Buhar Basıncı Hesaplayıcı: Maddelerin Uçuculuğunu Tahmin Edin

Buhar Basıncı Hesaplayıcı

Buhar basıncı hesaplayıcısı, sıvı ve buhar belirli bir sıcaklıkta dengedeyken sıvının buharının uyguladığı basıncı tahmin eder. Bu araç, sekiz yaygın madde için bu basıncı cıva milimetresi (mmHg) cinsinden hesaplamak üzere Antoine denklemini kullanır: su, metanol, etanol, aseton, benzen, toluen, kloroform ve dietil eter.

Buhar basıncı nedir?

Her sıvıda farklı hızlarda hareket eden moleküller bulunur. Yüzeydeki en hızlı moleküllerin bazıları kaynama olmadan da serbest kalıp gaza dönüşür. Bu kaçan gaz sıvının üzerinde basınç biriktirir ve sonunda sıvıdan ayrılan moleküllerin hızı, sıvıya geri dönen moleküllerin hızına eşit olur. Bu denge noktasındaki basınca buhar basıncı denir.

Buhar basıncı yüksek olan bir sıvı, moleküllerinin çoğu kolayca kaçabildiği için hızla buharlaşır. Aseton ve dietil eter buna örnektir: oda sıcaklığında hızla buharlaşırlar. Suyun oda sıcaklığındaki buhar basıncı daha düşüktür ve su daha yavaş buharlaşır.

Sıcaklık arttıkça buhar basıncı yükselir. Daha sıcak moleküller daha hızlı hareket eder; bu nedenle daha fazlası sıvıdan kaçabilecek kadar enerjiye sahip olur. Bu ilişki doğrusal değildir; sıcaklık yükseldikçe buhar basıncı giderek daha hızlı artar.

Buhar basıncı formülü: Antoine denklemi

Hesaplayıcı, her madde için gerçek ölçüm verilerine uydurulmuş bir formül olan Antoine denklemini kullanır:

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

• P, mmHg cinsinden buhar basıncıdır
• T, °C cinsinden sıcaklıktır
• A, B ve C, her maddeye özgü sabitlerdir; denklem laboratuvar ölçümlerine uydurularak bulunurlar

Her maddenin sabitleri yalnızca belirli bir sıcaklık aralığında doğru çalışır. Bu aralığın dışında denklem yanlış sonuç verebilir; bu nedenle hesaplayıcı sonuç hesaplamaz.

Bu hesaplayıcının kullandığı Antoine sabitleri

Buhar basıncı hesaplayıcısı nasıl kullanılır?

1. Açılır menüden bir madde seçin.
2. °C cinsinden bir sıcaklık girin. Bu değer, giriş alanının altında gösterilen maddenin geçerli aralığında olmalıdır.
3. Buhar basıncı sonucunu mmHg cinsinden okuyun.
4. Hesaplamada kullanılan kesin sayıları görmek için formül panelini kontrol edin.
5. Basıncın geçerli aralığın tamamında nasıl değiştiğini görmek için grafiği inceleyin.
6. Sonucu kopyalamak için "Copy" düğmesine basın veya 25 °C sıcaklığındaki suya dönmek için "Reset" düğmesine basın.

Sıcaklık geçerli aralığın dışındaysa hesaplayıcı, Antoine denklemi bu aralıkta güvenilir olmadığı için sonuç yerine bir hata mesajı gösterir.

Buhar basıncı nasıl hesaplanır: çözümlü örnek

25 °C sıcaklığındaki suyun buhar basıncını bulun.

1. adım: Suyun sabitlerini alın. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

2. adım: Bunları denkleme yerleştirin.

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

3. adım: Logaritmayı tersine çevirin.

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

Suyun 25 °C sıcaklığındaki buhar basıncı yaklaşık 23,7 mmHg'dir. Bu değer, normal atmosfer basıncından (deniz seviyesinde 760 mmHg) çok daha düşüktür; bu nedenle sıvı su oda sıcaklığında kaynamaz.

Formülü kontrol etmek için: 100 °C sıcaklığında aynı denklem su için yaklaşık 760 mmHg buhar basıncı verir; bu da suyun deniz seviyesindeki bilinen kaynama noktasıyla örtüşür.

Yaygın maddelerin 25 °C sıcaklığındaki buhar basıncı

Aseton ve dietil eterin aynı sıcaklıktaki buhar basınçları sudan çok daha yüksektir. Bu nedenle daha hızlı buharlaşırlar ve ciltte daha soğuk hissedilirler: hızlı buharlaşma ısıyı hızla uzaklaştırır.

Sonucun değerlendirilmesi

• Daha yüksek buhar basıncı, maddenin o sıcaklıkta daha kolay buharlaştığı anlamına gelir.
• Daha düşük buhar basıncı, maddenin sıvı hâlde kalmasının daha kolay olduğu anlamına gelir.
• Bir sıvı, buhar basıncının çevresindeki basınca eşit olduğu sıcaklıkta kaynar. Deniz seviyesinde bu çevre basıncı yaklaşık 760 mmHg'dir (1 atmosfer).

