ความร้อนจากการกลายเป็นไอ: จากน้ำเอทานอลอะซิโตนไซโคลเฮกเซน - เคมี - 2025

การกลายเป็นไอความร้อนหรือเอนทาลปีของการกลายเป็นไอเป็นพลังงานที่กรัมของสารเหลวต้องดูดซับที่จุดเดือดที่อุณหภูมิคงที่ นั่นคือเพื่อให้การเปลี่ยนจากของเหลวเป็นเฟสก๊าซ โดยปกติจะแสดงในหน่วย j / g หรือ cal / g; และในหน่วย kJ / mol เมื่อพูดถึงเอนทาลปีโมลาร์ของการกลายเป็นไอ

แนวคิดนี้มีมากกว่าที่คิดทุกวัน ตัวอย่างเช่นเครื่องจักรจำนวนมากเช่นรถไฟไอน้ำทำงานกับพลังงานที่ปล่อยออกมาจากไอน้ำ สามารถมองเห็นไอมวลจำนวนมากลอยขึ้นสู่ท้องฟ้าบนพื้นผิวโลกได้เช่นเดียวกับในภาพด้านล่าง

ที่มา: pxhere

นอกจากนี้การระเหยของเหงื่อบนผิวหนังจะทำให้เย็นลงหรือสดชื่นเนื่องจากการสูญเสียพลังงานจลน์ ซึ่งแปลว่าอุณหภูมิลดลง ความรู้สึกสดชื่นเพิ่มขึ้นเมื่อสายลมพัดพาไอน้ำออกจากหยดเหงื่อได้เร็วขึ้น

ความร้อนของการกลายเป็นไอไม่เพียง แต่ขึ้นอยู่กับปริมาณของสารเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีด้วย โดยเฉพาะโครงสร้างโมเลกุลและประเภทของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่มีอยู่

ประกอบด้วยอะไรบ้าง?

ความร้อนของการกลายเป็นไอ (ΔH _vap ) เป็นตัวแปรทางกายภาพที่สะท้อนถึงแรงร่วมกันของของเหลว เป็นที่เข้าใจกันว่ากองกำลังร่วมกันเป็นแรงที่ยึดโมเลกุล (หรืออะตอม) ไว้ด้วยกันในเฟสของเหลว ของเหลวที่ระเหยได้เช่นมีแรงร่วมกันที่อ่อนแอ ในขณะที่น้ำเหล่านั้นไหลแรงมาก

อะไรคือสาเหตุที่ของเหลวหนึ่งมีความผันผวนมากกว่าของเหลวอื่นและด้วยเหตุนี้จึงต้องการความร้อนมากขึ้นเพื่อให้ระเหยได้อย่างสมบูรณ์ที่จุดเดือด คำตอบอยู่ที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลหรือกองกำลังของแวนเดอร์วาลส์

ขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลและเอกลักษณ์ทางเคมีของสารปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของมันจะแตกต่างกันไปเช่นเดียวกับขนาดของแรงร่วมกันของสาร เพื่อทำความเข้าใจนี้สารที่แตกต่างกันกับที่แตกต่างกันΔH _VAPจะต้องวิเคราะห์

พลังงานจลน์เฉลี่ย

แรงรวมตัวกันภายในของเหลวจะต้องไม่แข็งแรงมากมิฉะนั้นโมเลกุลของมันจะไม่สั่นสะเทือน ในที่นี้ "การสั่น" หมายถึงการเคลื่อนที่อย่างอิสระและสุ่มของแต่ละโมเลกุลในของเหลว บางคนไปช้าหรือเร็วกว่าคนอื่น นั่นคือพวกมันไม่ได้มีพลังงานจลน์เท่ากันทั้งหมด

ดังนั้นเราจึงพูดถึงพลังงานจลน์เฉลี่ยสำหรับโมเลกุลทั้งหมดของของเหลว โมเลกุลเหล่านี้เร็วพอที่จะสามารถเอาชนะแรงระหว่างโมเลกุลที่ยึดมันไว้ในของเหลวและจะหลบหนีเข้าสู่เฟสของก๊าซ ยิ่งถ้าอยู่บนผิวน้ำ

เมื่อโมเลกุล M แรกที่มีพลังงานจลน์สูงหลุดออกไปเมื่อประมาณพลังงานจลน์เฉลี่ยอีกครั้งจะลดลง

