Keemispunkti kalkulaator | Antoine'i võrrandi tööriist

Mis on keemistemperatuuri kalkulaator?

Keemistemperatuuri kalkulaator leiab temperatuuri, mille juures vedelik muutub valitud rõhu juures gaasiks. See töötab vee ja teiste puhaste vedelike jaoks, kasutades valemit nimega Antoine'i võrrand. Sisesta aine ja rõhk, ning kalkulaator tagastab temperatuuri, mille juures see vedelik keeb.

Kuidas rõhk mõjutab keemistemperatuuri

Vedelik keeb siis, kui selle aururõhk — pinnalt lenduva gaasi rõhk — võrdub selle kohal oleva õhu või gaasi rõhuga. Kui välist rõhku langetada, vajab vedelik selle tasakaalu saavutamiseks vähem soojust, seega keeb see madalamal temperatuuril. Kui rõhku tõsta, vajab vedelik rohkem soojust, seega keeb see kõrgemal temperatuuril.

Sellepärast keeb vesi merepinnal 100 °C (212 °F) juures, kus normaalne atmosfäärirõhk on 1 atm (760 mmHg), kuid mäel, kus õhk on hõredam, keeb vesi alla 100 °C. See selgitab ka, miks kiirkeedupott toitu kiiremini valmistab. Kinnijäänud aur tõstab poti sisemist rõhku, mis omakorda tõstab vee keemistemperatuuri, nii et toit valmib kõrgemal temperatuuril kui lahtises potis.

Keemistemperatuur sõltub ka ainest endast. Molekulid, mida hoiavad koos tugevad jõud, näiteks vesiniksidemed veemolekulide vahel, vajavad eraldumiseks rohkem energiat, seega keevad need kõrgemal temperatuuril kui nõrgemate jõududega molekulid.

Antoine'i võrrandi valem

Kalkulaator kasutab Antoine'i võrrandit, valemit, mis seob vedeliku aururõhu selle temperatuuriga:

log₁₀(P) = A − B / (T + C)

P on aururõhk elavhõbedamillimeetrites (mmHg). T on temperatuur Celsiuse kraadides. A, B ja C on iga aine jaoks spetsiifilised konstandid, mis on leitud laborimõõtmiste teel.

Valitud rõhu juures keemistemperatuuri leidmiseks lahendatakse võrrand T suhtes:

T = B / (A − log₁₀(P)) − C

Iga aine konstandid on täpsed ainult kindlas temperatuurivahemikus, tavaliselt selles vahemikus, milles neid mõõdeti. Väljaspool seda vahemikku muutuvad valemi ennustused ebausaldusväärseks, seega märgistab kalkulaator iga tulemuse, mis jääb aine testitud vahemikust välja.

Kuidas arvutada keemistemperatuuri

1. Vali aine, näiteks vesi, etanool või tolueen, või sisesta mõne teise vedeliku jaoks kohandatud A, B ja C konstandid.
2. Sisesta rõhk ja vali selle ühik: atm, mmHg, kPa, psi või bar.
3. Vali vastuse ühik: Celsius, Fahrenheit või Kelvin.
4. Loe arvutatud keemistemperatuur. Kalkulaator joonistab ka rõhu-temperatuuri kõvera ja märgib sellele tulemuse.

Näidisarvutused

Vesi suurel kõrgusel

5 000 jala kõrgusel on atmosfäärirõhk umbes 0,83 atm ehk 630,8 mmHg. Kasutades vee Antoine'i konstante (A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426):

log₁₀(630,8) = 2,800 T = 1730,63 / (8,07131 − 2,800) − 233,426 = 94,9 °C (202,8 °F)

See on umbes 5 °C madalam kui vee keemistemperatuur merepinnal, 100 °C. Retsept, mis nõuab vee keetmist teatud arvu minuteid merepinnal, vajab sellel kõrgusel pikemat aega, sest vesi on jahedam.

Etanooli destilleerimine vähendatud rõhu juures

Etanooli destilleerimine 0,5 atm ehk 380 mmHg juures, kasutades selle konstante (A = 8,20417, B = 1642,89, C = 230,3), annab:

log₁₀(380) = 2,580 T = 1642,89 / (8,20417 − 2,580) − 230,3 = 61,8 °C (143,2 °F)

Etanool keeb tavaliselt 78 °C juures 1 atm rõhu korral. Selle keetmine madalamal temperatuuril vähendatud rõhu all kulutab vähem energiat ja vähendab kuumustundlike segude kõrbemise riski destilleerimise ajal.

Tolueeni vaakumdestilleerimine

Laboratoorne vaakumpump suudab rõhku langetada 50 mmHg-ni ehk umbes 0,066 atm-ini. Kasutades tolueeni konstante (A = 6,95464, B = 1344,8, C = 219,482):

log₁₀(50) = 1,699 T = 1344,8 / (6,95464 − 1,699) − 219,482 = 36,4 °C (97,5 °F)

Tolueen keeb tavaliselt 111 °C juures 1 atm rõhu korral. Vaakumi all keeb see vaid 36,4 °C juures, mis võimaldab keemikutel puhastada kuumustundlikke ühendeid ilma kõrgema kuumuseta, mis need lagundaks.

Kus keemistemperatuuri arvutusi kasutatakse

Keemia- ja farmaatsiatehased kasutavad neid destilleerimise, vedelike eraldamise nende erinevate keemistemperatuuride järgi, planeerimiseks. Kokad kohandavad retsepte kõrgel asukohal, sest vesi keeb seal madalamal temperatuuril. Külmutustehnikud valivad külmaaineid osaliselt nende töörõhu juures oleva keemistemperatuuri järgi. Vaakumahjud ja külmkuivatid kasutavad sama põhimõtet: rõhu langetamine langetab temperatuuri, mis on vajalik vee eemaldamiseks materjalist.

Antoine'i võrrand vs teised meetodid

Antoine'i võrrand on lihtsustatud versioon fundamentaalsemast seosest nimega Clausiuse-Clapeyroni võrrand, mis vajab lisaandmeid, näiteks aine aurustumissoojust. Wagneri võrrand katab laiemaid temperatuurivahemikke, kuid vajab rohkem konstante. NIST auru tabelid annavad väga täpsed väärtused vee jaoks, kuid ei kata ühtegi teist ainet. Enamiku igapäevaste ja tehniliste arvutuste jaoks tavaliste vedelike puhul pakub Antoine'i võrrand head tasakaalu lihtsuse ja täpsuse vahel, jäädes tavaliselt oma testitud vahemikus 1–2% piirile mõõdetud väärtustest.

Korduma kippuvad küsimused

Kuidas arvutada vedeliku keemistemperatuuri?

Otsi üles aine Antoine'i konstandid (A, B ja C) ning kasuta valemit T = B / (A − log₁₀(P)) − C, kus rõhk P on mmHg-des. Kalkulaator teeb seda automaatselt levinud ainete jaoks või mis tahes kasutaja sisestatud kohandatud konstantide komplekti jaoks.

Milline on vee keemistemperatuur standardrõhu juures?

Vesi keeb 100 °C (212 °F) juures 1 atm ehk 760 mmHg rõhu korral, mis on standardne atmosfäärirõhk merepinnal.

Miks keeb vesi suurel kõrgusel madalamal temperatuuril?

Õhurõhk langeb kõrguse kasvades. Madalam rõhk tähendab, et vee aururõhk jõuab ümbritseva rõhuga võrdseks varem, madalama temperatuuri juures. Ligikaudse juhisena langeb keemistemperatuur umbes 1 °C iga 285 meetri (935 jala) kõrguse tõusu kohta.

Miks keevad erinevad vedelikud erinevatel temperatuuridel?

Keemistemperatuur sõltub sellest, kui tugevalt vedeliku molekulid üksteist tõmbavad. Ained, millel on tugevad molekulidevahelised jõud, näiteks vesiniksidemed vees, vajavad nende sidemete katkestamiseks ja keemiseks rohkem soojusenergiat, seega on nende keemistemperatuur kõrgem kui nõrgemate jõududega ainetel, näiteks heksaanil.

Kas Antoine'i võrrand töötab segude jaoks?

Ei. See kehtib ainult puhaste ainete jaoks. Segud vajavad teistsuguseid meetodeid, näiteks Raoult'i seadust või aktiivsuskoefitsiendi mudeleid, sest iga komponent muudab teiste aururõhku.

Kui täpne on Antoine'i võrrand?

Aine testitud temperatuurivahemikus vastab see tavaliselt mõõdetud keemistemperatuuridele 1–2% täpsusega. Väljaspool seda vahemikku või aine kriitilise punkti lähedal langeb selle täpsus, seega tuleks loetletud vahemikust väljajäävat tulemust käsitleda ettevaatlikult.