ТОПЛИНА НА ИЗПАРЯВАНЕ: ОТ ВОДА, ЕТАНОЛ, АЦЕТОН, ЦИКЛОХЕКСАН - ХИМИЯ - 2025

В изпаряване топлина или специфична топлина на изпарение е енергията, която грам течно вещество трябва да се абсорбира в неговата точка на кипене при постоянна температура; тоест да завърши прехода от течната към газовата фаза. Обикновено се изразява в единици j / g или cal / g; и в kJ / mol, когато говорим за моларната енталпия на изпаряването.

Тази концепция е по-ежедневна, отколкото изглежда. Например много машини, като парни влакове, работят върху енергията, отделена от водни пари. Големи маси пари могат да се видят нарастващи на небето на земната повърхност, като тези на изображението по-долу.

Източник: Pxhere

Също така изпаряването на потта върху кожата охлажда или освежава поради загубата на кинетична енергия; което се превръща в спад на температурата. Усещането за свежест се засилва, когато духа полъхът, тъй като по-бързо отстранява водната пара от капките пот.

Топлината на изпаряването зависи не само от количеството на веществото, но и от неговите химични свойства; особено на молекулярната структура и вида на присъстващите междумолекулни взаимодействия.

От какво се състои тя?

Топлината на изпаряването (ΔH _vap) е физическа променлива, която отразява кохезионните сили на течността. Под кохезионни сили се разбират тези, които държат молекули (или атоми) заедно в течната фаза. Летливите течности например имат слаби сили на сближаване; докато тези на водата са много силни.

Каква е причината една течност да е по-летлива от друга и че в резултат на това се нуждае от повече топлина, за да се изпари напълно в точката на кипене? Отговорът се крие в междумолекулните взаимодействия или силите на Ван дер Ваалс.

В зависимост от молекулната структура и химическата идентичност на веществото, междумолекулните му взаимодействия варират, както и големината на неговите кохезионни сили. За да се разбере това, трябва да се анализират различни вещества с различен ΔH _vap.

Средна кинетична енергия

Силите на сближаване в една течност не могат да бъдат много силни, в противен случай молекулите й няма да вибрират. Тук "вибрация" се отнася до свободното и произволно движение на всяка молекула в течността. Някои отиват по-бавно или по-бързо от други; тоест не всички имат една и съща кинетична енергия.

Затова говорим за средна кинетична енергия за всички молекули на течността. Тези молекули достатъчно бързо ще могат да преодолеят междумолекулните сили, които го държат в течността, и ще избягат в газообразната фаза; още повече, ако са на повърхността.

След като първата молекула М с висока кинетична енергия избяга, когато средната кинетична енергия се оцени отново, тя намалява.

Защо? Тъй като колкото по-бързи молекули избягат в газовата фаза, толкова по-бавните остават в течността. По-високата молекулна бавност се равнява на охлаждането.

Парно налягане

Докато М молекулите избягат в газовата фаза, те могат да се върнат към течността; Ако обаче течността е изложена на околната среда, неизбежно всички молекули ще са склонни да избягат и се казва, че е имало изпарение.

Ако течността се съхранява в херметически затворен съд, може да се установи равновесие между течност и газ; тоест скоростта, с която газовите молекули напускат, ще бъде същата, с която влизат.

Налягането, упражнявано от газовите молекули върху повърхността на течността в това равновесие, е известно като налягане на парата. Ако контейнерът е отворен, налягането ще бъде по-ниско в сравнение с това, действащо върху течността в затворения контейнер.

Колкото по-високо е налягането на парата, толкова по-летлива е течността. Колкото по-изменчив е, толкова по-слаби са неговите сили на сближаване. И следователно ще е необходима по-малко топлина, за да се изпари до нормалната си точка на кипене; тоест температурата, при която налягането на парата и атмосферното налягане са равни, 760 тора или 1 атм.

Топлина от изпаряване на водата

Водните молекули могат да образуват известните водородни връзки: H - O - H-OH ₂. Този специален тип междумолекулно взаимодействие, макар и слаб, ако вземете предвид три или четири молекули, е изключително силен, когато става дума за милиони от тях.

Топлината на изпаряване на водата в нейната точка на кипене е 2260 J / g или 40,7 kJ / mol. Какво означава? За да изпарите грам вода при 100ºC, ви трябват 2260J (или 40,7kJ, за да се изпари мол вода, тоест около 18 g).

Водата при телесна температура на човека, 37ºC, има по- висок ΔH _vap. Защо? Защото, както казва дефиницията му, водата трябва да се нагрява до 37ºC, докато достигне своята точка на кипене и се изпари напълно; следователно ΔH _vap е по-висок (и дори по-висок, когато става дума за студени температури).

От етанол

ΔH _vap на етанол в неговата точка на кипене е 855 J / g или 39,3 kJ / mol. Забележете, че е по-малък от този на водата, тъй като неговата структура, CH ₃ CH ₂ OH, едва ли може да образува водородна връзка. Тя обаче продължава да се нарежда сред течностите с най-високи температури на кипене.

От ацетон

ΔH _vap на ацетон е 521 J / g или 29,1 kJ / mol. Тъй като отразява топлината си на изпаряване, тя е много по-летлива течност от водата или етанола и затова кипи при по-ниска температура (56 ° C).

Защо? Поради неговите СН ₃ ОСН ₃ молекули не могат да образуват водородни връзки и може само да взаимодействат чрез дипол-дипол сили.

От циклохексан

За циклохексана неговият ΔH _vap е 358 J / g или 30 kJ / mol. Състои се от шестоъгълен пръстен с формула C ₆ H ₁₂. Молекулите му взаимодействат чрез силите на разсейване в Лондон, тъй като са аполярни и им липсва диполен момент.

Обърнете внимание, че въпреки че е по-тежък от водата (84 g / mol срещу 18 g / mol), неговите кохезионни сили са по-ниски.

От бензол

В АН _VAP бензол, ароматен шестоъгълна пръстен с формула С ₆ Н ₆, е 395 J / г или 30,8 кДж / мол. Подобно на циклохексана, той взаимодейства чрез дисперсионни сили; но той също е способен да образува диполи и да премества повърхността на пръстените (където двойните им връзки са делокализирани) върху други.

Това обяснява защо, тъй като е аполарен и не е много тежък, той има относително висок ΔH _vap.

От толуен

ΔH _vap на толуен е дори по-висок от този на бензола (33,18 kJ / mol). Това се дължи на факта, че, в допълнение към споменатите по-горе, неговите метилови групи, -СН ₃ Сътрудничество в диполен момент на толуен; също така, те могат да взаимодействат чрез силите на дисперсия.

От хексан

И накрая, ΔH _vap на хексан е 335 J / g или 28.78 kJ / mol. Неговата структура е СН ₃ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₂ СН ₃, тоест линейна, за разлика от тази на циклохексан, който е шестоъгълна.

Въпреки че молекулните им маси се различават много малко (86 g / mol спрямо 84 g / mol), цикличната структура влияе директно върху начина, по който взаимодействат молекулите. Като пръстен, дисперсионните сили са по-ефективни; от друга страна, те са по-„заблудени“ в линейната структура на хексана.

Стойностите на ΔH _vap за хексан противоречат на тези за ацетон. По принцип хексанът, тъй като има по-висока точка на кипене (81ºC), трябва да има по- голям ΔH _vap от ацетона, който кипи при 56ºC.

Разликата е, че ацетонът има по-висок топлинен капацитет от хексана. Това означава, че за загряване на грам ацетон от 30 ° С до 56 ° С и изпаряването му е необходима повече топлина, отколкото се използва за загряване на грам хексан от 30 ° С до точката на кипене от 68 ° С.

Препратки

1. TutorVista. (2018). Енталпия на изпаряването. Възстановени от: chemistry.tutorvista.com
2. Химия LibreTexts. (3 април 2018 г.). Топлина на изпаряване. Възстановено от: chem.libretexts.org
3. Дортмундска банка данни. (SF). Стандартна топлина на изпаряване на циклохексан. Възстановени от: ddbst.com
4. Chickos JS & Acree WE (2003). Енталпии на изпаряване на органични и органичнометални съединения, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, том 32, № 2.
5. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 461-464.
6. Академия Хан. (2018). Топлинен капацитет, топлина на изпаряване и плътност на водата. Възстановено от: es.khanacademy.org