Máy Tính Áp Suất Hơi: Ước Tính Độ Bay Hơi Của Chất

Máy tính áp suất hơi

Máy tính áp suất hơi ước tính áp suất do hơi của một chất lỏng tạo ra khi chất lỏng và hơi ở trạng thái cân bằng tại một nhiệt độ nhất định. Công cụ này sử dụng phương trình Antoine để tính áp suất đó, theo milimét thủy ngân (mmHg), cho tám chất phổ biến: nước, metanol, etanol, axeton, benzen, toluen, cloroform và ete dietyl.

Áp suất hơi là gì?

Mỗi chất lỏng có các phân tử chuyển động với những tốc độ khác nhau. Một số phân tử nhanh nhất ở bề mặt thoát ra và chuyển thành khí, ngay cả khi chất lỏng chưa sôi. Khí thoát ra này tạo áp suất phía trên chất lỏng; cuối cùng, tốc độ các phân tử rời khỏi chất lỏng bằng tốc độ các phân tử quay trở lại. Áp suất tại điểm cân bằng đó được gọi là áp suất hơi.

Chất lỏng có áp suất hơi cao bay hơi nhanh vì nhiều phân tử của nó dễ dàng thoát ra. Axeton và ete dietyl là những ví dụ: chúng bay hơi nhanh ở nhiệt độ phòng. Ở nhiệt độ phòng, nước có áp suất hơi thấp hơn và bay hơi chậm hơn.

Áp suất hơi tăng khi nhiệt độ tăng. Các phân tử ấm hơn chuyển động nhanh hơn, vì vậy có nhiều phân tử đủ năng lượng để thoát khỏi chất lỏng. Mối quan hệ này không phải là đường thẳng; áp suất hơi tăng ngày càng nhanh khi nhiệt độ tăng.

Công thức áp suất hơi: phương trình Antoine

Máy tính sử dụng phương trình Antoine, một công thức được khớp với dữ liệu đo thực tế của từng chất:

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

• P là áp suất hơi, tính bằng mmHg
• T là nhiệt độ, tính bằng °C
• A, B và C là các hằng số riêng của từng chất, được xác định bằng cách khớp phương trình với các phép đo trong phòng thí nghiệm

Các hằng số của mỗi chất chỉ cho kết quả chính xác trong một khoảng nhiệt độ cụ thể. Ngoài khoảng đó, phương trình có thể cho kết quả sai, nên máy tính sẽ không thực hiện phép tính.

Các hằng số Antoine được máy tính này sử dụng

Cách sử dụng máy tính áp suất hơi

1. Chọn một chất từ menu thả xuống.
2. Nhập nhiệt độ theo °C. Nhiệt độ phải nằm trong khoảng áp dụng của chất, được hiển thị bên dưới ô nhập.
3. Đọc kết quả áp suất hơi theo mmHg.
4. Kiểm tra bảng công thức để xem các số liệu chính xác được sử dụng trong phép tính.
5. Xem biểu đồ để biết áp suất thay đổi như thế nào trong toàn bộ khoảng áp dụng.
6. Nhấn "Sao chép" để sao chép kết quả hoặc "Đặt lại" để trở về nước ở 25 °C.

Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng áp dụng, máy tính sẽ hiển thị thông báo lỗi thay vì kết quả, vì phương trình Antoine không đáng tin cậy trong khoảng đó.

Cách tính áp suất hơi: ví dụ minh họa

Tìm áp suất hơi của nước ở 25 °C.

Bước 1: Lấy các hằng số của nước. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Bước 2: Thay chúng vào phương trình.

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

Bước 3: Khử logarit.

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

Áp suất hơi của nước ở 25 °C là khoảng 23,7 mmHg. Giá trị này thấp hơn nhiều so với áp suất khí quyển bình thường (760 mmHg ở mực nước biển), đó là lý do nước lỏng không sôi ở nhiệt độ phòng.

Để kiểm tra công thức: tại 100 °C, cùng phương trình cho áp suất hơi của nước khoảng 760 mmHg, phù hợp với điểm sôi đã biết của nước ở mực nước biển.

Áp suất hơi của các chất phổ biến ở 25 °C

Ở cùng nhiệt độ, axeton và ete dietyl có áp suất hơi cao hơn nhiều so với nước. Vì vậy chúng bay hơi nhanh hơn và tạo cảm giác lạnh hơn trên da: sự bay hơi nhanh mang nhiệt đi nhanh chóng.

Đọc kết quả

• Áp suất hơi cao hơn có nghĩa là chất đó bay hơi dễ hơn ở nhiệt độ ấy.
• Áp suất hơi thấp hơn có nghĩa là chất đó dễ duy trì ở trạng thái lỏng hơn.
• Một chất lỏng sôi ở nhiệt độ mà tại đó áp suất hơi của nó bằng áp suất xung quanh. Ở mực nước biển, áp suất xung quanh đó khoảng 760 mmHg (1 atm).

