ТЕПЛОТА ИСПАРЕНИЯ: ИЗ ВОДЫ, ЭТАНОЛА, АЦЕТОНА, ЦИКЛОГЕКСАНА. - ХИМИЯ - 2025

Теплота испарения или энтальпия испарения является энергия , которая грамма жидкого вещества должны поглощать на своей точке кипения при постоянной температуре; то есть завершить переход из жидкой фазы в газовую. Обычно он выражается в единицах дж / г или кал / г; и в кДж / моль, когда говорят о молярной энтальпии парообразования.

Эта концепция более повседневная, чем кажется. Например, многие машины, такие как паровозы, работают на энергии, выделяемой водяным паром. Можно увидеть большие массы пара, поднимающиеся к небу над поверхностью Земли, как на изображении ниже.

Источник: Pxhere

Кроме того, испарение пота на коже охлаждает или освежает из-за потери кинетической энергии; что приводит к падению температуры. Ощущение свежести усиливается, когда дует ветер, так как он быстрее удаляет водяной пар из капель пота.

Теплота испарения зависит не только от количества вещества, но и от его химических свойств; особенно молекулярной структуры и типа присутствующих межмолекулярных взаимодействий.

Из чего он состоит?

Теплота испарения (ΔH _vap ) - это физическая переменная, отражающая силы сцепления жидкости. Под силами когезии понимаются силы, удерживающие вместе молекулы (или атомы) в жидкой фазе. Например, летучие жидкости обладают слабыми силами сцепления; в то время как воды очень сильны.

В чем причина того, что одна жидкость более летучая, чем другая, и что в результате ей требуется больше тепла, чтобы полностью испариться при температуре кипения? Ответ кроется в межмолекулярных взаимодействиях или силах Ван-дер-Ваальса.

В зависимости от молекулярной структуры и химической идентичности вещества меняются его межмолекулярные взаимодействия, а также величина его сил сцепления. Чтобы понять это, необходимо проанализировать разные вещества с разной ΔH _vap .

Средняя кинетическая энергия

Силы сцепления внутри жидкости не могут быть очень сильными, иначе ее молекулы не будут вибрировать. Здесь «вибрация» относится к свободному и случайному движению каждой молекулы в жидкости. Некоторые идут медленнее или быстрее других; то есть не все они имеют одинаковую кинетическую энергию.

Поэтому мы говорим о средней кинетической энергии для всех молекул жидкости. Эти достаточно быстрые молекулы смогут преодолеть межмолекулярные силы, удерживающие их в жидкости, и уйдут в газовую фазу; тем более, если они на поверхности.

Как только первая молекула M с высокой кинетической энергией ускользает, при повторной оценке средней кинетической энергии она уменьшается.

Зачем? Потому что, когда более быстрые молекулы уходят в газовую фазу, более медленные остаются в жидкости. Более высокая молекулярная медленность равняется охлаждению.

Давление газа

Когда молекулы M уходят в газовую фазу, они могут вернуться в жидкость; Однако, если жидкость подвергается воздействию окружающей среды, неизбежно все молекулы будут стремиться улетучиться, и говорят, что произошло испарение.

Если жидкость находится в герметично закрытом контейнере, можно установить равновесие жидкость-газ; то есть скорость, с которой молекулы газа покидают, будет такой же, с которой они входят.

Давление, оказываемое молекулами газа на поверхность жидкости в этом равновесии, известно как давление пара. Если контейнер открыт, давление будет ниже, чем давление, действующее на жидкость в закрытом контейнере.

Чем выше давление пара, тем более летучая жидкость. Чем более непостоянны, тем слабее его силы сплоченности. И поэтому для его испарения до нормальной точки кипения потребуется меньше тепла; то есть температура, при которой давление пара и атмосферное давление равны 760 торр или 1 атм.

Теплота испарения воды

Молекулы воды могут образовывать знаменитые водородные связи: H - O - H-OH ₂ . Этот особый тип межмолекулярного взаимодействия, хотя и слабый, если учесть три или четыре молекулы, чрезвычайно силен, когда речь идет о миллионах из них.

Теплота испарения воды при ее температуре кипения составляет 2260 Дж / г или 40,7 кДж / моль . Что это означает? То есть, чтобы испарить грамм воды при 100ºC, вам понадобится 2260 Дж (или 40,7 кДж для испарения моля воды, то есть около 18 г).

Вода при температуре человеческого тела 37 ° _C имеет более высокий ΔH _vap . Зачем? Потому что, как гласит определение, вода должна быть нагрета до 37ºC, пока она не достигнет точки кипения и не испарится полностью; поэтому ΔH _vap выше (и даже выше, когда речь идет о низких температурах).

Из этанола

ΔH _пар этанола при его температуре кипения составляет 855 Дж / г или 39,3 кДж / моль. Обратите внимание, что он уступает воде, потому что его структура, CH ₃ CH ₂ OH, вряд ли может образовывать водородную связь. Однако он продолжает относиться к жидкостям с наивысшими температурами кипения.

Из ацетона

ΔH _пар ацетона составляет 521 Дж / г или 29,1 кДж / моль. Поскольку он отражает свою теплоту испарения, это гораздо более летучая жидкость, чем вода или этанол, и поэтому кипит при более низкой температуре (56 ° C).

Зачем? Потому что его молекулы CH ₃ OCH ₃ не могут образовывать водородные связи и могут взаимодействовать только посредством диполь-дипольных сил.

Циклогексана

Для циклогексана его ΔH _пар составляет 358 Дж / г или 30 кДж / моль. Он состоит из шестиугольного кольца с формулой C ₆ H ₁₂ . Его молекулы взаимодействуют посредством лондонских сил рассеяния, поскольку они неполярны и не имеют дипольного момента.

Обратите внимание, что хотя он тяжелее воды (84 г / моль против 18 г / моль), его силы сцепления ниже.

Бензола

ΔH _пар бензола, ароматического гексагонального кольца с формулой C ₆ H ₆ , составляет 395 Дж / г или 30,8 кДж / моль. Подобно циклогексану, он взаимодействует посредством дисперсионных сил; но он также способен образовывать диполи и перемещать поверхность колец (где их двойные связи делокализованы) на других.

Это объясняет, почему, будучи неполярным и не очень тяжелым, он имеет относительно высокий ΔH _vap .

Из толуола

ΔH _пар толуола даже выше, чем у бензола (33,18 кДж / моль). Это связано с тем, что, помимо вышеупомянутого, его метильные группы –CH ₃ взаимодействуют по дипольному моменту толуола; также они могут взаимодействовать за счет дисперсионных сил.

Гексана

И, наконец, ΔH _пар гексана составляет 335 Дж / г или 28,78 кДж / моль. Его структура является CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , то есть линейной, в отличие от циклогексана, который является гексагональным.

Хотя их молекулярные массы очень мало различаются (86 г / моль против 84 г / моль), циклическая структура напрямую влияет на способ взаимодействия молекул. Поскольку это кольцо, дисперсионные силы более эффективны; с другой стороны, они более «ошибочны» в линейной структуре гексана.

Значения ΔH _vap для гексана противоречат значениям для ацетона. В принципе, гексан, поскольку он имеет более высокую температуру кипения (81 ° C), должен иметь более _{высокую} ΔH _паров, чем ацетон, который кипит при 56 ° C.

Разница в том, что ацетон имеет более высокую теплоемкость, чем гексан. Это означает, что для нагревания грамма ацетона с 30 ° C до 56 ° C и его испарения требуется больше тепла, чем используется для нагрева грамма гексана с 30 ° C до его точки кипения 68 ° C.

Ссылки

1. TutorVista. (2018). Энтальпия испарения. Получено с: chemistry.tutorvista.com
2. Химия LibreTexts. (3 апреля 2018 г.). Теплота испарения. Получено с: chem.libretexts.org
3. Дортмундский банк данных. (SF). Стандартная теплота испарения циклогексана. Получено с: ddbst.com
4. Chickos JS и Acree WE (2003 г.). Энтальпии испарения органических и металлоорганических соединений, 1880-2002 гг. Справочные данные J. Phys. Chem., Том 32, № 2.
5. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 461-464.
6. Ханская академия. (2018). Теплоемкость, теплота парообразования и плотность воды. Получено с: es.khanacademy.org