Dampfdruck


Dampfdruck (oder Dampfdruck in englischsprachigen Ländern außer den USA; Siehe Rechtschreibunterschiede) oder Gleichgewichtsdampfdruck ist definiert als die Druck ausgeübt von a Dampf in Thermodynamisches Gleichgewicht mit kondensiert Phasen (fest oder flüssig) bei einer bestimmten Temperatur in a geschlossenes System. Der Gleichgewichtsdampfdruck ist ein Hinweis auf eine Flüssigkeit Verdunstung Bewertung. Es bezieht sich auf die Tendenz von Partikeln, der Flüssigkeit (oder einem Feststoff) zu entkommen. Eine Substanz mit einem hohen Dampfdruck bei normalen Temperaturen wird häufig als als bezeichnet flüchtig. Der durch Dampf vorhandene Druck einer flüssigen Oberfläche wird als Dampfdruck bezeichnet. Mit zunehmender Temperatur einer Flüssigkeit nimmt auch die kinetische Energie ihrer Moleküle zu. Wenn die kinetische Energie der Moleküle zunimmt, nimmt die Anzahl der Moleküle, die in einen Dampf übergehen, ebenfalls zu und erhöht damit den Dampfdruck.
Der Dampfdruck einer Substanz erhöht sich nicht linear mit der Temperatur gemäß dem Clausius -Clapeyron -Beziehung. Das Luftdruck Siedepunkt einer Flüssigkeit (auch bekannt als die Normaler Siedepunkt) ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck dem atmosphärischen Umgebungsdruck entspricht. Mit jeder inkrementellen Zunahme dieser Temperatur wird der Dampfdruck ausreichend, um sie zu überwinden Luftdruck und heben Sie die Flüssigkeit an, um Dampfblasen im Großteil der Substanz zu bilden. Blase Die Bildung tiefer in der Flüssigkeit erfordert eine höhere Temperatur aufgrund des höheren Flüssigkeitsdrucks, da der Flüssigkeitsdruck über dem atmosphärischen Druck mit zunehmender Tiefe zunimmt. Wichtiger in geringen Tiefen ist die höhere Temperatur, die erforderlich ist, um die Blasenbildung zu starten. Die Oberflächenspannung der Blasenwand führt zu einem Überdruck in den sehr kleinen, anfänglichen Blasen.
Der Dampfdruck, den eine einzelne Komponente in einer Mischung zum Gesamtdruck des Systems beiträgt Partialdruck. Zum Beispiel hat Luft auf Meereshöhe und mit Wasserdampf bei 20 ° C gesättigt, einen Teildruck von etwa 2,3 kPa Wasser, 78 kPa von Stickstoff-21 kPa von Sauerstoff und 0,9 kPa von Argon, insgesamt 102,2 kPa, was die Grundlage für die Grundlage für Standard atmosphärischer Druck.
Messung und Einheiten
Dampfdruck wird in den Standardeinheiten von gemessen Druck. Das Internationales System der Einheiten (Si) erkennt Druck als a abgeleitete Einheit mit der Dimension der Kraft pro Bereich und bezeichnet die Pascal (PA) als Standardeinheit. Ein Pascal ist eins Newton pro Quadratmeter (N · m–2 oder kg · m–1·s–2).
Die experimentelle Messung des Dampfdrucks ist ein einfaches Verfahren für häufige Drücke zwischen 1 und 200 kPa.[1] Die meisten genauen Ergebnisse werden in der Nähe des Siedepunkts von Substanzen erhalten und große Fehler für Messungen, die kleiner als kleiner sind als 1KPA. Verfahren bestehen häufig darin, die Testsubstanz zu reinigen, in einem Behälter zu isolieren, fremdes Gas zu evakuieren und dann den Gleichgewichtsdruck der gasförmigen Phase der Substanz im Behälter bei verschiedenen Temperaturen zu messen. Es wird eine bessere Genauigkeit erreicht, wenn darauf geachtet wird, dass die gesamte Substanz und der Dampf auf der vorgeschriebenen Temperatur sind. Dies geschieht oft wie bei der Verwendung eines Isotenisiskopdurch Eintauchen des Sicherungsbereichs in einem flüssigen Bad.
Sehr niedrige Dampfdrücke von Festkörpern können mit dem gemessen werden Knudsen -Effusionszelle Methode.
In einem medizinischen Kontext wird der Dampfdruck manchmal in anderen Einheiten ausgedrückt Millimeter Merkur (MMHG). Dies ist wichtig für Volatile AnästhetikDie meisten davon sind Flüssigkeiten bei Körpertemperatur, jedoch mit einem relativ hohen Dampfdruck.
Schätzung des Dampfdrucks mit Antoine -Gleichung
Das Antoine equation[2][3] ist eine pragmatische mathematische Expression der Beziehung zwischen dem Dampfdruck und der Temperatur reiner Flüssigkeit oder fester Substanzen. Es wird durch Kurvenanpassung erhalten und ist an die Tatsache angepasst, dass der Dampfdruck normalerweise zunimmt und konkav als Funktion der Temperatur ist. Die Grundform der Gleichung lautet:
und es kann in diese temperaturexplizite Form umgewandelt werden:
wo:
- ist der absolute Dampfdruck einer Substanz
- ist die Temperatur der Substanz
- , und sind substanzspezifische Koeffizienten (d. H. Konstanten oder Parameter)
- ist normalerweise auch oder [3]
Manchmal wird eine einfachere Form der Gleichung mit nur zwei Koeffizienten verwendet:
Welches kann zu:
Sublimationen und Verdampfungen derselben Substanz haben separate Sätze von Antoine -Koeffizienten, ebenso wie Komponenten in Gemischen.[2] Jeder Parameter, der für eine bestimmte Verbindung eingestellt ist, ist nur über einen bestimmten Temperaturbereich anwendbar. Im Allgemeinen werden Temperaturbereiche ausgewählt, um die Genauigkeit der Gleichung von einigen bis zu 8–10 Prozent aufrechtzuerhalten. Für viele flüchtige Substanzen sind verschiedene Parametersätze verfügbar und für verschiedene Temperaturbereiche verwendet. Die Antoine -Gleichung hat eine schlechte Genauigkeit, wenn ein einzelner Parameter eingestellt ist, wenn er vom Schmelzpunkt einer Verbindung bis zu ihrer kritischen Temperatur verwendet wird. Die Genauigkeit ist auch in der Regel schlecht, wenn der Dampfdruck unter 10 Torr liegt, da die Einschränkungen des Geräts zur Herstellung der Antoine -Parameterwerte verwendet werden.
Die Wagner -Gleichung[4] gibt "einen der besten"[5] Passend für experimentelle Daten, ist aber recht komplex. Es drückt einen verringerten Dampfdruck als Funktion einer verringerten Temperatur aus.
Beziehung zum Siedepunkt von Flüssigkeiten

Als allgemeiner Trend nehmen der Dampfdruck von Flüssigkeiten bei Umgebungstemperaturen mit abnehmenden Siedepunkten zu. Dies wird im Dampfdruckdiagramm (siehe rechts) dargestellt, das Grafiken der zeigt Dampfdrücke im Vergleich zu Temperaturen Für eine Vielzahl von Flüssigkeiten.[6] Am normalen Siedepunkt einer Flüssigkeit entspricht der Dampfdruck dem als 1 Atmosphäre definierten Standard -Atmosphärendruck.[7] 760 Torr, 101.325 KPA oder 14.69595 Psi.
Zum Beispiel bei jeder Temperatur, Methylchlorid hat den höchsten Dampfdruck einer der Flüssigkeiten in der Tabelle. Es hat auch den niedrigsten normalen Siedepunkt bei –24,2 ° C (–11,6 ° F), wobei die Dampfdruckkurve aus Methylchlorid (die blaue Linie) die horizontale Drucklinie einer Atmosphäre (Atmosphäre (Geldautomat) des absoluten Dampfdrucks.
Obwohl die Beziehung zwischen Dampfdruck und Temperatur nichtlinear ist, verwendet das Diagramm eine logarithmische vertikale Achse, um leicht gekrümmte Linien zu erzeugen, sodass ein Diagramm viele Flüssigkeiten grafisch grafisch darstellt. Eine nahezu gerade Linie wird erhalten, wenn der Logarithmus des Dampfdrucks gegen 1/(t + 230) dargestellt wird[8] wobei t die Temperatur in Grad Celsius ist. Der Dampfdruck einer Flüssigkeit an ihrem Siedepunkt entspricht dem Druck ihrer Umgebung.
