11.6: Egenskaper for væsker (2023)

Damptrykk som et likevektstrykk

Selv om ligning 11.6.1 beskriver trykket på grunn av en væske (a) hvis molekyler har kommet inn i dampfasen, er dette ikke alltid det kjemikere omtaler som damptrykket.Kjemikere vurdererDamptrykk for å være likevektstrykket når hastigheten som kjemiske enheter fordamper tilsvarer hastigheten de kondenserer.Hvis disse hastighetene ikke er lik det totale antallet molekyler i dampfasen, endres, og damptrykket endres.Når de er like har du en dynamisk likevekt, der individuelle partikler kontinuerlig fordampes og kondenserer, men antall partikler i gassfasen er konstant og dette resulterer i et konstant verdsatt likevektstrykk, som er det som omtales som damptrykketav det stoffet (over dens flytende overflate).Disse verdiene avhenger av temperaturen (se nedenfor) og er ofte tabulert i termodynamiske tabeller som en funksjon av temperaturen.

Figur \ (\ PageIndex {2} \) illustrerer dette konseptet.Se for deg at du hadde en flyktig væske (en væske som kan fordampe) som fylte en beholder fullstendig, så det var ingen plass over væsken, (så det kunne ikke være noen damp).Hvis du deretter fjernet noe av væsken (si med en sprøyte), ville det være et tomrom over væsken, men ingen molekyler.De ville begynne å fordampe, og hastigheten de fordamper ville være relatert til overflaten (jo større overflateareal, desto raskere er hastigheten) og temperaturen (som beskriver den gjennomsnittlige kinetiske energien i systemet. Hvis temperaturen og overflatearealeter konstant, da er fordampingshastigheten konstant (grønn linje, figur \ (\ pageIndex {2} \)). Opprinnelig var det ingen flytende partikler i gassfasen, og så både det delvise trykket (figur \ (\ sideindex {3} \)) og den opprinnelige kondenshastigheten (figur \ (\ pageindex {2} \)) er null. Så snart noen molekyler kommer inn i gassfasen begynner det delvise trykket å stige (ekv. 11.6.1 og figur \(\ PageIndex {3} \)), og noen av disse molekylene kan nå kollidere med overflaten og kondensøker (figur \ (\ sideindex {2} \)). Antall partikler i gassfasen fortsetter å stige til hastigheten de fordamper (en konstant verdi) tilsvarer hastigheten de kondenserer, og aDynamisk likevektstrykk oppnås(Den flate regionen av kurvene i figur 11.6.2 og 3).

Du må være våken, detDet konstante verdsatte likevektstrykket er det kjemikere omtaler som damptrykket, selv om et system ikke var i likevekt (til venstre for den stiplede linjen som indikerer hastighetene for kondens og fordamping er like), vil vi fortsatt kalle det et damptrykk.Figur \ (\ PageIndex {4} \) viser et apparat for å måle damptrykket til en væske.Dette er ofte en utfordring for studenter, ettersom betydningen av et ord ofte er avhengig av konteksten, (som er oksygen et monatomisk atom "o" eller et diatomisk molekyl "o₂"?) Med mindre vi spesifikt beskriver et system som ikke er i likevekt, er damptrykket likevektstrykket når fordampningshastighetene tilsvarer kondens, og som har en spesifikk verdi (som er en funksjon av temperaturen).

Det må understrekes at damptrykket er et likevektsfenomener, og dermed krever at gassen er i en lukket beholder.Hvis en beholder med vann er lukket, vil noen fordampe til den når dets likevekts damptrykk.Hvis beholderen er åpen for atmosfæren, vil alt vannet til slutt fordampe, og du vil ha en gass, ikke en gass i likevekt med væsken.

Temperaturavhengighet av damptrykk

Vi må innse at konsepter som væske, gass, fordamping og kondens ikke er egenskaper til individuelle kjemiske enheter som et molekyl eller atom, men av et stort antall av dem, og må sees på som egenskaper til et ensemble av partikler, og ikkeav individuelle atomer eller molekyler.En gruppe molekyler har sine energier fordelt over en rekke verdier som resulterer i hastighetsprofiler som de i figur 11.6.5.Området under kurvene er like og representerer det totale antall molekyler i en prøve.Når temperaturen øker, flater kurven ut og strekker seg til høyre når flere molekyler beveger seg raskere.Hvis v_flukter minimumshastigheten som kreves for å unnslippe overflaten på væsken, bare de molekylene med en hastighet lik eller større til dette kan slippe unna (skyggelagt del av kurven).Det fremgår av figur 11.6.5 at brøkdelen av molekyler som kan komme inn i gassfasen (forholdet mellom det skyggelagte området og det totale arealet under kurven) øker når temperaturen stiger, og derfor øker antall molekyler i dampfasenNår temperaturen øker.Dette resulterer i en økning i damptrykket som en funksjon av temperaturen, som er plottet i figur 11.6.6 for en rekke stoffer.

