ODPAROVACIE TEPLO: Z VODY, ETANOLU, ACETÓNU, CYKLOHEXÁNU - CHÉMIA - 2026

Teplo odparovanie alebo entalpia odparovanie je energia, ktorá gram kvapalné látky musia absorbovať v jeho bodu varu, pri konštantnej teplote; to znamená dokončenie prechodu z kvapaliny do plynnej fázy. Zvyčajne sa vyjadruje v jednotkách j / g alebo cal / g; a v kJ / mol, keď sa hovorí o molárnej entalpii vyparovania.

Tento koncept je každodennejší, ako sa zdá. Napríklad veľa strojov, napríklad parných vlakov, pracuje na energii uvoľňovanej vodnou parou. Na povrchu Zeme sa môžu zdvíhať veľké množstvá pary, podobne ako na obrázku nižšie.

Zdroj: Pxhere

Odparovanie potu na pokožke tiež ochladzuje alebo osviežuje v dôsledku straty kinetickej energie; čo sa prejaví poklesom teploty. Pocit sviežosti sa zvyšuje po vetrí vánku, pretože rýchlejšie odstraňuje vodnú paru z kvapiek potu.

Teplo odparovania nezávisí iba od množstva látky, ale aj od jej chemických vlastností; najmä molekulárnej štruktúry a typu prítomných intermolekulárnych interakcií.

Z čoho pozostáva?

Teplo odparovania (ΔH _vap ) je fyzikálna premenná, ktorá odráža kohézne sily kvapaliny. Kohéznymi silami sa rozumejú sily, ktoré držia molekuly (alebo atómy) pohromade v kvapalnej fáze. Napríklad prchavé kvapaliny majú slabé kohézne sily; zatiaľ čo voda je veľmi silná.

Čo je príčinou toho, že jedna kvapalina je viac prchavá ako iná a že v dôsledku toho potrebuje viac tepla, aby sa úplne odparila pri jej teplote varu? Odpoveď spočíva v intermolekulárnych interakciách alebo vo Van der Waalsových silách.

V závislosti od molekulárnej štruktúry a chemickej identity látky sa jej intermolekulárne interakcie líšia, ako aj veľkosť jej kohéznych síl. Aby sa to pochopilo, musia sa analyzovať rôzne látky s rôznymi H _vap .

Priemerná kinetická energia

Kohézne sily v kvapaline nemôžu byť veľmi silné, inak by ich molekuly nevibrovali. Výraz "vibrovanie" sa tu vzťahuje na voľný a náhodný pohyb každej molekuly v tekutine. Niektoré idú pomalšie alebo rýchlejšie ako iné; to znamená, že všetky nemajú rovnakú kinetickú energiu.

Preto hovoríme o priemernej kinetickej energii pre všetky molekuly kvapaliny. Tieto molekuly dostatočne rýchlo dokážu prekonať intermolekulárne sily, ktoré ich držia v tekutine, a uniknú do plynnej fázy; ešte viac, ak sú na povrchu.

Akonáhle prvá molekula M s vysokou kinetickou energiou unikne, keď sa priemerná kinetická energia opäť odhadne, klesá.

Prečo? Pretože čím rýchlejšie molekuly unikajú do plynnej fázy, pomalšie molekuly zostávajú v kvapaline. Vyššia molekulárna pomalosť sa rovná chladeniu.

Tlak vodnej pary

Keď molekuly M unikajú do plynnej fázy, môžu sa vrátiť do kvapaliny; Ak je však kvapalina vystavená prostrediu, nevyhnutne budú mať všetky molekuly tendenciu unikať a hovorí sa, že došlo k odpareniu.

Ak je kvapalina udržiavaná v hermeticky utesnenej nádobe, môže sa vytvoriť rovnováha kvapalina-plyn; to znamená, že rýchlosť, ktorou plynné molekuly opúšťajú, bude rovnaká, s akou vstupujú.

Tlak vyvíjaný molekulami plynu na povrch kvapaliny v tejto rovnováhe je známy ako tlak pary. Ak je nádoba otvorená, tlak bude nižší v porovnaní s tlakom pôsobiacim na kvapalinu v uzavretej nádobe.

Čím vyšší je tlak pary, tým je prchavejšia kvapalina. Keďže sú volatilnejšie, slabšími sú jeho kohézne sily. Preto bude na odparovanie do normálneho bodu varu potrebné menej tepla; to znamená teplota, pri ktorej sa tlak pár a atmosférický tlak rovnajú, 760 torr alebo 1atm.

Odparovacie teplo vody

Molekuly vody môžu tvoriť slávnu vodíkové väzby: H - OH-OH ₂ . Tento špeciálny typ intermolekulárnej interakcie, aj keď slabý, ak vezmete do úvahy tri alebo štyri molekuly, je mimoriadne silný, pokiaľ ide o milióny z nich.

Teplo odparovania vody v jeho bode varu je 2260 J / g alebo 40,7 kJ / mol . Čo to znamená? Aby ste odparili gram vody pri 100 ° C, potrebujete 2260 J (alebo 40,7 kJ na odparenie molu vody, tj okolo 18 g).

Voda pri teplote ľudského tela, 37 ° C, má vyššiu HH _výpary . Prečo? Pretože, ako sa uvádza v jej definícii, voda sa musí zahrievať na 37 ° C, až kým nedosiahne svoj bod varu a úplne sa neodparí; preto je ΔH _vap vyššia (a dokonca vyššia, pokiaľ ide o nízke teploty).

Z etanolu

AH _vap etanolu pri jeho teplote varu je 855 J / g alebo 39,3 kJ / mol. Všimnite si, že je nižšia ako má voda, pretože jeho konštrukcia, CH ₃ CH ₂ OH, možno len ťažko tvoriť vodíkovú väzbu. Stále však patrí medzi tekutiny s najvyššou teplotou varu.

Z acetónu

AH _vap acetónu je 521 J / g alebo 29,1 kJ / mol. Pretože odráža jeho výparné teplo, je oveľa prchavejšou kvapalinou ako voda alebo etanol, a preto vrie pri nižšej teplote (56 ° C).

Prečo? Vzhľadom k tomu, jeho CH ₃ OCH ₃ molekuly nemôžu tvoriť vodíkové väzby a môžu len reagujú cez dipól-dipól sily.

Z cyklohexánu

Pre cyklohexán je jeho AH _vap 358 J / g alebo 30 kJ / mol. Skladá sa z hexagonálne prstenca so vzorcom C ₆ H ₁₂ . Jeho molekuly interagujú prostredníctvom londýnskych rozptylových síl, pretože sú nepolárne a postrádajú dvojpólový moment.

Všimnite si, že hoci je ťažší ako voda (84 g / mol verzus 18 g / mol), súdržné sily sú menšie.

Z benzénu

AH _VAP benzénu, aromatický kruh s hexagonálne vzorcom C ₆ H ₆ , je 395 J / g alebo 30,8 kJ / mol. Podobne ako cyklohexán interaguje prostredníctvom disperzných síl; ale je tiež schopný vytvárať dipóly a premiestňovať povrch kruhov (ak sú ich dvojité väzby delokalizované) na iných.

Toto vysvetľuje, prečo, keďže je nepolárny a nie príliš ťažký, má relatívne vysokú H _vap .

Z toluénu

AH _vap toluénu je dokonca vyššia ako benzén (33,18 kJ / mol). To je spôsobené skutočnosťou, že, okrem vyššie uvedených, svojimi metyl skupín, -CH ₃ Spolupráca v dipólového momentu toluénu; môžu tiež interagovať rozptyľovacími silami.

Z hexánu

A nakoniec, AH _vap hexánu je 335 J / g alebo 28,78 kJ / mol. Jeho štruktúra je CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , to znamená, že lineárne, na rozdiel od cyklohexánu, čo je šesťuholníkový.

Aj keď sa ich molekulové hmotnosti veľmi líšia (86 g / mol vs 84 g / mol), cyklická štruktúra priamo ovplyvňuje spôsob interakcie molekúl. Ako prstenec sú disperzné sily efektívnejšie; na druhej strane sú viac „erodované“ v lineárnej štruktúre hexánu.

Hodnoty ΔH _vap pre hexán sú v rozpore s hodnotami pre acetón. V zásade platí, hexán, pretože má vyššiu teplotu varu (81ºC), by mal mať väčšiu SH _odparky než acetónu, ktorý vrie pri 56ºC.

Rozdiel je v tom, že acetón má vyššiu tepelnú kapacitu ako hexán. To znamená, že na zohriatie gramu acetónu od 30 ° C do 56 ° C a jeho odparenie je potrebné viac tepla, ako sa používa na zahriatie gramu hexánu z 30 ° C na jeho teplotu varu 68 ° C.

Referencie

1. TutorVista. (2018). Entalpia vyparovania. Obnovené z: chemistry.tutorvista.com
2. Chémia LibreTexts. (3. apríla 2018). Výparné teplo. Obnovené z: chem.libretexts.org
3. Dortmundova dátová banka. (SF). Štandardné odparovanie cyklohexánu. Obnovené z: ddbst.com
4. Chickos JS a Acree WE (2003). Entalmy odparovania organických a organokovových zlúčenín, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, zv. 32, č. 2.
5. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, s. 461-464.
6. Khan Academy. (2018). Tepelná kapacita, teplo odparovania a hustota vody. Obnovené z: es.khanacademy.org