Những trường hợp áp suất hơi có ý nghĩa

Áp suất hơi đóng vai trò trong nhiều công việc thực tế. Kỹ sư hóa học sử dụng nó để thiết kế tháp chưng cất, vốn tách các chất lỏng bằng cách cho chất dễ bay hơi hơn sôi trước. Nó ảnh hưởng đến cách xây dựng các bồn chứa dung môi và nhiên liệu, vì chất lỏng có áp suất hơi cao có thể tạo ra áp suất nguy hiểm trong vật chứa kín. Các nhà khoa học môi trường sử dụng nó để dự đoán liệu chất ô nhiễm có bay hơi từ nước vào không khí hay không. Dược sĩ sử dụng nó để đánh giá cách thuốc dạng lỏng sẽ hoạt động trong bao bì. Nhân viên phòng thí nghiệm sử dụng nó để lựa chọn điều kiện an toàn cho chưng cất chân không và cô quay, đồng thời đánh giá cách bảo quản an toàn các hóa chất dễ bay hơi.

Những cách khác để xác định áp suất hơi

Phương trình Antoine là một trong số nhiều phương pháp:

• Phương trình Clausius-Clapeyron là công thức có cơ sở lý thuyết hơn, liên hệ áp suất hơi với nhiệt độ và nhiệt lượng cần để hóa hơi chất đó.
• Phương trình Wagner áp dụng cho khoảng nhiệt độ rộng hơn nhưng cần nhiều hằng số đầu vào hơn.
• Đo trực tiếp trong phòng thí nghiệm, bằng các thiết bị như bình đẳng áp, cho một điểm dữ liệu đơn lẻ đáng tin cậy nhất.
• Phương pháp đóng góp nhóm ước tính áp suất hơi từ cấu trúc phân tử khi không có dữ liệu thực nghiệm.

Lịch sử

Khái niệm áp suất hơi dưới dạng chính thức phát triển từ các công trình thế kỷ 19 về nhiệt và chất khí. Benoît Paul Émile Clapeyron và Rudolf Clausius đã phát triển phương trình Clausius-Clapeyron trong những năm 1830, liên hệ áp suất hơi với nhiệt độ và nhiệt ẩn. Năm 1888, kỹ sư người Pháp Louis Charles Antoine công bố mối tương quan đơn giản hơn mang tên ông. Phương pháp này giảm bớt cơ sở lý thuyết để dễ sử dụng, đó là lý do nó vẫn phổ biến trong sách giáo khoa và máy tính ngày nay.

Các câu hỏi thường gặp

Áp suất hơi là gì theo cách hiểu đơn giản? Đó là áp suất của chất khí hình thành phía trên một chất lỏng khi chất lỏng và chất khí của nó ở trạng thái cân bằng, tại một nhiệt độ xác định. Chất có áp suất hơi cao sẽ dễ bay hơi.

Nhiệt độ ảnh hưởng đến áp suất hơi như thế nào? Áp suất hơi tăng khi nhiệt độ tăng, và tăng ngày càng nhanh chứ không theo đường thẳng. Các phân tử ấm hơn chuyển động nhanh hơn, nên có nhiều phân tử có thể thoát khỏi bề mặt chất lỏng.

Sự khác nhau giữa áp suất hơi và áp suất khí quyển là gì? Áp suất hơi xuất phát từ các phân tử của một chất thoát ra và chuyển thành khí. Áp suất khí quyển là áp suất tổng hợp của tất cả khí trong không khí phía trên một địa điểm. Chất lỏng bắt đầu sôi khi áp suất hơi của nó đạt đến áp suất khí quyển xung quanh.

Vì sao áp suất hơi có ý nghĩa đối với chưng cất? Chưng cất tách các chất lỏng dựa trên sự khác nhau về áp suất hơi của chúng. Chất có áp suất hơi cao hơn sẽ bay hơi trước và có thể được thu riêng.

Phương trình Antoine chính xác đến mức nào? Ở gần các nhiệt độ dùng để khớp hằng số, phương trình thường cho áp suất hơi phù hợp với giá trị đo trong phạm vi vài phần trăm. Hai phép kiểm tra đối với máy tính này: nước ở 100 °C cho kết quả 760,1 mmHg so với giá trị thực 760 mmHg, còn ete dietyl ở 20 °C cho kết quả 440,1 mmHg so với giá trị đo 439,8 mmHg. Độ chính xác giảm đáng kể khi nằm ngoài khoảng khớp, nên máy tính từ chối các nhiệt độ ngoài khoảng được liệt kê cho từng chất. Các kết quả cao hơn nhiều so với điểm sôi của một chất là những giá trị ngoại suy và chỉ nên được xem là ước tính.

Máy tính này có dùng được cho hỗn hợp không? Không. Máy chỉ tính áp suất hơi của các chất tinh khiết. Hỗn hợp tuân theo định luật Raoult, trong đó áp suất hơi riêng phần của mỗi cấu tử phụ thuộc vào phần của cấu tử đó trong hỗn hợp; các hỗn hợp không lý tưởng cần thêm các hệ số hiệu chỉnh.

Tài liệu tham khảo

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M., & O'Connell, J. P. (2001). Tính chất của chất khí và chất lỏng (lần xuất bản thứ 5). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C., & Abbott, M. M. (2017). Nhập môn nhiệt động lực học kỹ thuật hóa học (lần xuất bản thứ 8). McGraw-Hill Education.
3. Antoine, C. (1888). "Áp suất hơi: mối quan hệ mới giữa áp suất và nhiệt độ." Biên bản các phiên họp của Viện Hàn lâm Khoa học, 107, 681-684.
4. NIST Chemistry WebBook, SRD 69. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia.