Kaasupaineen laskin: Arvioi aineen haihtuvuus

Höyrynpaineen laskin

Höyrynpaineen laskin arvioi paineen, jonka nesteen höyry aiheuttaa, kun neste ja höyry ovat tasapainossa tietyssä lämpötilassa. Tämä työkalu käyttää Antoine-yhtälöä paineen laskemiseen elohopeamillimetreinä (mmHg) kahdeksalle yleiselle aineelle: vedelle, metanolille, etanolille, asetonille, bentseenille, tolueenille, kloroformille ja dietyylieetterille.

Mitä höyrynpaine on?

Jokaisen nesteen molekyylit liikkuvat eri nopeuksilla. Osa pinnalla olevista nopeimmista molekyyleistä irtoaa ja muuttuu kaasuksi myös ilman kiehumista. Tämä poistuva kaasu muodostaa painetta nesteen yläpuolelle, ja lopulta nesteestä poistuvien molekyylien määrä vastaa siihen palaavien molekyylien määrää. Tämän tasapainotilan paine on höyrynpaine.

Neste, jolla on suuri höyrynpaine, haihtuu nopeasti, koska monet sen molekyyleistä irtoavat helposti. Asetoni ja dietyylieetteri ovat esimerkkejä tällaisista aineista: ne haihtuvat nopeasti huoneenlämpötilassa. Veden höyrynpaine on huoneenlämpötilassa pienempi, ja se haihtuu hitaammin.

Höyrynpaine kasvaa lämpötilan noustessa. Lämpimämmät molekyylit liikkuvat nopeammin, joten useammalla niistä on tarpeeksi energiaa irrota nesteestä. Tämä yhteys ei ole lineaarinen: höyrynpaine kasvaa lämpötilan noustessa yhä nopeammin.

Höyrynpaineen kaava: Antoine-yhtälö

Laskin käyttää Antoine-yhtälöä, joka on kullekin aineelle todellisiin mittaustietoihin sovitettu kaava:

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

• P on höyrynpaine yksikössä mmHg
• T on lämpötila yksikössä °C
• A, B ja C ovat kullekin aineelle ominaisia vakioita, jotka on määritetty sovittamalla yhtälö laboratoriomittauksiin

Kunkin aineen vakiot toimivat oikein vain tietyllä lämpötila-alueella. Tämän alueen ulkopuolella yhtälö voi antaa väärän tuloksen, joten laskin ei laske tulosta.

Tämän laskimen käyttämät Antoine-vakiot

Höyrynpaineen laskimen käyttö

1. Valitse aine pudotusvalikosta.
2. Syötä lämpötila yksikössä °C. Sen on oltava aineen voimassa olevalla alueella, joka näkyy syöttökentän alapuolella.
3. Lue höyrynpaineen tulos yksikössä mmHg.
4. Tarkista kaavapaneelista laskennassa käytetyt tarkat luvut.
5. Katso kaaviosta, miten paine muuttuu koko voimassa olevalla alueella.
6. Kopioi tulos painamalla ”Copy” tai palaa veden ja lämpötilan 25 °C oletusasetukseen painamalla ”Reset”.

Jos lämpötila on voimassa olevan alueen ulkopuolella, laskin näyttää tuloksen sijaan virheilmoituksen, koska Antoine-yhtälö ei ole tällöin luotettava.

Höyrynpaineen laskeminen: esimerkki

Määritä veden höyrynpaine lämpötilassa 25 °C.

Vaihe 1: Hae veden vakiot. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Vaihe 2: Sijoita ne yhtälöön.

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

Vaihe 3: Poista logaritmi.

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

Veden höyrynpaine lämpötilassa 25 °C on noin 23,7 mmHg. Se on paljon pienempi kuin normaali ilmanpaine (merenpinnan tasolla 760 mmHg), minkä vuoksi nestemäinen vesi ei kiehu huoneenlämpötilassa.

Kaavan tarkistuksena voidaan todeta, että lämpötilassa 100 °C sama yhtälö antaa vedelle höyrynpaineeksi noin 760 mmHg, mikä vastaa veden tunnettua kiehumispistettä merenpinnan tasolla.

Yleisten aineiden höyrynpaine lämpötilassa 25 °C

Asetonin ja dietyylieetterin höyrynpaine on samassa lämpötilassa paljon suurempi kuin veden. Siksi ne haihtuvat nopeammin ja tuntuvat iholla kylmemmiltä: nopea haihtuminen vie lämpöä nopeasti mukanaan.

Tuloksen tulkitseminen

• Suurempi höyrynpaine tarkoittaa, että aine haihtuu kyseisessä lämpötilassa helpommin.
• Pienempi höyrynpaine tarkoittaa, että aine pysyy helpommin nesteenä.
• Neste kiehuu lämpötilassa, jossa sen höyrynpaine on yhtä suuri kuin ympäröivä paine. Merenpinnan tasolla tämä ympäröivä paine on noin 760 mmHg (1 ilmakehä).

Milloin höyrynpaineella on merkitystä

Höyrynpaine ohjaa monia käytännön toimia. Kemiantekniikan insinöörit käyttävät sitä tislauskolonnien suunnitteluun. Tislauskolonneissa nesteet erotetaan kiehuttamalla ensin haihtuvampi neste. Höyrynpaine vaikuttaa liuottimien ja polttoaineiden säiliöiden rakenteeseen, koska suuren höyrynpaineen omaava neste voi aiheuttaa vaarallisen paineen suljetussa astiassa. Ympäristötieteilijät käyttävät sitä arvioidessaan, haihtuuko epäpuhtaus vedestä ilmaan. Farmaseutit hyödyntävät sitä arvioidessaan, miten nestemäinen lääke käyttäytyy pakkauksessaan. Laboratoriotyöntekijät käyttävät sitä valitessaan turvallisia olosuhteita tyhjötislaukseen ja rotaatiohaihdutukseen sekä arvioidessaan, miten haihtuvia kemikaaleja säilytetään turvallisesti.

Muita tapoja määrittää höyrynpaine

Antoine-yhtälö on yksi useista menetelmistä:

• Clausius–Clapeyronin yhtälö on perustavanlaatuisempi kaava, joka yhdistää höyrynpaineen lämpötilaan ja aineen höyrystämiseen tarvittavaan lämpöön.
• Wagnerin yhtälö kattaa laajemmat lämpötila-alueet, mutta vaatii useampia syöttövakiota.
• Suora mittaus laboratoriossa esimerkiksi isotensiometrillä antaa luotettavimman yksittäisen mittauspisteen.
• Ryhmäkontribuutiomenetelmät arvioivat höyrynpaineen molekyylin rakenteen perusteella, kun kokeellisia tietoja ei ole saatavilla.

Historia

Höyrynpaineen muodollinen käsite kehittyi 19. vuosisadalla tehdystä lämpöä ja kaasuja koskevasta työstä. Benoît Paul Émile Clapeyron ja Rudolf Clausius kehittivät Clausius–Clapeyronin yhtälön 1830-luvulla yhdistämällä höyrynpaineen lämpötilaan ja höyrystymislämpöön. Vuonna 1888 ranskalainen insinööri Louis Charles Antoine julkaisi yksinkertaisemman, hänen nimeään kantavan korrelaation. Se luopuu osasta teoreettista perustaa helpon käytön hyväksi, minkä vuoksi se on edelleen yleinen oppikirjoissa ja laskimissa.

Usein kysyttyä

Mitä höyrynpaine tarkoittaa yksinkertaisesti? Se on nesteen yläpuolelle muodostuvan kaasun paine, kun neste ja sen kaasu ovat tasapainossa tietyssä lämpötilassa. Aine, jolla on suuri höyrynpaine, haihtuu helposti.

Miten lämpötila vaikuttaa höyrynpaineeseen? Höyrynpaine kasvaa lämpötilan noustessa, ja se kasvaa yhä nopeammin eikä suoraviivaisesti. Lämpimämmät molekyylit liikkuvat nopeammin, ja useampi niistä voi irrota nesteen pinnalta.

Mikä ero on höyrynpaineella ja ilmanpaineella? Höyrynpaine syntyy yhden aineen omien molekyylien irrotessa kaasumuotoon. Ilmanpaine on kaikkien sijainnin yläpuolella olevan ilman kaasujen yhteinen paine. Neste kiehuu, kun sen höyrynpaine saavuttaa sitä ympäröivän ilmanpaineen.

Miksi höyrynpaineella on merkitystä tislauksessa? Tislauksessa nesteet erotetaan niiden erilaisten höyrynpaineiden perusteella. Aine, jolla on suurempi höyrynpaine, haihtuu ensin ja voidaan kerätä erikseen.

Kuinka tarkka Antoine-yhtälö on? Lämpötiloissa, joihin vakiot sovitettiin, yhtälö vastaa yleensä mitattua höyrynpainetta muutaman prosentin tarkkuudella. Kaksi tämän laskimen tarkistusta ovat seuraavat: veden lämpötilassa 100 °C saadaan arvoksi 760,1 mmHg, kun todellinen arvo on 760 mmHg, ja dietyylieetterin lämpötilassa 20 °C saadaan arvoksi 440,1 mmHg, kun mitattu arvo on 439,8 mmHg. Tarkkuus heikkenee selvästi sovitetun alueen ulkopuolella, joten laskin ei hyväksy kunkin aineen ilmoitetun alueen ulkopuolisia lämpötiloja. Aineen kiehumispisteen yläpuolella olevat tulokset ovat ekstrapolaatioita, ja niitä tulee pitää arvioina.

Toimiiko tämä laskin seoksille? Ei. Se laskee höyrynpaineen vain puhtaille aineille. Seoksiin sovelletaan Raoult'n lakia, jossa kunkin komponentin osittainen höyrynpaine riippuu sen osuudesta seoksessa, ja epäideaaliset seokset vaativat lisäksi korjauskertoimia.

Lähteet

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. & O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5. painos). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. & Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (8. painos). 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:n kemian verkkokirja, SRD 69. Yhdysvaltain kansallinen standardointi- ja teknologiainstituutti.