ทำไม? เนื่องจากเมื่อโมเลกุลที่เร็วกว่าหลุดเข้าไปในเฟสก๊าซโมเลกุลที่ช้ากว่าจะยังคงอยู่ในของเหลว ความช้าของโมเลกุลที่สูงขึ้นเท่ากับการระบายความร้อน

ความดันไอ

เมื่อโมเลกุล M หนีไปยังเฟสของก๊าซก็สามารถกลับสู่ของเหลวได้ อย่างไรก็ตามหากของเหลวสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมโมเลกุลทั้งหมดจะมีแนวโน้มที่จะหลบหนีอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้และมีการกล่าวกันว่ามีการระเหย

ถ้าของเหลวถูกเก็บไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทสามารถสร้างสมดุลของของเหลวและก๊าซได้ นั่นคือความเร็วที่โมเลกุลของก๊าซปล่อยไว้จะเท่ากันกับที่พวกมันเข้าไป

ความดันที่กระทำโดยโมเลกุลของก๊าซบนพื้นผิวของของเหลวในสภาวะสมดุลนี้เรียกว่าความดันไอ หากภาชนะเปิดอยู่ความดันจะลดลงเมื่อเทียบกับของเหลวในภาชนะปิด

ยิ่งความดันไอสูงเท่าใดของเหลวก็ยิ่งระเหยมากขึ้นเท่านั้น มีความผันผวนมากขึ้นผู้ที่อ่อนแอกว่าคือกองกำลังร่วมกันของมัน ดังนั้นจึงต้องใช้ความร้อนน้อยลงในการระเหยให้ถึงจุดเดือดปกติ นั่นคืออุณหภูมิที่ความดันไอและความดันบรรยากาศเท่ากับ 760 torr หรือ 1atm

ความร้อนจากการระเหยของน้ำ

โมเลกุลของน้ำสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนที่มีชื่อเสียง: H - OH-OH 2 ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลชนิดพิเศษนี้แม้ว่าจะอ่อนแอหากคุณพิจารณาโมเลกุลสามหรือสี่โมเลกุล แต่ก็มีความแข็งแกร่งอย่างมากเมื่อพูดถึงโมเลกุลหลายล้านตัว

ความร้อนของการกลายเป็นไอน้ำที่จุดเดือดของมันคือ2260 J / g หรือ 40.7 กิโลจูล / โมล หมายความว่าอย่างไร? ในการระเหยน้ำหนึ่งกรัมที่อุณหภูมิ100ºCคุณต้องใช้ 2260J (หรือ 40.7kJ ในการระเหยน้ำหนึ่งโมลนั่นคือประมาณ 18g)

น้ำที่อุณหภูมิร่างกายมนุษย์37ºCมีไอ_{ระเหย} ΔH สูงกว่า ทำไม? เพราะตามคำจำกัดความที่กล่าวไว้ว่าน้ำต้องอุ่นที่37ºCจนกว่าจะถึงจุดเดือดและระเหยไปจนหมด ดังนั้นไอ_{ระเหย} ΔHจึงสูงขึ้น (และสูงขึ้นเมื่ออยู่ในอุณหภูมิที่เย็น)

จากเอทานอล

ไอ_{ระเหย} ΔH ของเอทานอลที่จุดเดือดคือ 855 J / g หรือ 39.3 kJ / mol สังเกตว่ามันด้อยกว่าน้ำเนื่องจากโครงสร้างของมันคือ CH ₃ CH ₂ OH แทบจะไม่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ อย่างไรก็ตามมันยังคงอยู่ในอันดับของของเหลวที่มีจุดเดือดสูงสุด

จากอะซิโตน

ไอ_{ระเหย}ของอะซิโตนΔH คือ 521 J / g หรือ 29.1 kJ / mol เนื่องจากสะท้อนความร้อนจากการกลายเป็นไอจึงเป็นของเหลวที่ระเหยได้ง่ายกว่าน้ำหรือเอทานอลดังนั้นจึงเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า (56ºC)

ทำไม? เนื่องจากโมเลกุล CH ₃ OCH ₃ของมันไม่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนและสามารถโต้ตอบผ่านแรงไดโพล - ไดโพลเท่านั้น

