- แนวคิดเรื่องความดันไอ
- ความดันไอและแรงระหว่างโมเลกุล
- การระเหยและความผันผวน
- สมดุลทางอุณหพลศาสตร์
- ตัวอย่างของความดันไอ
- แบบฝึกหัดที่แก้ไข
- แบบฝึกหัด 1
- แบบฝึกหัด 2
- อ้างอิง
ดันไอเป็นหนึ่งที่ประสบพื้นผิวของของเหลวหรือของแข็งเช่น ผลิตภัณฑ์ของสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของอนุภาคในระบบปิด ระบบปิดถูกเข้าใจว่าเป็นภาชนะภาชนะหรือขวดที่ไม่สัมผัสกับอากาศและความดันบรรยากาศ
ดังนั้นของเหลวหรือของแข็งทั้งหมดในภาชนะจะแสดงลักษณะความดันไอและลักษณะทางเคมีของตัวเอง ขวดน้ำที่ยังไม่ได้เปิดอยู่ในสภาพสมดุลกับไอน้ำซึ่ง "บีบ" พื้นผิวของของเหลวและผนังด้านในของขวด
เครื่องดื่มอัดลมแสดงให้เห็นถึงแนวคิดเรื่องความดันไอ ที่มา: Pixabay
ตราบใดที่อุณหภูมิยังคงที่จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงของปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ในขวด แต่ถ้ามันเพิ่มขึ้นจะมีจุดหนึ่งที่จะสร้างแรงดันขึ้นเพื่อให้มันยิงฝาขึ้นมาได้ อย่างที่เกิดขึ้นเมื่อคุณพยายามเติมและปิดขวดด้วยน้ำเดือดโดยเจตนา
ในทางกลับกันเครื่องดื่มอัดลมเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนกว่า (และปลอดภัยกว่า) ของความดันไอ เมื่อเปิดออกความสมดุลของก๊าซและของเหลวภายในจะหยุดชะงักปล่อยไอออกสู่ภายนอกด้วยเสียงที่คล้ายกับเสียงฟู่ สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นหากความดันไอของมันต่ำลงหรือเล็กน้อย
แนวคิดเรื่องความดันไอ
ความดันไอและแรงระหว่างโมเลกุล
การไม่ใส่เครื่องดื่มอัดลมหลายชนิดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันทำให้เกิดแนวคิดเชิงคุณภาพว่าเครื่องดื่มชนิดใดมีความดันไอสูงขึ้นอยู่กับความเข้มของเสียงที่ปล่อยออกมา
ขวดอีเธอร์ก็จะทำงานในลักษณะเดียวกัน ไม่ใช่น้ำมันน้ำผึ้งน้ำเชื่อมหรือกาแฟบด พวกมันจะไม่ส่งเสียงรบกวนใด ๆ นอกจากจะปล่อยก๊าซจากการสลายตัว
เนื่องจากความดันไอของพวกมันต่ำกว่าหรือเล็กน้อย สิ่งที่หนีออกมาจากขวดคือโมเลกุลในช่วงแก๊สซึ่งก่อนอื่นต้องเอาชนะแรงที่ทำให้ "ติดอยู่" หรือเกาะติดกันในของเหลวหรือของแข็ง นั่นคือพวกเขาต้องเอาชนะแรงระหว่างโมเลกุลหรือปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นจากโมเลกุลในสภาพแวดล้อมของมัน
หากไม่มีปฏิกิริยาดังกล่าวก็จะไม่มีแม้แต่ของเหลวหรือของแข็งที่บรรจุอยู่ภายในขวด ดังนั้นยิ่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลที่อ่อนแอลงโมเลกุลก็จะยิ่งมีโอกาสมากขึ้นที่จะทิ้งของเหลวที่ไม่เป็นระเบียบหรือโครงสร้างที่เป็นระเบียบหรืออสัณฐานของของแข็ง
สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ใช้กับสารบริสุทธิ์หรือสารประกอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารผสมซึ่งเครื่องดื่มและสุราที่กล่าวถึงแล้วเข้ามา ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะทำนายว่าขวดใดจะมีความดันไอสูงกว่าโดยทราบถึงองค์ประกอบของเนื้อหา
การระเหยและความผันผวน
ของเหลวหรือของแข็งภายในขวดที่สมมติว่าไม่มีการปิดผนึกจะระเหยอย่างต่อเนื่อง นั่นคือโมเลกุลบนพื้นผิวของมันจะหลบหนีเข้าสู่เฟสของก๊าซซึ่งกระจายไปในอากาศและกระแสของมัน นั่นคือสาเหตุที่ทำให้น้ำระเหยไปจนหมดถ้าไม่ปิดขวดหรือปิดฝาหม้อ
แต่สิ่งเดียวกันนี้ไม่ได้เกิดขึ้นกับของเหลวอื่น ๆ และน้อยกว่ามากเมื่อเป็นของแข็ง ความดันไอในช่วงหลังมักจะไร้สาระมากจนอาจต้องใช้เวลาหลายล้านปีก่อนที่ขนาดจะลดลง สมมติว่าพวกมันไม่ได้เกิดสนิมสึกกร่อนหรือย่อยสลายมาตลอดเวลา
จากนั้นสารหรือสารประกอบจะถูกกล่าวว่าระเหยได้หากระเหยอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้อง โปรดทราบว่าความผันผวนเป็นแนวคิดเชิงคุณภาพซึ่งไม่ได้เป็นเชิงปริมาณ แต่เป็นผลจากการเปรียบเทียบการระเหยระหว่างของเหลวและของแข็งต่างๆ พวกที่ระเหยเร็วจะถือว่าระเหยง่ายกว่า
ในทางกลับกันความดันไอสามารถวัดได้โดยรวบรวมสิ่งที่เข้าใจได้จากการระเหยการเดือดและความผันผวน
สมดุลทางอุณหพลศาสตร์
โมเลกุลในเฟสของก๊าซชนกับพื้นผิวของของเหลวหรือของแข็ง ในการทำเช่นนั้นแรงระหว่างโมเลกุลของโมเลกุลอื่นที่ควบแน่นมากกว่าสามารถหยุดและกักขังไว้ได้ดังนั้นจึงป้องกันไม่ให้หนีออกมาเป็นไอได้อีก อย่างไรก็ตามในกระบวนการโมเลกุลอื่น ๆ บนพื้นผิวสามารถหลบหนีได้โดยรวมไอ
หากปิดขวดจะมีช่วงเวลาที่จำนวนโมเลกุลที่เข้าสู่ของเหลวหรือของแข็งจะเท่ากับโมเลกุลที่ทิ้งไว้ ดังนั้นเราจึงมีความสมดุลซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นหรือลดลงความดันไอจะเปลี่ยนไป
อุณหภูมิที่สูงขึ้นความดันไอก็จะสูงขึ้นเนื่องจากโมเลกุลของของเหลวหรือของแข็งจะมีพลังงานมากขึ้นและสามารถหลบหนีได้ง่ายขึ้น แต่ถ้าอุณหภูมิยังคงที่สมดุลจะถูกสร้างขึ้นใหม่ นั่นคือความดันไอจะหยุดเพิ่มขึ้น
ตัวอย่างของความดันไอ
สมมติว่าคุณมี n -butane, CH 3 CH 2 CH 2 CH 3และคาร์บอนไดออกไซด์ CO 2ในภาชนะสองใบแยกกัน ที่ 20 ° C ความดันไอถูกวัด ความดันไอของ n-butane อยู่ที่ประมาณ 2.17 atm ในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์อยู่ที่ 56.25 atm
ความดันไอสามารถวัดได้ในหน่วย Pa, bar, torr, mmHg และอื่น ๆ CO 2มีความดันไอสูงกว่า n-butane เกือบ 30 เท่าดังนั้นเมื่อมองแวบแรกภาชนะของมันจะต้องมีความทนทานมากขึ้นเพื่อให้สามารถจัดเก็บได้ และหากมีรอยแตกก็จะยิงด้วยความรุนแรงมากขึ้นรอบ ๆ
CO 2นี้ละลายในเครื่องดื่มอัดลม แต่ในปริมาณที่น้อยพอที่จะไม่ระเบิดเมื่อหนีออกจากขวดหรือกระป๋อง แต่จะทำให้เกิดเสียงเท่านั้น
ในทางกลับกันเรามีไดเอทิลอีเธอร์ CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3หรือ Et 2 O ซึ่งมีความดันไอที่ 20 ºCเท่ากับ 0.49 atm เมื่อเปิดภาชนะของอีเทอร์นี้จะมีเสียงคล้ายกับโซดา ความดันไอของมันต่ำกว่า n-butane เกือบ 5 เท่าดังนั้นในทางทฤษฎีแล้วการจับขวดไดเอทิลอีเธอร์จะปลอดภัยกว่าขวดที่มี n-butane
แบบฝึกหัดที่แก้ไข
แบบฝึกหัด 1
สารประกอบใดต่อไปนี้ที่คาดว่าจะมีความดันไอมากกว่า 25 ° C? ไดเอทิลอีเธอร์หรือเอทิลแอลกอฮอล์?
