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, напасната към реално 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. Натиснете „Копиране“, за да копирате резултата.

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 около 23,7 mmHg. Това е много по-ниско от нормалното атмосферно налягане (760 mmHg на морското равнище), затова 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 формална идея възниква от работата върху топлината и газовете през 19 век. Бенуа Пол Емил Клапейрон и Рудолф Клаузиус разработват уравнението на Клаузиус–Клапейрон през 1830-те години, свързвайки парното налягане с температурата и латентната топлина. През 1888 г. френският инженер Луи Шарл Антоан публикува по-простата зависимост, която носи неговото име. Тя жертва част от теоретичната обосновка в полза на лесното използване, затова остава разпространена в учебниците и калкулаторите и днес.

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 рамките на посочения за дадено вещество температурен диапазон то обикновено съвпада с измереното парно налягане с отклонение от няколко процента. Извън този диапазон точността спада, затова калкулаторът блокира изчисленията извън валидния диапазон на всяко вещество.

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. Национален институт по стандартите и технологиите. Water: Phase change data (NIST Chemistry WebBook, SRD 69). NIST Chemistry WebBook: вода — уравнение на Антоан log₁₀(P) = A − B/(T + C), с коефициенти, изчислени от NIST по измерени данни.
2. Национален институт по стандартите и технологиите. NIST Guide to the SI, Appendix B.8: Factors for Units Listed Alphabetically. NIST SP 811, приложение B.8 — 1 стандартна атмосфера = 101 325 Pa и 1 mmHg = 133,3224 Pa, така че 1 atm = 760 mmHg.
3. Парижка обсерватория. An Etymological Dictionary of Astronomy and Astrophysics: Antoine equation. Уравнение на Антоан — уравнението е наречено на Луи Шарл Антоан, френски инженер, който го извежда.
4. Френска академия на науките. Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences, т. 107, заседание от 29 октомври 1888 г. (сканирано копие в Internet Archive). Comptes rendus, 29 октомври 1888 г. — Ш. Антоан, "Tensions des vapeurs : nouvelle relation entre les tensions et les températures", с. 681–684.