ของไซโคลเฮกเซน

สำหรับไซโคลเฮกเซนไอ_{ระเหย} ΔH คือ 358 J / g หรือ 30 kJ / mol มันประกอบด้วยแหวนหกเหลี่ยมที่มีสูตร C ₆ H 12 โมเลกุลของมันมีปฏิสัมพันธ์ผ่านกองกำลังกระจัดกระจายของลอนดอนเนื่องจากพวกมันมีความแปรปรวนและไม่มีโมเมนต์ไดโพล

โปรดทราบว่าแม้ว่าจะหนักกว่าน้ำ (84g / mol เทียบกับ 18g / mol) แต่แรงในการเกาะติดกันจะต่ำกว่า

ของเบนซิน

ไอ_{ระเหย}ของเบนซินΔH วงแหวนหกเหลี่ยมอะโรมาติกสูตร C ₆ H ₆คือ 395 J / g หรือ 30.8 kJ / mol เช่นเดียวกับไซโคลเฮกเซนมันมีปฏิกิริยาผ่านแรงกระจาย แต่ยังสามารถสร้างไดโพลและย้ายพื้นผิวของวงแหวนได้

สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมถึงไม่โพลาร์และไม่หนักมากจึงมีไอ_{ระเหย} ΔH ค่อนข้างสูง

จากโทลูอีน

ไอ_{ระเหย}ของโทลูอีนΔH สูงกว่าเบนซิน (33.18 กิโลจูล / โมล) ด้วยซ้ำ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่านอกจากกลุ่มเมธิลข้างต้นแล้ว –CH _{3 ยัง}ทำงานร่วมกันในโมเมนต์ไดโพลของโทลูอีน เช่นกันพวกเขาสามารถโต้ตอบโดยกองกำลังกระจาย

ของเฮกเซน

และในที่สุดΔH _VAPเฮกเซนเป็น 335 J / g หรือ 28.78 กิโลจูล / โมล โครงสร้างของมันคือ CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃กล่าวคือเป็นเส้นตรงซึ่งแตกต่างจากไซโคลเฮกเซนซึ่งเป็นหกเหลี่ยม

แม้ว่ามวลโมเลกุลจะแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย (86g / mol เทียบกับ 84g / mol) โครงสร้างของวัฏจักรมีอิทธิพลโดยตรงต่อวิธีที่โมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์ เมื่อเป็นวงแหวนแรงกระจายจะมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในทางกลับกันพวกมัน "หลงผิด" มากกว่าในโครงสร้างเชิงเส้นของเฮกเซน

ค่าไอ_{ระเหยของ} ΔH สำหรับเฮกเซนขัดแย้งกับค่าของอะซิโตน โดยหลักการแล้วเฮกเซนเนื่องจากมีจุดเดือดสูงกว่า (81ºC) ควรมีไอ_{ระเหย} ΔH ใหญ่กว่าอะซิโตนซึ่งเดือดที่56ºC

ความแตกต่างคืออะซิโตนมีความจุความร้อนสูงกว่าเฮกเซน ซึ่งหมายความว่าในการให้ความร้อนแก่อะซิโตนหนึ่งกรัมจาก 30 ° C ถึง 56 ° C และระเหยออกไปนั้นต้องใช้ความร้อนมากกว่าที่จะใช้ในการให้ความร้อนเฮกเซนหนึ่งกรัมจาก 30 ° C ถึงจุดเดือด 68 ° C

อ้างอิง

1. TutorVista (2018) เอนทัลปีของการกลายเป็นไอ ดึงมาจาก: chemistry.tutorvista.com
2. เคมี LibreTexts (3 เมษายน 2561). ความร้อนจากการระเหย สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
3. Dortmund Data Bank (เอสเอฟ) ความร้อนมาตรฐานของการระเหยของไซโคลเฮกเซน สืบค้นจาก: ddbst.com
4. Chickos JS & Acree WE (2003). องค์ประกอบของการระเหยของสารอินทรีย์และออร์แกโนเมทัลลิก, 1880-2002 J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 32, No. 2.
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, p 461-464
6. Khan Academy. (2018) ความจุความร้อนความร้อนของการกลายเป็นไอและความหนาแน่นของน้ำ สืบค้นจาก: es.khanacademy.org