Тиск насиченої пари рідини

Насиченою називається пара, яка перебуває у рівновазі з рідиною при заданій температурі. Тиск насиченої пари рідини зростає внаслідок підвищення температури до точки К, яка відповідає критичному стану, де зникає різниця між рідиною та парою (рис. 4). Коли тиск насиченої пари над рідиною стає рівним зовнішньому тиску, рідина закипає. Тобто температура кипіння – це температура, за якої тиск насиченої пари над рідиною дорівнює зовнішньому тиску. Отже, крива на рис. 4 з одного боку є температурною залежністю тиску насиченої пари рідини, а з іншого - залежністю температури кипіння рідини від зовнішнього тиску. Якщо зовнішній тиск дорівнює стандартному (1 атм), то температура кипіння називається нормальною.

Залежність тиску насиченої пари над рідиною від температури описується рівнянням Клаузіуса – Клапейрона, диференційна форма якого має вигляд:

 

, (4.1)

 

де – молярна теплота випаровування (кількість теплоти, яка необхідна для переведення 1 моля рідини у пару в умовах рівноваги).

Для невеликого інтервалу температур можна вважати теплоту випаровування сталою, тоді невизначене інтегрування рівняння (4.1) призводить до виразу:

 

, (4.2)

 

згідно з яким логарифм тиску насиченої пари є лінійною функцією від (рис. 5). Тангенс кута нахилу прямої (4.2) відповідає виразу

 

,

 

за допомогою якого обчислюють молярну теплоту випаровування:

 

 

. (4.3)

 

Теоретичне значення теплоти випаровування рідини наближено можна визначити за даними довідника, користуючись формулою

 

, (4.4)

 

де – стандартна теплота утворення рівноважної фази при 298 К.

Знаючи молярну теплоту випаровування, можна розрахувати:

а) питому теплоту випаровування:

 

, (4.5)

 

 

де – молярна маса рідини;

б) константу Трутона – зміну ентропії в процесі випаровування за нормальної температури кипіння:

 

. (4.6)

 

Згідно з правилом Трутона для більшості неасоційованих рідин К = 85 – 90 Дж/(моль×К). Наближене значення константи Трутона також можна обчислити за даними довідника як різницю абсолютних стандартних ентропій газу та рідини:

 

. (4.7)

 

в) ебуліоскопічну сталу рідини – підвищення нормальної температури кипіння 1 – моляльного розчину нелеткої речовини, яка не дисоціює та не асоціює при розчиненні, по відношенню до відповідної температури кипіння розчинника:

 

. (4.8)

 

Ебуліоскопічна стала – це властивість розчинника, яка не залежить від природи розчиненої речовини і для певної рідини при Р = const є сталою величиною.

Виконання роботи

Мета роботи: визначити залежність температури кипіння рідини від зовнішнього тиску. Розрахувати молярну теплоту випаровування, питому теплоту випаровування, константу Трутона та ебуліоскопічну сталу досліджуваної рідини і порівняти їх з довідниковими даними.

 

Прилад для дослідження залежності температури кипіння рідини від зовнішнього тиску зображено на рис. 6.

 

В колбу 1 кладуть декілька шматочків порцеляни, через шліф для термометра наливають досліджувану рідину і вставляють термометр 2. Колбу розміщують у склянці з водою так, щоб рівень води у склянці був не вищий за рівень рідини у колбі. Підключають колбу до вакуумного насосу, відкачують повітря і зменшують в ній тиск приблизно до 0,2 атм. Перекривають кран на лінії, яка з’єднує колбу з насосом, і вимикають насос. Якщо прилад герметичний, то стрілка манометра 3 тримається на постійному значенні.

Пускають воду в зворотний холодильник 4, запалюють газовий пальник під склянкою з водою і слідкують за рідиною в колбі. Газовий пальник налаштовують так, щоб полум’я було невеликим і нагрівало середню частину дна склянки з водою.

При нагріванні колби 1 спостерігається безперервне утворення краплин рідини, що стікають із зворотного холодильника та термометра. Однак ознакою того, що за умови сталого тиску рідина в колбі кипить, є незмінність температури. Після закипання рідини записують її температуру кипіння і покази манометра (кількість поділок ). Далі обережно відкривають кран, що з’єднує колбу 1 з атмосферою, і збільшують тиск приблизно на 0,05 атм. Коли рідина закипить знову, записують температуру та покази манометра. Таким чином тиск поступово доводять до атмосферного, одержуючи 10 – 15 відповідних значень температури та показів манометра. Останній вимір виконують з відкритим краном, який з’єднує колбу з атмосферою, тобто вимірюють температуру кипіння рідини за атмосферного тиску.

Після закінчення експерименту за барометром визначають тиск в лабораторії .

Тиск , за якого рідина кипить, розраховують за формулою:

 

. (4.9)

 

Результати вимірювань записують в таблицю 4.1 (див. звіт).

Звіт

1. Досліджувана рідина:

г/моль; ⁰С.

2. Дані експерименту:

мм рт. ст.;

Таблиця 4.1 – Експериментальні дані залежності температури кипіння рідини від тиску

Номер виміру	, 0С	, К			, мм рт. ст.
...

 

( обчислюють за рівнянням (4.9). В останньому рядку таблиці записують дані за стандартного тиску).

3. Побудова графіка , на який нанесена нормальна температура кипіння рідини. Якщо експериментальна залежність потрапляє в точку, що відповідає , то експеримент проведений добре.

4. Побудова графіка .

5. Визначення тангенса кута нахилу залежності (див. роботу 3, стор. 23): .

6. Розрахунок експериментального значення молярної теплоти випаровування за (4.3): кДж/моль.

7. Обчислення за довідником теоретичного значення молярної теплоти випаровування за (4.4): кДж/моль.

8. Розрахунок відносної похибки визначення _.: %.

9. Розрахунок питомої теплоти випаровування за (4.5): Дж/г.

10. Обчислення константи Трутона за (4.6):

Дж/(моль×К).

11. Визначення наближеного теоретичного значення константи Трутона за даними довідника за (4.7): Дж/(моль×К).

12. Розрахунок відносної похибки визначення : %.

13. Розрахунок ебуліоскопічної сталої рідини за (4.8): К×кг/моль.

14. Висновок.

 

ЛІТЕРАТУРА: [1, с. 326 – 329; 2, с. 157 – 159; 3, с. 66 – 69; 4, с. 164 – 171; 5, с. 152 – 155; 6, с. 30 – 35; 7, с. 15 – 18].