เครื่องคำนวณความดันไอ: ประเมินความสามารถในการระเหยของสาร

เครื่องคำนวณความดันไอ

เครื่องคำนวณความดันไอใช้ประมาณความดันที่ไอของของเหลวกระทำ เมื่อของเหลวและไออยู่ในภาวะสมดุลที่อุณหภูมิหนึ่ง เครื่องมือนี้ใช้สมการ Antoine เพื่อคำนวณความดันดังกล่าวเป็นมิลลิเมตรปรอท (mmHg) สำหรับสารทั่วไป 8 ชนิด ได้แก่ น้ำ เมทานอล เอทานอล อะซีโตน เบนซีน โทลูอีน คลอโรฟอร์ม และไดเอทิลอีเทอร์

ความดันไอคืออะไร?

โมเลกุลของของเหลวทุกชนิดเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแตกต่างกัน โมเลกุลบางส่วนที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดบริเวณผิวหน้าจะหลุดออกและเปลี่ยนเป็นแก๊สได้แม้ยังไม่เดือด แก๊สที่หลุดออกมานี้จะสะสมและสร้างความดันเหนือของเหลว ในที่สุด อัตราที่โมเลกุลออกจากของเหลวจะเท่ากับอัตราที่โมเลกุลกลับเข้าสู่ของเหลว ความดัน ณ จุดสมดุลนั้นเรียกว่าความดันไอ

ของเหลวที่มีความดันไอสูงจะระเหยอย่างรวดเร็ว เพราะโมเลกุลจำนวนมากหลุดออกได้ง่าย อะซีโตนและไดเอทิลอีเทอร์เป็นตัวอย่างของสารดังกล่าว โดยระเหยได้เร็วที่อุณหภูมิห้อง น้ำมีความดันไอที่อุณหภูมิห้องต่ำกว่าและระเหยช้ากว่า

ความดันไอเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลที่อุ่นกว่าจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น จึงมีโมเลกุลจำนวนมากขึ้นที่มีพลังงานเพียงพอจะหลุดออกจากของเหลว ความสัมพันธ์นี้ไม่ใช่เส้นตรง ความดันไอจะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้นเรื่อย ๆ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

สูตรความดันไอ: สมการ Antoine

เครื่องคำนวณใช้สมการ Antoine ซึ่งเป็นสูตรที่ปรับให้สอดคล้องกับข้อมูลที่วัดได้จริงของสารแต่ละชนิด:

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

• P คือความดันไอ มีหน่วยเป็น mmHg
• T คืออุณหภูมิ มีหน่วยเป็น °C
• A, B และ C คือค่าคงที่เฉพาะของสารแต่ละชนิด ซึ่งหาได้จากการปรับสมการให้เข้ากับผลการวัดในห้องปฏิบัติการ

ค่าคงที่ของสารแต่ละชนิดใช้ได้อย่างถูกต้องเฉพาะภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด หากอยู่นอกช่วงดังกล่าว สมการอาจให้คำตอบผิด เครื่องคำนวณจึงไม่คำนวณผลลัพธ์

ค่าคงที่ Antoine ที่เครื่องคำนวณนี้ใช้

วิธีใช้เครื่องคำนวณความดันไอ

1. เลือกสารจากเมนูแบบเลื่อนลง
2. ป้อนอุณหภูมิเป็น °C อุณหภูมินั้นต้องอยู่ภายในช่วงที่ใช้ได้ของสาร ซึ่งแสดงอยู่ใต้ช่องป้อนข้อมูล
3. อ่านผลความดันไอในหน่วย mmHg
4. ตรวจสอบแผงสูตรเพื่อดูค่าตัวเลขที่ใช้ในการคำนวณอย่างละเอียด
5. ดูกราฟเพื่อดูว่าความดันเปลี่ยนแปลงอย่างไรตลอดช่วงที่ใช้ได้
6. กด "Copy" เพื่อคัดลอกผลลัพธ์ หรือกด "Reset" เพื่อกลับไปใช้ค่าน้ำที่ 25 °C

หากอุณหภูมิอยู่นอกช่วงที่ใช้ได้ เครื่องคำนวณจะแสดงข้อความแสดงข้อผิดพลาดแทนผลลัพธ์ เนื่องจากสมการ Antoine ไม่น่าเชื่อถือในช่วงนั้น

วิธีคำนวณความดันไอ: ตัวอย่างการคำนวณ

จงหาความดันไอของน้ำที่ 25 °C

ขั้นตอนที่ 1: หาค่าคงที่ของน้ำ A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426

ขั้นตอนที่ 2: แทนค่าลงในสมการ

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

ขั้นตอนที่ 3: ย้อนกลับลอการิทึม

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

ความดันไอของน้ำที่ 25 °C มีค่าประมาณ 23.7 mmHg ซึ่งต่ำกว่าความดันบรรยากาศปกติมาก (760 mmHg ที่ระดับน้ำทะเล) จึงเป็นเหตุผลที่น้ำในสถานะของเหลวไม่เดือดที่อุณหภูมิห้อง

เพื่อตรวจสอบสูตร เมื่อใช้อุณหภูมิ 100 °C สมการเดียวกันให้ความดันไอของน้ำประมาณ 760 mmHg ซึ่งสอดคล้องกับจุดเดือดที่ทราบของน้ำที่ระดับน้ำทะเล

ความดันไอของสารทั่วไปที่ 25 °C

อะซีโตนและไดเอทิลอีเทอร์มีความดันไอสูงกว่าน้ำมากที่อุณหภูมิเดียวกัน จึงระเหยได้เร็วกว่าและทำให้รู้สึกเย็นกว่าบนผิวหนัง เพราะการระเหยอย่างรวดเร็วจะพาความร้อนออกไปอย่างรวดเร็ว

การอ่านผลลัพธ์

• ความดันไอที่สูงกว่าหมายความว่าสารนั้นระเหยได้ง่ายกว่าที่อุณหภูมินั้น
• ความดันไอที่ต่ำกว่าหมายความว่าสารนั้นคงอยู่ในสถานะของเหลวได้ง่ายกว่า
• ของเหลวจะเดือดที่อุณหภูมิซึ่งความดันไอเท่ากับความดันโดยรอบ ที่ระดับน้ำทะเล ความดันโดยรอบมีค่าประมาณ 760 mmHg (1 บรรยากาศ)

ความสำคัญของความดันไอ

ความดันไอมีบทบาทในงานจริงหลายด้าน วิศวกรเคมีใช้ความดันไอในการออกแบบหอกลั่น ซึ่งแยกของเหลวโดยทำให้สารที่ระเหยง่ายกว่ากลายเป็นไอก่อน ความดันไอยังมีผลต่อการสร้างถังเก็บตัวทำละลายและเชื้อเพลิง เนื่องจากของเหลวที่มีความดันไอสูงอาจสะสมความดันที่เป็นอันตรายในภาชนะปิด นักวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมใช้ความดันไอเพื่อคาดการณ์ว่าสารมลพิษจะระเหยจากน้ำสู่อากาศหรือไม่ เภสัชกรใช้ความดันไอประเมินพฤติกรรมของยาชนิดของเหลวในบรรจุภัณฑ์ เจ้าหน้าที่ห้องปฏิบัติการใช้ความดันไอเพื่อเลือกสภาวะที่ปลอดภัยสำหรับการกลั่นสุญญากาศและการระเหยแบบหมุน รวมทั้งประเมินวิธีจัดเก็บสารเคมีระเหยง่ายอย่างปลอดภัย

วิธีอื่นในการหาความดันไอ

สมการ Antoine เป็นหนึ่งในหลายวิธี:

• สมการ Clausius-Clapeyron เป็นสูตรพื้นฐานกว่า ซึ่งเชื่อมโยงความดันไอกับอุณหภูมิและความร้อนที่ต้องใช้ในการทำให้สารกลายเป็นไอ
• สมการ Wagner ครอบคลุมช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่า แต่ต้องใช้ค่าคงที่เพิ่มเติม
• การวัดโดยตรง ในห้องปฏิบัติการ โดยใช้อุปกรณ์ เช่น ไอโซเทนิโสโคป ให้ข้อมูลจุดเดียวที่น่าเชื่อถือที่สุด
• วิธีการส่วนร่วมของหมู่ ใช้ประมาณความดันไอจากโครงสร้างของโมเลกุลเมื่อไม่มีข้อมูลจากการทดลอง