Flüssige Gemische: Raoultes Gesetz
Raoultes Gesetz gibt eine Annäherung an den Dampfdruck von Gemischen von Flüssigkeiten. Es heißt, dass die Aktivität (Druck oder Flüchtigkeit) einer einphasigen Mischung entspricht der maulwürdigen Summe der Dampfdrücke der Komponenten:
wo ist der Dampfdruck der Mischung, ist der Maulwurfbruchung von Komponente in der flüssigen Phase und ist der Maulwurfbruchung von Komponente in der Dampfphase. ist der Dampfdruck der Komponente . Das Raoult-Gesetz gilt nur für Nichtelektrolyte (ungeladene Arten); Es ist am besten für nichtpolare Moleküle mit nur schwachen intermolekularen Attraktionen (wie z. Londoner Streitkräfte).
Systeme mit Dampfdruck, die höher als in der obigen Formel angegeben sind, sollen positive Abweichungen aufweisen. Eine solche Abweichung deutet auf eine schwächere intermolekulare Anziehung als in den reinen Komponenten hin, so dass die Moleküle als "in der flüssigen Phase" weniger stark als in der reinen Flüssigkeit angesehen werden können. Ein Beispiel ist das Azeotrope von ungefähr 95% Ethanol und Wasser. Da der Dampfdruck des Azeotrops höher ist als durch das Raoult -Gesetz vorhergesagt, kocht er bei einer Temperatur unter der einer der beiden reinen Komponenten.
Es gibt auch Systeme mit negativen Abweichungen mit Dampfdruck, die niedriger sind als erwartet. Eine solche Abweichung ist ein Beweis für eine stärkere intermolekulare Anziehungskraft zwischen den Bestandteilen der Mischung als in den reinen Komponenten. Somit werden die Moleküle in der Flüssigkeit stärker "gehalten", wenn ein zweites Molekül vorhanden ist. Ein Beispiel ist eine Mischung aus Trichlormethan (Chloroform) und 2-Propanon (Aceton), das über dem Siedepunkt der beiden reinen Komponenten kocht.
Die negativen und positiven Abweichungen können verwendet werden, um zu bestimmen Thermodynamische Aktivität Koeffizienten der Komponenten von Gemischen.
Festkörper

Der Gleichgewichtsdampfdruck kann definiert werden, als der Druck erreicht wird, wenn sich eine kondensierte Phase im Gleichgewicht mit eigenem Dampf befindet. Im Falle eines Gleichgewichts Feststoff wie a KristallDies kann als Druck definiert werden, wenn die Rate von Sublimation von einem soliden entspricht der Ablagerungsrate seiner Dampfphase. Für die meisten Feststoffe ist dieser Druck sehr niedrig, aber einige bemerkenswerte Ausnahmen sind Naphthalin, Trockeneis (Der Dampfdruck von Trockeneis beträgt 5,73 MPa (831 psi, 56,5 atm) bei 20 ° C, was dazu führt, dass die meisten versiegelten Behälter brechen) und Eis. Alle festen Materialien haben einen Dampfdruck. Aufgrund ihrer oft extrem niedrigen Werte kann die Messung jedoch ziemlich schwierig sein. Typische Techniken sind die Verwendung von Thermogravimetrie und Gastranspiration.
Es gibt eine Reihe von Methoden zur Berechnung des Sublimationsdrucks (d. H. Den Dampfdruck) eines Feststoffs. Eine Methode besteht darin, den Sublimationsdruck aus extrapolierten Flüssigkeitsdampfdrücken (der superkühlten Flüssigkeit) abzuschätzen, wenn die Schmelzwärme ist bekannt, indem diese bestimmte Form der Clausius -Clapeyron -Beziehung verwendet wird:[9]
wo:
- ist der Sublimationsdruck der festen Komponente bei der Temperatur .
- ist der extrapolierte Dampfdruck der flüssigen Komponente bei der Temperatur .
- ist die Hitze der Fusion.
- ist der Gaskonstante.
- ist die Sublimationstemperatur.
- ist die Schmelzpunkttemperatur.
Diese Methode geht davon aus, dass die Fusionswärme temperaturunabhängig ist, zusätzliche Übergangstemperaturen zwischen verschiedenen festen Phasen ignoriert und eine faire Schätzung für Temperaturen nicht weit vom Schmelzpunkt entfernt ist. Es zeigt auch, dass der Sublimationsdruck niedriger ist als der extrapolierte Flüssigkeitsdampfdruck (ΔFusH > 0) und der Unterschied wächst mit erhöhtem Abstand vom Schmelzpunkt.
