TLAK PÁRY: KONCEPCE, PŘÍKLADY A ŘEŠENÁ CVIČENÍ - CHEMIE - 2025

Tlak par je takový, který zažívá povrch kapaliny nebo pevné látky jako produkt termodynamické rovnováhy částic v uzavřeném systému. Uzavřeným systémem se rozumí nádoba, nádoba nebo láhev, která není vystavena vzduchu a atmosférickému tlaku.

Proto veškerá kapalina nebo pevná látka v nádobě na sebe vyvíjí charakteristiku tlaku par a charakteristiku jejich chemické povahy. Neotevřená láhev vody je v rovnováze s vodní parou, která „stlačuje“ povrch kapaliny a vnitřní stěny láhve.

Sycené nápoje ilustrují koncept tlaku par. Zdroj: Pixabay.

Dokud teplota zůstane konstantní, nedojde k žádné změně množství vodní páry přítomné v láhvi. Pokud se však zvýší, dojde k bodu, kde bude vytvořen tlak, aby mohl střílet víko nahoru; jako když se záměrně pokusíte naplnit a zavřít láhev vroucí vodou.

Naproti tomu sycené nápoje jsou jasnějším (a bezpečnějším) příkladem toho, co se myslí tlakem par. Když je odkrytá, rovnováha plyn-kapalina uvnitř je přerušena a uvolňuje páru do vnějšího prostředí zvukem podobným syčení. To by se nestalo, kdyby byl její tlak par nižší nebo zanedbatelný.

Koncept tlaku par

Tlak páry a mezimolekulární síly

Odpojení několika nápojů sycených oxidem uhličitým za stejných podmínek nabízí kvalitativní představu o tom, které z nich mají vyšší tlak par v závislosti na intenzitě emitovaného zvuku.

Stejně se bude chovat i láhev etheru; ne tak olej, med, sirup nebo hromada mleté ​​kávy. Nebudou vydávat žádný znatelný hluk, pokud neuvolní plyny z rozkladu.

Je to proto, že jejich tlak par je nižší nebo zanedbatelný. Z láhve unikají molekuly v plynné fázi, které musí nejprve překonat síly, které je udržují „uvězněné“ nebo soudržné v tekutině nebo pevné látce; to znamená, že musí překonat intermolekulární síly nebo interakce vyvíjené molekulami v jejich prostředí.

Pokud by takové interakce neexistovaly, nebyla by ani uvnitř láhve uzavřena tekutina ani pevná látka. Čím jsou tedy intermolekulární interakce slabší, tím je pravděpodobnější, že molekuly opustí disordovanou tekutinu nebo uspořádané nebo amorfní struktury pevné látky.

To platí nejen pro čisté látky nebo sloučeniny, ale také pro směsi, do kterých přicházejí již uvedené nápoje a lihoviny. Je tedy možné předpovědět, která láhev bude mít vyšší tlak par, protože bude znát složení jejího obsahu.

Odpařování a těkavost

Kapalina nebo pevná látka uvnitř láhve, za předpokladu, že není uzavřena, se bude neustále odpařovat; to znamená, že molekuly na jeho povrchu unikají do plynné fáze, které jsou rozptýleny ve vzduchu a jeho proudech. Z tohoto důvodu se voda zcela vypaří, pokud není lahev uzavřena nebo nádoba zakryta.

Totéž se však nestává s jinými tekutinami a mnohem méně, pokud jde o pevné látky. Tlak par pro posledně jmenovaný je obvykle tak směšný, že může trvat miliony let, než se projeví zmenšení velikosti; za předpokladu, že po celou tu dobu nekorodovali, nenarušovali nebo nerozkládali.

Látka nebo sloučenina se pak považuje za těkavou, pokud se při pokojové teplotě rychle odpařuje. Všimněte si, že těkavost je kvalitativním pojmem: není kvantifikována, ale je výsledkem srovnání odpařování mezi různými kapalinami a pevnými látkami. Ti, kteří se odpařují rychleji, budou považováni za více těkavé.

Na druhé straně je tlak par měřitelný a shromažďuje sám, co se rozumí odpařováním, varem a těkavostí.

Termodynamická rovnováha

Molekuly v plynné fázi se srazí s povrchem kapaliny nebo pevné látky. Přitom mohou mezimolekulární síly ostatních, více kondenzovaných molekul zastavit a udržet je, čímž jim zabrání znovu uniknout jako pára. V tomto procesu se však jiným molekulám na povrchu podaří uniknout a integrovat páry.

Pokud je láhev zavřená, přijde čas, kdy počet molekul, které vstupují do kapaliny nebo pevné látky, bude stejný jako počet molekul, které je opouštějí. Máme tedy rovnováhu, která závisí na teplotě. Pokud se teplota zvýší nebo sníží, tlak par se změní.

Čím vyšší je teplota, tím vyšší je tlak par, protože molekuly kapaliny nebo pevné látky budou mít více energie a snáze uniknou. Pokud však teplota zůstane konstantní, rovnováha bude obnovena; to znamená, že tlak par se přestane zvyšovat.

Příklady tlaku par

Předpokládejme, že máte n butan, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃, a oxid uhličitý, CO ₂, ve dvou oddělených nádobách. Při 20 ° C byly měřeny jejich tlaky par. Tlak par pro n-butan je přibližně 2,17 atm, zatímco tlak oxidu uhličitého je 56,25 atm.

Tlak páry může být také měřen v jednotkách Pa, bar, torr, mmHg a dalších. CO ₂ má tlak par téměř 30krát vyšší než u n-butanu, takže na první pohled musí být jeho nádoba odolnější, aby ji mohla skladovat; a pokud má trhliny, bude střílet s větším násilím v okolí.

Tento CO ₂ se nachází rozpuštěný v sycených nápojích, ale v dostatečně malém množství, aby při úniku z lahví nebo plechovek nevybuchl, ale pouze vytvářel zvuk.

Na druhé straně jsme diethylether, CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ nebo Et ₂ O, jejichž tlak par při 20 ° C je 0,49 MPa. Nádoba s tímto etherem bude po odkrytí znít podobně jako soda. Jeho tlak par je téměř pětkrát nižší než tlak n-butanu, takže teoreticky bude bezpečnější manipulovat s lahví diethyletheru než s lahví n-butanu.

Řešená cvičení

Cvičení 1

O kterých z následujících dvou sloučenin se očekává, že budou mít tlak par vyšší než 25 ° C? Diethylether nebo ethylalkohol?

Strukturní vzorec diethyletheru je CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃, a to z ethylalkoholu, CH ₃ CH ₂ OH. V zásadě má diethylether vyšší molekulovou hmotnost, je větší, takže lze předpokládat, že jeho tlak par je nižší, protože jeho molekuly jsou těžší. Opak je však pravdou: diethylether je těkavější než ethylalkohol.

Je to proto, CH ₃ CH ₂ OH molekuly, jako je CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃, komunikovat přes dipól-dipól sil. Ale na rozdíl od diethyletheru, ethylalkohol je schopná tvořit vodíkové vazby, které se vyznačují tím, že jsou zvláště silné a směrové dipóly: CH ₃ CH ₂ HO-HOCH ₂ CH ₃.

V důsledku toho je tlak par ethylalkoholu (0,098 atm) nižší než tlak diethyletheru (0,684 atm) navzdory jeho lehčím molekulám.

Cvičení 2

Má se za to, že který z následujících dvou pevných látek má nejvyšší tlak par při 25 ° C? Naftalen nebo jód?

Molekula naftalenu je bicyklická, má dva aromatické kruhy a má bod varu 218 ° C. Jód je lineární a homonukleární, I ₂ nebo II, s teplotou varu 184 ° C. Tyto vlastnosti samy o sobě řadí jód jako pevnou látku s nejvyšším tlakem par (vaří při nejnižší teplotě).

Obě molekuly, naftalen a jód, jsou nepolární, takže interagují prostřednictvím londýnských disperzních sil.

Naftalen má vyšší molekulovou hmotnost než jód, a proto je pochopitelné předpokládat, že jeho molekuly mají těžší čas, takže zanechávají černou, voňavou dehtu tuhou látku; zatímco pro jód bude snazší uniknout tmavě fialovým krystalům.

Podle údajů získaných z Pubchem jsou tlaky par při naftalenu při 25 ° C: 0,085 mmHg, respektive 0,233 mmHg. Jód má proto tlak par třikrát vyšší než naftalen.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie (8. ed.). CENGAGE Učení.
2. Tlak páry. Obnoveno z: chem.purdue.edu
3. Wikipedia. (2019). Tlak páry. Obnoveno z: en.wikipedia.org
4. Editors of Encyclopaedia Britannica. (3. dubna 2019). Tlak páry. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
5. Nichole Miller. (2019). Tlak páry: Definice, rovnice a příklady. Studie. Obnoveno z: study.com