriske standardtryk defineret som 1 atmosfære, 760  Torr, 101,325  kPa eller 14,69595  psi.

For eksempel har methylchlorid ved en given temperatur det højeste damptryk af nogen af ​​væskerne i diagrammet. Det har også det laveste normale kogepunkt (-24,2 ° C), hvilket er, hvor damptrykkurven for methylchlorid (den blå linje) skærer den vandrette tryklinje for en atmosfære ( atm ) for absolut damptryk.

Selvom forholdet mellem damptryk og temperatur er ikke-lineært, bruger diagrammet en logaritmisk lodret akse til at producere let buede linjer, så et diagram kan tegne mange væsker. En næsten lige linje opnås, når logaritmen for damptrykket er afbildet mod 1/(T + 230), hvor T er temperaturen i grader Celsius. Damptrykket af en væske ved dets kogepunkt svarer til trykket i dets omgivende miljø.

Flydende blandinger: Raoults lov

Raoults lov giver en tilnærmelse til damptrykket af blandinger af væsker. Det hedder, at aktiviteten (tryk eller flygtighed ) af en enfaset blanding er lig med mol-fraktionsvægtet sum af komponenternes damptryk:

hvor er blandingens damptryk, er molfraktionen af komponenten i flydende fase og henholdsvis molfraktionen af komponenten i dampfasen. er komponentens damptryk . Raoults lov finder kun anvendelse på ikke-elektrolytter (uladede arter); det er mest hensigtsmæssigt for ikke-polare molekyler med kun svage intermolekylære attraktioner (såsom Londons styrker ).

Systemer, der har damptryk højere end angivet med ovenstående formel, siges at have positive afvigelser. En sådan afvigelse tyder på en svagere intermolekylær tiltrækning end i de rene komponenter, så molekylerne kan betragtes som værende "holdt i" væskefasen mindre stærkt end i den rene væske. Et eksempel er azeotropen på cirka 95% ethanol og vand. Fordi azeotropens damptryk er højere end forudsagt af Raoults lov, koger det ved en temperatur under temperaturen for enten ren komponent.

Der er også systemer med negative afvigelser, der har damptryk, der er lavere end forventet. En sådan afvigelse er tegn på en stærkere intermolekylær tiltrækning mellem blandingens bestanddele, end der findes i de rene komponenter. Således holdes molekylerne stærkere i væsken, når et andet molekyle er til stede. Et eksempel er en blanding af trichlormethan (chloroform) og 2-propanon (acetone), som koger over kogepunktet for enten ren komponent.

De negative og positive afvigelser kan bruges til at bestemme termodynamiske aktivitetskoefficienter for blandingernes komponenter.

Tørstof

Damptryk af flydende og fast benzen

Ligevægts damptryk kan defineres som det tryk, der nås, når en kondenseret fase er i ligevægt med sin egen damp. I tilfælde af et ligevægtsfast stof, såsom en krystal , kan dette defineres som trykket, når sublimeringshastigheden for et fast stof matcher aflejringshastigheden af ​​dets dampfase. For de fleste faste stoffer er dette tryk meget lavt, men nogle bemærkelsesværdige undtagelser er naphthalen , tøris (damptrykket af tøris er 5,73 MPa (831 psi, 56,5 atm) ved 20 ° C, hvilket får de fleste forseglede beholdere til at briste) og is. Alle faste materialer har et damptryk. På grund af deres ofte ekstremt lave værdier kan måling imidlertid være ret vanskelig. Typiske teknikker omfatter anvendelse af termogravimetri og gastranspiration.

Der er en række metoder til beregning af sublimeringstrykket (dvs. damptrykket) af et fast stof. En metode er at estimere sublimeringstrykket fra ekstrapolerede væskedampstryk (af den afkølede væske), hvis fusionsvarmen er kendt, ved at bruge denne særlige form af Clausius -Clapeyron -forholdet:

hvor:

  • er sublimeringstrykket af den faste komponent ved temperaturen .
  • er det væskekomponents ekstrapolerede damptryk ved temperaturen .
  • er fusionsvarmen.
  • er gaskonstanten .
  • er sublimeringstemperaturen.
  • er smeltepunktstemperaturen.

Denne metode forudsætter, at fusionsvarmen er temperaturuafhængig, ignorerer yderligere overgangstemperaturer mellem forskellige faste faser, og det giver et rimeligt skøn for temperaturer ikke for langt fra smeltepunktet. Det viser også, at sublimeringstrykket er lavere end det ekstrapolerede væskedampstryk (Δ fus H > 0), og forskellen vokser med øget afstand fra smeltepunktet.

Kogepunkt for vand

Graf over vanddamptryk kontra temperatur. Ved det normale kogepunkt på 100  ° C svarer det til det normale atmosfæriske tryk på 760 Torr eller 101.325 kPa .  

Som alle væsker koger vand, når dets damptryk når sit omgivende tryk. I naturen er atmosfæretrykket lavere ved højere højder, og vand koger ved en lavere temperatur. Vandets kogetemperatur til atmosfæriske tryk kan tilnærmes ved Antoine -ligningen :

eller omdannet til denne temperatureksplicitte form:

hvor temperaturen er kogepunktet i grader Celsius og trykket er i Torr .

Dührings regel

Dührings regel siger, at der eksisterer et lineært forhold mellem de temperaturer, ved hvilke to opløsninger udøver det samme damptryk.

Eksempler

Følgende tabel er en liste over en række forskellige stoffer bestilt ved at øge damptrykket (i absolutte enheder).

Stof Damptryk Temperatur
(° C)
(Pa) (bar) (mmHg)
Wolfram 100 Pa 0,001 0,75 3203
Xenon difluorid 600 Pa 0,006 4,50 25
Vand (H 2 O) 2,3 kPa 0,023 17.5 20
Propanol 2,4 kPa 0,024 18,0 20
Methylisobutylketon 2,66 kPa 0,0266 19,95 25
Ethanol 5,83 kPa 0,0583 43,7 20
Freon 113 37,9 kPa 0,379 284 20
Acetaldehyd 98,7 kPa 0,987 740 20
Butan 220 kPa 2.2 1650 20
Formaldehyd 435,7 kPa 4,357 3268 20
Propan 997,8 kPa 9.978 7584 26,85
Carbonylsulfid 1,255 MPa 12.55 9412 25
Nitrogenoxid 5.660 MPa 56,60 42453 25
Carbondioxid 5,7 MPa 57 42753 20

Estimering af damptryk fra molekylær struktur

Der findes flere empiriske metoder til at estimere damptrykket fra molekylær struktur for organiske molekyler. Nogle eksempler er SIMPOL.1-metoden, metoden ifølge Moller et al., Og FORDAMNING (Estimering af damptryk af organiske stoffer, Regnskab for temperatur, Intramolekylære og ikke-additivitetseffekter).

Betydning i meteorologi

I meteorologi bruges udtrykket damptryk til at betyde det partielle tryk af vanddamp i atmosfæren, selvom det ikke er i ligevægt, og ligevægtsdamptrykket er angivet på anden måde. Meteorologer bruger også udtrykket mætning damptryk til at referere til ligevægts damptryk for vand eller saltlage over en flad overflade for at skelne det fra ligevægts damptryk, der tager hensyn til form og størrelse af vanddråber og partikler i atmosfæren.

Se også

Referencer

eksterne links