Kochpunkt des Wassers
Wie alle Flüssigkeiten kocht Wasser, wenn sein Dampfdruck seinen umgebenden Druck erreicht. In der Natur ist der atmosphärische Druck in höheren Lagen niedriger und Wasser kocht bei einer niedrigeren Temperatur. Die kochende Wassertemperatur für atmosphärische Drücke kann durch die angenähert werden Antoine equation:
oder in diese temperaturexplizite Form transformiert:
wo die Temperatur ist der Siedepunkt in Grad Celsius und der Druck ist in Torr.
Dahrings Regel
Dutzings Regel besagt, dass zwischen den Temperaturen eine lineare Beziehung besteht, bei der zwei Lösungen den gleichen Dampfdruck ausüben.
Beispiele
Die folgende Tabelle ist eine Liste einer Vielzahl von Substanzen, die durch Erhöhen des Dampfdrucks (in absoluten Einheiten) geordnet sind.
Substanz | Dampfdruck | Temperatur (° C) | ||
---|---|---|---|---|
(PA) | (Bar) | (mmhg) | ||
Octaethylenglykol[10] | 9,2 × 10–8 Pa | 9,2 × 10–13 | 6,9 × 10–10 | 89,85 |
Glycerin | 0,4 pa | 0,000004 | 0,003 | 50 |
Quecksilber | 1 pa | 0,00001 | 0,0075 | 41.85 |
Wolfram | 1 pa | 0,00001 | 0,0075 | 3203 |
Xenon -Differenz | 600 pa | 0,006 | 4.50 | 25 |
Wasser (H2Ö) | 2,3 kPa | 0,023 | 17.5 | 20 |
Propanol | 2,4 kPa | 0,024 | 18.0 | 20 |
Methyl -Isobutylketon | 2,66 kPa | 0,0266 | 19.95 | 25 |
Ethanol | 5,83 kPa | 0,0583 | 43.7 | 20 |
Freon 113 | 37,9 kPa | 0,379 | 284 | 20 |
Acetaldehyd | 98,7 kPa | 0,987 | 740 | 20 |
Butan | 220 kPa | 2.2 | 1650 | 20 |
Formaldehyd | 435,7 kPa | 4.357 | 3268 | 20 |
Propan[11] | 997,8 kPa | 9.978 | 7584 | 26.85 |
Carbonylsulfid | 1,255 MPa | 12.55 | 9412 | 25 |
Lachgas[12] | 5.660 MPa | 56.60 | 42453 | 25 |
Kohlendioxid | 5,7 MPa | 57 | 42753 | 20 |
Schätzung des Dampfdrucks aus der molekularen Struktur
Es gibt verschiedene empirische Methoden, um den Dampfdruck aus der molekularen Struktur für organische Moleküle abzuschätzen. Einige Beispiele sind Simpol.1 -Methode,[13] Die Methode von Moller et al.,,[9] und Verdunstung (Schätzung des Dampfdrucks von organischen Stücken, Berücksichtigung von Temperaturen, intramolekularen und Nichtadditivitätseffekten).[14][15]
Bedeutung in der Meteorologie
Im Meteorologie, der Begriff Dampfdruck wird verwendet, um den Teildruck von zu bedeuten Wasserdampf in der Atmosphäre, auch wenn es nicht im Gleichgewicht ist,[16] und die Gleichgewichtsdampfdruck wird ansonsten angegeben. Meteorologen verwenden auch den Begriff Sättigungsdampfdruck sich auf den Gleichgewichtsdampfdruck des Wassers beziehen oder Sole über einer flachen Oberfläche, um es vom Gleichgewichtsdampfdruck zu unterscheiden, was die Form und Größe von Wassertröpfchen und Partikeln in der Atmosphäre berücksichtigt.[17]
Siehe auch
- Dampfdruck des Wassers
- Absolute Feuchtigkeit
- Antoine equation
- Lee -Kesler -Methode
- Raoultes Gesetz: Dampfdruckabsenkung in Lösung
- Reid vapor pressure
- Relative Luftfeuchtigkeit
- Relative Volatilität
- Sättigungsdampfdichte
- Osmotischer Koeffizient
- Dreifacher Punkt
- Wahrer Dampfdruck
- Dampf -Fliquid -Gleichgewicht
- Dampfdruck der Elemente (Datenseite)
Verweise
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