ประวัติ

แนวคิดอย่างเป็นทางการเกี่ยวกับความดันไอพัฒนามาจากงานในศตวรรษที่ 19 เกี่ยวกับความร้อนและแก๊ส Benoît Paul Émile Clapeyron และ Rudolf Clausius พัฒนาสมการ Clausius-Clapeyron ในคริสต์ทศวรรษ 1830 โดยเชื่อมโยงความดันไอกับอุณหภูมิและความร้อนแฝง ในปี 1888 วิศวกรชาวฝรั่งเศส Louis Charles Antoine เผยแพร่ความสัมพันธ์อย่างง่ายซึ่งตั้งชื่อตามเขา สูตรนี้ลดพื้นฐานทางทฤษฎีลงบางส่วนเพื่อให้ใช้งานง่าย จึงยังคงพบได้ทั่วไปในตำราเรียนและเครื่องคำนวณในปัจจุบัน

คำถามที่พบบ่อย

ความดันไอคืออะไรในความหมายง่าย ๆ คือความดันของแก๊สที่ก่อตัวเหนือของเหลวเมื่อของเหลวและแก๊สของมันอยู่ในภาวะสมดุลที่อุณหภูมิหนึ่ง สารที่มีความดันไอสูงจะระเหยได้ง่าย

อุณหภูมิมีผลต่อความดันไออย่างไร ความดันไอเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และจะเพิ่มขึ้นเร็วขึ้นเรื่อย ๆ ไม่ใช่เป็นเส้นตรง โมเลกุลที่อุ่นกว่าจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น และมีโมเลกุลจำนวนมากขึ้นที่สามารถหลุดออกจากผิวของเหลว

ความดันไอต่างจากความดันบรรยากาศอย่างไร ความดันไอเกิดจากโมเลกุลของสารชนิดหนึ่งหลุดออกมาอยู่ในรูปแก๊ส ส่วนความดันบรรยากาศคือความดันรวมของแก๊สทั้งหมดในอากาศเหนือบริเวณหนึ่ง ของเหลวจะเดือดเมื่อความดันไอเพิ่มขึ้นจนถึงความดันบรรยากาศโดยรอบ

เหตุใดความดันไอจึงมีความสำคัญต่อการกลั่น การกลั่นแยกของเหลวโดยอาศัยความดันไอที่แตกต่างกัน สารที่มีความดันไอสูงกว่าจะระเหยก่อนและสามารถเก็บแยกได้

สมการ Antoine แม่นยำเพียงใด ใกล้กับช่วงอุณหภูมิที่ใช้ปรับค่าคงที่ สมการนี้มักให้ค่าความดันไอใกล้เคียงกับค่าที่วัดได้ภายในความคลาดเคลื่อนไม่กี่เปอร์เซ็นต์ การตรวจสอบเครื่องคำนวณนี้สองกรณีคือ น้ำที่ 100 °C ให้ค่า 760.1 mmHg เทียบกับค่าจริง 760 mmHg และไดเอทิลอีเทอร์ที่ 20 °C ให้ค่า 440.1 mmHg เทียบกับค่าที่วัดได้ 439.8 mmHg ความแม่นยำจะลดลงมากเมื่ออยู่นอกช่วงที่ใช้ปรับค่า ดังนั้นเครื่องคำนวณจึงไม่รับอุณหภูมิที่อยู่นอกช่วงที่ระบุของสารแต่ละชนิด ผลลัพธ์ที่สูงกว่าจุดเดือดของสารมากเป็นการประมาณนอกช่วงข้อมูลและควรถือเป็นค่าประมาณ

เครื่องคำนวณนี้ใช้กับสารผสมได้หรือไม่ ไม่ได้ เครื่องคำนวณนี้คำนวณความดันไอสำหรับสารบริสุทธิ์เท่านั้น สารผสมเป็นไปตามกฎของราอูลต์ ซึ่งความดันไอส่วนย่อยขององค์ประกอบแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับสัดส่วนขององค์ประกอบนั้นในสารผสม และสารผสมที่ไม่เป็นอุดมคติต้องใช้ปัจจัยแก้ไขเพิ่มเติม

เอกสารอ้างอิง

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M., และ O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (ฉบับที่ 5). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (ฉบับที่ 8). 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. สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