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• Conseil

Avez-vous déjà laissé une bouteille d'eau au soleil pendant quelques heures, puis ouvert le couvercle et entendu un petit «pop»? Ce son est dû la pression de vapeur dans le flacon de cause. En chimie, la pression de vapeur est la pression agissant sur la paroi d'un récipient fermé lorsque le liquide dans le récipient s'évapore (se transforme en gaz). Pour trouver la pression de vapeur à une température connue, utilisez l'équation de Clausius-Clapeyron: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)).

Pas

Méthode 1 sur 3: Utilisez l'équation de Clausius-Clapeyron

1. 

   Écrivez l'équation de Clausius-Clapeyron. Lorsque l'on considère l'évolution de la pression de vapeur dans le temps, la formule de calcul de la pression de vapeur est l'équation de Clausius-Clapeyron (du nom des physiciens Rudolf Clausius et Benoît Paul Émile Clapeyron). Il s'agit d'une formule couramment utilisée pour résoudre les problèmes courants de pression de vapeur en physique et en chimie. La formule s'écrit comme suit: ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1)). Dans cette formule, les variables représentent:
   • ΔH_vap: Enthalpie d'évaporation des liquides. Cette valeur se trouve dans le tableau à la fin d'un manuel de chimie.
   • R: Constante du gaz parfait et égale à 8 314 J / (K × Mol).
   • T1: Température à laquelle la pression de vapeur est connue (température initiale).
   • T2: La température à laquelle la pression de vapeur est requise (température finale).
   • P1 et P2: La pression de vapeur correspondante aux températures T1 et T2.

2. 

   
   
   Remplacez les valeurs connues des variables. L'équation de Clausius-Clapeyron semble assez compliquée car il existe de nombreuses variables différentes, mais ce n'est pas trop difficile si le problème fournit suffisamment d'informations. Les problèmes de pression de vapeur les plus élémentaires vous donneront deux valeurs de température et une valeur de pression ou deux valeurs de pression et une valeur de température - une fois que vous avez ces données, c'est facile à résoudre.
   • Par exemple, supposons que le problème soit pour un récipient de liquide à 295 K et avec une pression de vapeur de 1 atmosphère (atm). La question est: Quelle est la pression de vapeur à une température de 393 K? Nous avons deux valeurs pour la température et une pour la pression, il est donc possible de résoudre la pression restante en utilisant l'équation de Clausius-Clapeyron. En mettant des valeurs dans des variables, nous avons ln (1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1/393) - (1/295)).
   • Pour l'équation de Clausius-Clapeyron, il faut toujours utiliser une valeur de température Kelvin. Vous pouvez utiliser n'importe quelle valeur de pression, à condition qu'elle soit dans les mêmes unités pour P1 et P2.

3. 

   
   
   Remplacez les constantes. L'équation de Clausius-Clapeyron a deux constantes: R et ΔH_vap. R est toujours égal à 8 314 J / (K × Mol). Cependant, ΔH_vap (enthalpie volatile) dépend du type de liquide de vaporisation donné par le problème. Cela dit, vous pouvez rechercher les valeurs ΔH_vap d'une variété de substances à la fin d'un manuel de chimie ou de physique, ou recherchez-le en ligne (par exemple ici.)
   • Dans l'exemple ci-dessus, supposons que le liquide est eau pure. Si chercher dans la valeur de table H_vapNous avons ΔH_vap d'eau purifiée est d'environ 40,65 kJ / mol. Puisque la valeur H utilise des unités joul, nous devons la convertir en 40 650 J / mol.
   • En mettant des constantes dans l'équation, nous avons ln (1 / P2) = (40 650/8 314) ((1/393) - (1/295)).

4. 

   
   
   Résous l'équation. Après avoir inséré toutes les valeurs dans les variables de l'équation, à l'exception de la variable que nous calculons, continuez à résoudre l'équation selon le principe algébrique habituel.
   • Le point le plus difficile lors de la résolution de l'équation (ln (1 / P2) = (40 650/8 314) ((1/393) - (1/295))) est le traitement de la fonction logarithmique naturelle (ln). Pour éliminer la fonction logarithmique naturelle, utilisez les deux côtés de l'équation comme exposant de la constante mathématique e. En d'autres termes, ln (x) = 2 → e = e → x = e.
   • Maintenant, résolvons l'équation de l'exemple:
   • ln (1 / P2) = (40 650/8 314) ((1/393) - (1/295))
   • ln (1 / P2) = (4 889,34) (- 0,00084)
   • (1 / P2) = e
   • 1 / P2 = 0,0165
   • P2 = 0,0165 = 60,76 atm. Cette valeur est raisonnable - dans un récipient fermé, lorsque la température est augmentée de près de 100 degrés (à une température d'environ 20 degrés au-dessus du point d'ébullition de l'eau), il y a beaucoup de vapeur générée, donc la pression augmentera beaucoup.
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Méthode 2 sur 3: Trouvez la pression de vapeur de la solution dissoute

1. 

   Écrivez la loi de Raoult. En fait, nous travaillons rarement avec des liquides purs - souvent nous devons travailler avec des mélanges de nombreuses substances différentes. Certains mélanges courants sont créés en dissolvant une petite quantité d'un produit chimique appelé soluté dans une grande quantité d'autres produits chimiques appelés Solvant former Solution. Dans ce cas, nous devons connaître l'équation de la loi de Raoult (du nom du physicien François-Marie Raoult), qui ressemble à ceci: P_Solution= P_SolvantX_Solvant. Dans cette formule, les variables représentent:
   • P_Solution: Pression de vapeur de toutes les solutions (tous les composants de la solution)
   • P_Solvant: Tension de vapeur de solvant
   • X_Solvant: Fraction molaire du solvant.
   • Ne vous inquiétez pas si vous ne connaissez pas déjà le terme «partie molaire» - nous vous l'expliquerons dans les étapes suivantes.