Det skal bemerkes at bare fordi en partikkel beveger seg raskt nok til å unnslippe overflaten ikke betyr at den vil, da den også må bevege seg i riktig retning.

I neste figur (11.6.6) ser vi på damptrykket som en funksjon av temperaturen.Dette er et viktig diagram å forstå når det knytter molekylstruktur til damptrykket til et stoff.Det vil si for molekyler av lignende masse, jo sterkere krefter de intermolekylære, jo lavere damptrykk.Vi kan slags visualisere et samspill mellom to forskjellige og motstridende energier;Å øke kinetisk energi som favoriserer dampfasen, mens du øker intermolekylære krefter favoriserer væskefasen.I neste avsnitt vil vi se nærmere på dette, og du bør referere tilbake til dette diagrammet.

Damptrykk: Intermolekylære krefter, partikkelmasser og fordampningens entalpi

FraKinetisk molekylær teori om gasserog våre studier avGrahams lov om effusjonVi vet at den kinetiske energien er proporsjonal med den absolutte temperaturen, og når vi hever temperaturen, hever vi den kinetiske energien, 1/2MV² (hvor m = masse og v = hastighet), og dermed ville et lysmolekyl bevege seg raskere enn et tungt.Selvfølgelig for en gass eller en væske har du et ensemble av partikler, og det er en hastighetsfordelingsfunksjon som i figur 11.6.7, med lettere partikler som har en tendens til å bevege seg raskere enn tyngre (hvis de har lignende intermolekylære krefter).

Oppsummert:

• Lettere molekyler har en tendens til å bevege seg raskere enn tyngre ved en gitt temperatur, og å øke massen fører til en senking av damptrykket.
• Sterkere intermolekylære krefter undertrykker damptrykket

Disse effektene er tydelige i 11.6.6, der vi kan observere flere trender med et gitt press, og du bør kunne forklare disse

• Ved en gitt temperaturP_dietyleter> S_etanol>P_vann> S_etylenglykol.Dietyleter er ikke -polar, og selv om den er den tyngste, har de svakeste intermolekylære kreftene og er enklest å fordampe.De tre andre forbindelsene er ikke bare polare, men har hydrogenbindinger.Etanol har en OH -gruppe mens både vann og etylenglykol begge har to, så selv om det er tyngre enn vann, har det lavere damptrykk.Vann og etylenglykol har begge to OH -grupper, men vannet er lettere, og har også et høyere damptrykk.
• Ved en gitt temperaturP_vann> S_n-oktan Som selv om vannet har hydrogenbindinger, er n-oktanen en 114 amu, vekting 6,3 ganger så mye som vannet, og å være et stort sterkt polariserbart molekyl med mange overflatearealer har sterke spredningskrefter i London.
• Kvikksølv har et veldig lavt damptrykk, og det må realiseres at det å være et metall har metalliske bindinger, som vi vil dekke i neste kapittel.Selv om kvikksølv er en væske ved standardbetingelser med et lite damptrykk, representerer dampen et alvorlig helseproblem når den bioakkumulerer.

Deentalpi av fordampninger entalpien som kreves, transformerer en mol av et stoff fra en væske til en damp, og påvirkes av både partiklene masse og dens intermolekylære krefter.Jo høyere fordampnings entalpi, jo mer energi som kreves for å fordampe et stoff og jo lavere damptrykk.Høyere masse og sterkere intermolekylære krefter resulterer i en høyere entalpi av fordampning, og et lavere damptrykk.

Clausius-Clapeyron-ligning: Matematisk avledning av damptrykket

I hovedsak representerer damptrykket over en væske partisjonering av partiklene mellom to faser, væsken og gassen, det vil si at det er en brøkdel av partiklene i hver fase.Det er et samspill mellom fordampningens entalpi (jo høyere det er, jo mer vil de være i væskefasen) og den kinetiske energien.Ligningen som beskriver dette er Clausius-Clapeyron, som er en eksponentiell funksjon.Som enhver eksponentiell funksjon, er det to former, eksponentiell form og den naturlige loggformen

\ [\ Underbrace {p_ {a} = ke^{-\ frac {\ delta h_ {vap, a}} {rt}}} _ {\ text {exponential form}} \ label {11.6.2} \]

\ [\ underbryt {\ ln p_ {a} =-\ frac {\ delta h_ {vap, a}} {rt}+c} _ {\ text {logarithmic form}} \ label {11.6.3} \]

hvor:

• P_EN= Damptrykk over flyktig væske "A"
• \ (\ Delta H {Vap, A} \) = Enthalpy of Vaporization for "A", alltid positiv fordi det er endotermisk
• R = 8.314j/mol-k (ideell gass konstant)
• T = absolutt temperatur i Kelvin (alltid positiv
• k = en positiv konstant i trykkenheter, vil vi behandle det som en "ukjent konstant", men den er relatert til høyest mulig trykk, og vil ikke bli brukt i våre beregninger.
• C = lnk en annen konstant vi ikke vil bruke

Lar oss se nærmere på begrepet

Etikett {11.6.4} \]

• Begrepet i ekv.11.6.4 i seg selv er en brøkdel fordi fordampningens entalpi er endotermisk (positiv), og r og t er positive, så det er av formen \ (\ stor \ frac {1} {e^{positiv \: nummer}}= \ frac {1} {nummer> 1} \) = en brøkdel
  • \ (\ Delta H_ {Vap, A} \)
    • Når \ (\ Delta H_ {Vap, A} \) blir liten og nærmer seg null, nærmer brøkdelen seg 1 som e⁰= 1
    • Som \ (\ Delta H_ {Vap, A} \) blir stor og e^storAntallblir veldig stort, og gjensidigheten til et stort antall nærmer seg null.
  • RT Dette er den molære kinetiske energitimet assosiert med tredimensjonal translasjonsbevegelse (gjennom den ideelle gassloven er det relatert til PV -arbeid, fraAvsnitt 5.1).Husk at en av postulatene av den kinetiske molekylære teorien var at den kinetiske energien til en gass er proporsjonal med den absolutte temperaturen, r er den molære proporsjonalitetskonstanten (PV/n = RT).
    • Når T blir liten, nærmer brøkdelen seg null
      • 1/t blir stor, så \ (e^{\ frac1 {rt}} \) blir stor og \ (\ frac {1} {e^{\ frac1 {rt}}} \) nærmer seg null
    • Når T blir stor, nærmer brøkdelen seg en
      • 1/t blir liten og nærmer seg null, så \ (e^{\ frac1 {rt}} \) nærmer seg e⁰, som er 1, og \ (\ frac {1} {e^{\ frac1 {rt}}} \) nærmer seg en

Oppsummert:

Liten \ (\ Delta H_ {Vap, A} \) og Høyt favoriserer store damptrykk Fordi brøkdelen \ (e^{-\ frac {\ Delta H_ {Vap, A}} {rt}} \) nærmer seg 1.
Stor \ (\ Delta H_ {Vap, A} \) og lavt T favoriserer lavt damptrykkFordi brøkdelen \ (e^{-\ frac {\ Delta H_ {Vap, A}} {RT}} \) nærmer seg 0.

Husk at ved konstant trykk er den minste t definert av frysepunktet, og den høyeste t er definert av kokepunktet,Og bare i dette området gjør du et system der en damp kan være i likevekt med væske.Under denne temperaturen fryser væsken, og over har den en gass (når de har nådd likevekten).

Fra ekv.11.6.3, skråningen til den lineære plottet til LNP_vSom en funksjon av den gjensidige temperaturen (1/t) er lik -\ (\ Delta H_ {Vap, A} \)/R og kan brukes til å måle entalpien av fordampning.

Kokepunkter er en indikator på intermolekylære krefter, og vi vil se på fenomenene med å koke mer detaljert i en senere del av dette kapittelet.FraKinetisk molekylær teori om gasserVi lærte at den kinetiske energien til et molekyl er proporsjonal med dens absolutte temperatur, hvor KE_Oversettelse= 1/AMF², (m er massen, og V er hastigheten).Vi lærte også at det er en hastighetsprofil med forskjellige molekyler som beveger seg i forskjellige hastigheter, men attyngre molekyler har en tendens til å bevege seg saktere enn lettere(Husk makroskopiske observerbare ting som væsker og koking er resultatet av interaksjonen mellom et stort antall molekyler som har en fordeling av energier).Så alle ting er like, vi forventer at det er lettere å koke et lettere molekyl enn et tyngre, og vi vil forutsi det tyngre å ha et høyere kokepunkt.

Kokepunkt og hydrogenbindinger

Introduksjon

Sammenhengende krefter er tiltrekningskreftene mellom partikler i et stoff (eller fase), og lim er mellom to forskjellige stoffer (eller faser).Disse kan forklare egenskaper som overflatespenning og viskositet, og fenomener som kapillærhandling og hvorfor menisk noen ganger er konkave og andre ganger er konveks.

• Sammenhengende krefter- De intermolekylære attraksjonskreftene som holder partiklene i en væske sammen.
• Limkrefter- De intermolekylære kreftene mellom en væskes molekyler og et annet stoff, som en glassoverflate.

Du skal kunne forutsi trender basert på intermolekylære krefter for disse.

Overflatespenning

På overflaten av en væske er det ubetydelige limkrefter som tiltrekker væsken til gassfasen, men betydelige sammenhengende krefter som tiltrekker væsken til seg selv.Resultatet er at partikler nær overflaten av væsken føler at en nettokraft trekker dem inn i væsken, med en resulterende reduksjon i overflatearealet, og det er grunnen til at væsker dannes synker.Overflatespenningen er relatert til kraften som kreves for å øke overflatearealet, og kan forklare hvorfor gjenstander som et papirklipp kan flyte hvis de er på overflaten, men synker hvis de er plassert under overflaten.Jo sterkere de intermolekylære kreftene, jo større er overflatespenningen.

Figur \ (\ PageIndex {10} \) :.Diagram til venstre som viser vektoriell forskjell av krefter som virker på en partikkel i en væske som er i bulk og overflate.Bildet til høyre viser en binders som flyter i vann, selv om det er tettere enn vannet.(Begge bildene er fra Wikipedia).

1:24 YouTubeyOutube på overflatespenning av Berkeley Labs Molecular Foundry,https://youtu.be/ciqNNRlS2yA.

Kapillærhandling

Gjennom kapillærvirkning kan polare væsker som vann stige opp smale diameterrør mot tyngdekraften.

I virkeligheten stiger ikke alle stoffer opp, noen faller til og med ned.Dette er resultatet av interaksjonen mellom en væske med et fast stoff, og det er to typer krefter i lek, sammenhengende og lim.

Glass er basert på silisiumdioksid (som sand), og overflaten har mange hydroksy -grupper (OH) som kan delta i hydrogenbindinger.Dette resulterer i sterke limkrefter med polare løsningsmidler som vann, og hvis limkreftene er større enn de sammenhengende kreftene, vil vannet krype opp det lille kapillærrøret som illustrert i figur 11.6.M.

Menisk:Menisken kaster seg opp når limkreftene> sammenhengende og ned når de sammenhengende kreftene> limet.Når det gjelder vann og glass, kryper en liten film av vann opp overflaten av enheter med store diameter som buretter og graderte sylindere, og du leste fra bunnen av menisken.Når det gjelder instrumenter som kvikksølvtermometre og barometre, leste du fra toppen av menisken.

• Lim> sammenhengende - menisk går opp
• Sammenhengende> lim - menisk går ned

Figur \ (\ PageIndex {13} \):Diagram som viser forskjellige typer menisk.

Viskositet - motstand mot flyt

Viskositeten til en væske er en måling av dens motstand mot strømning.En høy tyktflytende væske er som melasse og har en stor strømningsmotstand, mens en lav viskøs væske vil være som vann og ha en lav strømningsmotstand.Følgende 2 You -rør viser høye og lave viskøse væsker.

0,33 min YouTube som viser høye og lave viskøse væsker som helleshttps://youtu.be/vNzTYzjLgKE.

0,33 min YouTube -animasjon som viser blyball som slippes ned i to sylindere, en med høy viskøs væske og en med lav viskøs væske.

Enhetene til viskositet er poise (p) eller centipoise (CP

1p = 0,1n s m^-2= 0,1 Pascal-sekund
1CP = 0,001N S M^-2​

Viskositet er en sterk funksjon av temperaturen som indikert i tabell 11.6.3

Bilolje smører bilens motor og er vurdert av deres viskositet med et SAE (Society of Automotive Engineers) nummer med SAE 5 som er lav viskositetsolje (passende for vinterforhold) og SAE 40 eller 50 er mer tyktflytende og passende for sommerforhold.

Spørring \ (\ pageIndex {1} \)