Buhar basıncının önemli olduğu yerler

Buhar basıncı birçok gerçek uygulamaya yön verir. Kimya mühendisleri, sıvıları daha uçucu olanı önce buharlaştırarak ayıran damıtma kolonlarını tasarlamak için bu değeri kullanır. Buhar basıncı yüksek bir sıvı, kapalı bir kapta tehlikeli basınç biriktirebileceğinden çözücü ve yakıt depolama tanklarının yapımını etkiler. Çevre bilimcileri, bir kirleticinin sudan havaya buharlaşıp buharlaşmayacağını tahmin etmek için kullanır. Eczacılar, sıvı bir ilacın ambalajında nasıl davranacağını değerlendirmek için bu değerden yararlanır. Laboratuvar çalışanları ise vakumlu damıtma ve döner buharlaştırma için güvenli koşulları seçmek ve uçucu kimyasalların nasıl güvenle depolanacağını belirlemek için kullanır.

Buhar basıncını bulmanın diğer yolları

Antoine denklemi çeşitli yöntemlerden biridir:

• Clausius-Clapeyron denklemi, buhar basıncını sıcaklığa ve maddeyi buharlaştırmak için gereken ısıya bağlayan daha temel bir formüldür.
• Wagner denklemi daha geniş sıcaklık aralıklarını kapsar, ancak daha fazla giriş sabiti gerektirir.
• Bir izoteniskop gibi cihazlar kullanılarak laboratuvarda yapılan doğrudan ölçüm, tek bir veri noktası için en güvenilir sonucu verir.
• Grup katkısı yöntemleri, deneysel veri bulunmadığında buhar basıncını molekülün yapısından tahmin eder.

Tarihçe

Buhar basıncı kavramı, ısı ve gazlar üzerine 19. yüzyıl çalışmalarından doğmuştur. Benoît Paul Émile Clapeyron ve Rudolf Clausius, 1830'larda buhar basıncını sıcaklığa ve gizli ısıya bağlayan Clausius-Clapeyron denklemini geliştirdi. Fransız mühendis Louis Charles Antoine, 1888 yılında kendi adını taşıyan daha basit bağıntıyı yayımladı. Bu bağıntı, kullanım kolaylığı karşılığında kuramsal temelin bir kısmından vazgeçer; bu nedenle günümüzde ders kitaplarında ve hesaplayıcılarda yaygınlığını korur.

Sık sorulan sorular

Basitçe buhar basıncı nedir? Belirli bir sıcaklıkta sıvı ile gazı dengedeyken sıvının üzerinde oluşan gazın basıncıdır. Buhar basıncı yüksek olan bir madde kolayca buharlaşır.

Sıcaklık buhar basıncını nasıl etkiler? Sıcaklık arttıkça buhar basıncı yükselir ve doğrusal olarak değil, giderek daha hızlı artar. Daha sıcak moleküller daha hızlı hareket eder ve bunların daha fazlası sıvı yüzeyinden kaçabilir.

Buhar basıncı ile atmosfer basıncı arasındaki fark nedir? Buhar basıncı, tek bir maddenin gaza dönüşerek kaçan kendi moleküllerinden kaynaklanır. Atmosfer basıncı, bir konumun üzerindeki havada bulunan tüm gazların birleşik basıncıdır. Bir sıvı, buhar basıncı çevresindeki atmosfer basıncına ulaştığında kaynar.

Buhar basıncı damıtma açısından neden önemlidir? Damıtma, sıvıları farklı buhar basınçlarına göre ayırır. Buhar basıncı daha yüksek olan madde önce buharlaşır ve ayrı olarak toplanabilir.

Antoine denklemi ne kadar doğrudur? Sabitlerin uydurulduğu sıcaklıklara yakın değerlerde, ölçülen buhar basıncıyla genellikle birkaç yüzde puan içinde uyuşur. Bu hesaplayıcı için iki kontrol: 100 °C sıcaklığında su 760,1 mmHg verir; gerçek değer 760 mmHg'dir. 20 °C sıcaklığında dietil eter ise 440,1 mmHg verir; ölçülen değer 439,8 mmHg'dir. Uydurulan aralığın çok dışına çıkıldığında doğruluk azalır; bu nedenle hesaplayıcı her maddenin listelenen aralığı dışındaki sıcaklıkları kabul etmez. Bir maddenin kaynama noktasının çok üzerindeki sonuçlar ekstrapolasyondur ve tahmin olarak değerlendirilmelidir.

Bu hesaplayıcı karışımlarda çalışır mı? Hayır. Yalnızca saf maddelerin buhar basıncını hesaplar. Karışımlar, her bileşenin kısmi buhar basıncının karışımdaki payına bağlı olduğu Raoult yasasına uyar; ideal olmayan karışımlar için ek düzeltme katsayıları gerekir.

Kaynaklar

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. ve O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5. baskı). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. ve Abbott, M. M. (2017). Kimya Mühendisliği Termodinamiğine Giriş (8. baskı). 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 Kimya WebBook'u, SRD 69. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü.