Калкулатор на парциалното налягане: Оценка на летливостта на веществата

Калкулатор за парно налягане

Калкулаторът за парно налягане изчислява налягането, което парите на течност упражняват, когато течността и парите са в равновесие при определена температура. Този инструмент използва уравнението на Антоан, за да изчисли това налягане в милиметри живачен стълб (mmHg) за осем често срещани вещества: вода, метанол, етанол, ацетон, бензен, толуен, хлороформ и диетилов етер.

Какво е парно налягане?

Всяка течност има молекули, които се движат с различни скорости. Някои от най-бързите молекули на повърхността се отделят и се превръщат в газ дори без кипене. Този отделил се газ създава налягане над течността и накрая скоростта, с която молекулите напускат течността, става равна на скоростта, с която се връщат в нея. Налягането в тази точка на равновесие се нарича парно налягане.

Течност с високо парно налягане се изпарява бързо, защото много от молекулите ѝ лесно се отделят. Ацетонът и диетиловият етер са примери: те се изпаряват бързо при стайна температура. При стайна температура водата има по-ниско парно налягане и се изпарява по-бавно.

Парното налягане се повишава с повишаването на температурата. По-топлите молекули се движат по-бързо, така че повече от тях имат достатъчно енергия, за да напуснат течността. Тази зависимост не е линейна: с повишаването на температурата парното налягане нараства все по-бързо.

Формула за парното налягане: уравнението на Антоан

Калкулаторът използва уравнението на Антоан — формула, получена чрез напасване към реални измерени данни за всяко вещество:

$\log_{10}(P) = A - \frac{B}{C + T}$

• P е парното налягане в mmHg
• T е температурата в °C
• A, B и C са константи, уникални за всяко вещество, получени чрез напасване на уравнението към лабораторни измервания

Константите за всяко вещество работят правилно само в определен температурен диапазон. Извън него уравнението може да даде грешен резултат, затова калкулаторът няма да извърши изчислението.

Константи на Антоан, използвани от този калкулатор

Как се използва калкулаторът за парно налягане

1. Изберете вещество от падащото меню.
2. Въведете температура в °C. Тя трябва да попада във валидния диапазон на веществото, показан под полето за въвеждане.
3. Вижте резултата за парното налягане в mmHg.
4. Проверете панела с формулата, за да видите точните числа, използвани при изчислението.
5. Прегледайте графиката, за да видите как се променя налягането в целия валиден диапазон.
6. Натиснете „Copy“, за да копирате резултата, или „Reset“, за да се върнете към вода при 25 °C.

Ако температурата е извън валидния диапазон, калкулаторът показва съобщение за грешка вместо резултат, тъй като уравнението на Антоан не е надеждно извън този диапазон.

Как се изчислява парно налягане: решен пример

Намерете парното налягане на водата при 25 °C.

Стъпка 1: Вземете константите за водата. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Стъпка 2: Заместете ги във формулата.

$\log_{10}(P) = 8.07131 - \frac{1730.63}{233.426 + 25} = 8.07131 - \frac{1730.63}{258.426} = 1.3745$

Стъпка 3: Премахнете логаритъма.

$P = 10^{1.3745} \approx 23.7 \text{ mmHg}$

Парното налягане на водата при 25 °C е приблизително 23,7 mmHg. То е много по-ниско от нормалното атмосферно налягане (760 mmHg на морското равнище), поради което течната вода не кипи при стайна температура.

Като проверка на формулата: при 100 °C същото уравнение дава за водата парно налягане от приблизително 760 mmHg, което съответства на известната температура на кипене на водата на морското равнище.

Парно налягане на често срещани вещества при 25 °C

Ацетонът и диетиловият етер имат много по-високи парни налягания от водата при същата температура. Затова те се изпаряват по-бързо и създават усещане за студ върху кожата: бързото изпаряване отвежда топлината бързо.

Как се разчита резултатът

• По-високото парно налягане означава, че веществото се изпарява по-лесно при тази температура.
• По-ниското парно налягане означава, че веществото по-лесно остава в течно състояние.
• Течността кипи при температурата, при която нейното парно налягане се изравнява с налягането на околната среда. На морското равнище това налягане е приблизително 760 mmHg (1 атмосфера).

Къде има значение парното налягане

Парното налягане е от значение при много практически задачи. Химичните инженери го използват при проектирането на дестилационни колони, които разделят течности, като първо изпаряват по-летливата. То влияе върху конструкцията на резервоарите за разтворители и горива, тъй като течност с високо парно налягане може да създаде опасно налягане в затворен съд. Учените в областта на околната среда го използват, за да предскажат дали даден замърсител ще се изпари от водата във въздуха. Фармацевтите го използват, за да преценят как дадено течно лекарство ще се държи в опаковката си. Лабораторните работници го използват, за да избират безопасни условия за вакуумна дестилация и ротационно изпаряване, както и да преценяват как безопасно да съхраняват летливи химикали.

Други начини за намиране на парното налягане

Уравнението на Антоан е един от няколко метода:

• Уравнението на Клаузиус–Клапейрон е по-фундаментална формула, която свързва парното налягане с температурата и топлината, необходима за изпаряване на веществото.
• Уравнението на Вагнер обхваща по-широки температурни диапазони, но изисква повече входни константи.
• Прякото измерване в лаборатория с помощта на уреди като изотенископ дава най-надеждната единична измерена стойност.
• Методите на груповия принос оценяват парното налягане по структурата на молекулата, когато няма експериментални данни.

История

Парното налягане като формално понятие се развива от работата през 19-и век върху топлината и газовете. Беноа Пол Емил Клапейрон и Рудолф Клаузиус разработват уравнението на Клаузиус–Клапейрон през 1830-те години, като свързват парното налягане с температурата и латентната топлина. През 1888 г. френският инженер Луи Шарл Антоан публикува по-простата зависимост, носеща неговото име. Тя жертва част от теоретичната основа в полза на лесната употреба, поради което и днес остава често използвана в учебниците и калкулаторите.

Често задавани въпроси

Какво е парното налягане с прости думи? Това е налягането на газа, който се образува над течност, когато течността и нейният газ са в равновесие при определена температура. Вещество с високо парно налягане се изпарява лесно.

Как температурата влияе на парното налягане? Парното налягане се повишава с повишаването на температурата и нараства все по-бързо, а не линейно. По-топлите молекули се движат по-бързо и повече от тях могат да напуснат повърхността на течността.

Каква е разликата между парното и атмосферното налягане? Парното налягане се дължи на молекулите на самото вещество, които преминават в газообразно състояние. Атмосферното налягане е съвкупното налягане на всички газове във въздуха над дадено място. Течността кипи, когато парното ѝ налягане достигне атмосферното налягане около нея.

Защо парното налягане е важно за дестилацията? Дестилацията разделя течности според различните им парни налягания. Веществото с по-високо парно налягане се изпарява първо и може да бъде събрано отделно.

Колко точно е уравнението на Антоан? В близост до температурите, за които са напаснати константите, то обикновено съвпада с измереното налягане на парите с отклонение до няколко процента. Две проверки на този калкулатор: за водата при 100 °C се получава 760,1 mmHg при действителна стойност 760 mmHg, а за диетиловия етер при 20 °C се получава 440,1 mmHg при измерена стойност 439,8 mmHg. Точността намалява значително извън диапазона на напасване, затова калкулаторът отказва температури извън посочения диапазон за всяко вещество. Резултатите при температури, много над температурата на кипене на дадено вещество, са екстраполации и трябва да се разглеждат като оценки.

Работи ли този калкулатор за смеси? Не. Той изчислява парното налягане само на чисти вещества. Смесите се подчиняват на закона на Раул, според който парциалното парно налягане на всеки компонент зависи от дела му в сместа, а за неидеалните смеси са нужни допълнителни корекционни коефициенти.

Източници

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. и O'Connell, J. P. (2001). Свойства на газовете и течностите (5-о изд.). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (8-о изд.). McGraw-Hill Education.
3. Antoine, C. (1888). „Tensions des vapeurs: nouvelle relation entre les tensions et les températures.“ Comptes Rendus des Séances de l'Académie des Sciences, 107, 681-684.
4. NIST Chemistry WebBook, SRD 69. Национален институт за стандарти и технологии.