สูตรโครงสร้างของไดเอทิลอีเทอร์คือ CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3และเอทิลแอลกอฮอล์ CH 3 CH 2 OH โดยหลักการแล้วไดเอทิลอีเทอร์มีมวลโมเลกุลสูงกว่ามีขนาดใหญ่กว่าจึงเชื่อได้ว่าความดันไอของมันต่ำลงเนื่องจากโมเลกุลของมันหนักกว่า อย่างไรก็ตามสิ่งที่ตรงกันข้ามก็คือไดเอทิลอีเธอร์ระเหยได้ง่ายกว่าเอทิลแอลกอฮอล์
เนื่องจากโมเลกุลของ CH 3 CH 2 OH เช่น CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3มีปฏิสัมพันธ์ผ่านแรงไดโพล - ไดโพล แต่แตกต่างจากอีเทอร์, เอทิลแอลกอฮอล์ที่มีความสามารถในการขึ้นรูปพันธะไฮโดรเจนซึ่งมีลักษณะเป็นไดโพลโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่แข็งแกร่งและทิศทาง: CH 3 CH 2 HO-HOCH 2 CH 3
ดังนั้นความดันไอของเอทิลแอลกอฮอล์ (0.098 atm) จึงต่ำกว่าของไดเอทิลอีเธอร์ (0.684 atm) แม้ว่าโมเลกุลของมันจะเบากว่าก็ตาม
แบบฝึกหัด 2
ของแข็งสองชนิดใดต่อไปนี้ที่เชื่อว่ามีความดันไอสูงสุดที่25ºC? แนฟทาลีนหรือไอโอดีน?
โมเลกุลของแนฟทาลีนเป็นไบไซคลิกมีวงแหวนอะโรมาติกสองวงและมีจุดเดือด 218 21C ในส่วนของไอโอดีนเป็นเชิงเส้นและโฮโมนิวเคลียร์ I 2หรือ II มีจุดเดือด 184 ºC คุณสมบัติเหล่านี้เพียงอย่างเดียวจัดอันดับไอโอดีนให้เป็นของแข็งที่มีความดันไอสูงสุด (เดือดที่อุณหภูมิต่ำสุด)
โมเลกุลทั้งสองคือแนฟทาลีนและไอโอดีนเป็นอะโพลาร์ดังนั้นจึงมีปฏิสัมพันธ์ผ่านกองกำลังกระจายตัวของลอนดอน
แนฟทาลีนมีมวลโมเลกุลสูงกว่าไอโอดีนดังนั้นจึงเป็นที่เข้าใจได้ที่จะสมมติว่าโมเลกุลของมันมีช่วงเวลาที่ยากกว่าในการทิ้งของแข็งสีดำมีกลิ่นหอม ในขณะที่ไอโอดีนมันจะง่ายกว่าที่จะหลบหนีผลึกสีม่วงเข้ม
ตามข้อมูลที่นำมาจาก Pubchem ความดันไอที่25ºCสำหรับแนฟทาลีนและไอโอดีนคือ 0.085 mmHg และ 0.233 mmHg ตามลำดับ ดังนั้นไอโอดีนจึงมีความดันไอสูงกว่าแนฟทาลีน 3 เท่า
อ้างอิง
- Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี (ฉบับที่ 8) CENGAGE การเรียนรู้
- ความดันไอ สืบค้นจาก: chem.purdue.edu
- วิกิพีเดีย (2019) ความดันไอ สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
- บรรณาธิการของสารานุกรมบริแทนนิกา (3 เมษายน 2562). ความดันไอ สารานุกรมบริแทนนิกา. ดึงมาจาก: britannica.com
- Nichole Miller (2019) ความดันไอ: นิยามสมการและตัวอย่าง ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com