2. 

   Distinguer les solvants et les solvants en solution. Avant de calculer la pression de vapeur d'une solution, vous devez identifier les substances données par le problème. Notez qu'une solution se forme lorsqu'un solvant est dissous dans un solvant - le produit chimique dissous est toujours un soluté, et le produit chimique qui fait le travail est le solvant.
   • Dans cette section, nous prendrons un exemple simple pour illustrer les concepts ci-dessus. Supposons que nous voulions trouver la pression de vapeur de la solution de sirop. Habituellement, le sirop est préparé à partir d'une partie de sucre dissous dans une partie d'eau, d'où nous disons le sucre est un soluté et l'eau est un solvant.
   • Remarque: la formule chimique du saccharose (sucre granulé) est C₁₂H₂₂O₁₁. Vous trouverez cette information très importante.

3. 

   Trouvez la température de la solution. Comme nous le voyons dans la section Clausius Clapeyron susmentionnée, la température du liquide affectera sa pression de vapeur. En général, plus la température est élevée, plus la pression de vapeur est élevée - à mesure que la température augmente, plus le liquide s'évapore et augmente la pression dans le récipient.
   • Dans cet exemple, supposons que la température actuelle du sirop soit 298 K (environ 25 C).

4. 

   Trouvez la pression de vapeur du solvant. Les références chimiques donnent généralement des valeurs de pression de vapeur pour de nombreuses substances et mélanges courants, mais généralement uniquement pour des valeurs de pression à 25 ° C / 298 K ou à la température du point d'ébullition. Si votre solution a cette température, vous pouvez utiliser une valeur de référence, sinon vous devez trouver la pression de vapeur à la température initiale de la solution.
   • L'équation de Clausius-Clapeyron peut aider ici, en utilisant la pression et la température de 298 K (25 C) pour P1 et T1.
   • Dans cet exemple, le mélange a une température de 25 ° C, nous pouvons donc utiliser une table de correspondance. On voit de l'eau à 25 ° C avec une pression de vapeur de 23,8 mmHg

5. 

   Trouvez la fraction molaire du solvant. La dernière chose que vous devez faire avant de résoudre les résultats est de trouver la fraction molaire du solvant. C'est assez simple: il suffit de convertir les ingrédients en moles, puis de trouver le pourcentage de chacune des moles totales du mélange. En d'autres termes, la partie molaire de chaque composant est égale (nombre de moles du mélange) / (moles totales du mélange).
   • Supposons que la recette du sirop soit 1 litre (L) d'eau et 1 litre de saccharose (sucre). Ensuite, nous devons trouver les grains de beauté de chaque ingrédient. Pour ce faire, nous allons trouver les masses de chaque composant, puis utiliser la masse molaire de ces composants pour calculer les grains de beauté.
   • Poids (1 L d'eau): 1000 grammes (g)
   • Poids (1 L de sucre brut): environ 1056,7 g
   • Nombre de moles (eau): 1000 grammes × 1 mol / 18,015 g = 55,51 mol
   • Moles (sucre): 1056,7 grammes × 1 mol / 342,2965 g = 3,08 mol (Notez que vous pouvez trouver la masse molaire de sucre à partir de sa formule chimique, C₁₂H₂₂O₁₁.)
   • Nombre total de moles: 55,51 + 3,08 = 58,59 moles
   • Fraction molaire d'eau: 55,51 / 58,59 = 0,947

6. 

   Résolvez les résultats de la recherche. Enfin, nous avons suffisamment de données pour résoudre l'équation de Raoult. C'est très simple: branchez les valeurs dans les variables de l'équation du théorème de Raoult mentionnée au début de cette section (P_Solution = P_SolvantX_Solvant).
   • En substituant les valeurs, nous avons:
   • P_Solution = (23,8 mmHg) (0,947)
   • P_Solution = 22,54 mmHg. Ce résultat est raisonnable - en termes molaires, seul un peu de sucre se dissout dans beaucoup d'eau (bien que ces deux soient en fait le même volume), donc la pression de vapeur ne baissera que légèrement.
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Méthode 3 sur 3: Trouver la pression de vapeur dans des cas particuliers

1. 

   Identifier les conditions de pression et de température standard. Les scientifiques utilisent souvent une paire de valeurs de pression et de température comme conditions «par défaut». Ces valeurs sont appelées pression et température standard (désignées collectivement sous le nom de condition standard ou DKTC). Les problèmes de pression de vapeur se réfèrent souvent au DKTC, vous devez donc mémoriser ces valeurs pour plus de commodité. DKTC est défini comme:
   • Température: 273,15 K / 0 C / 32 F
   • Pression: 760 mmHg / 1 atm / 101325 kilopascals

2. 

   Passez à l'équation de Clausius-Clapeyron pour trouver d'autres variables. Dans l'exemple de la partie 1, on voit que l'équation de Clausius-Clapeyron est très efficace pour calculer la pression de vapeur de substances pures. Cependant, tous les problèmes ne nécessitent pas de trouver P1 ou P2, mais souvent ils demandent même de trouver la température ou même la valeur ΔH._vap. Dans ce cas, pour trouver la réponse, il vous suffit de changer l'équation pour que la variable souhaitée se trouve d'un côté de l'équation et que toutes les autres variables soient de l'autre côté.
   • Par exemple, supposons qu'il existe un liquide inconnu avec une pression de vapeur de 25 torr à 273 K et 150 torr à 325 K, et que l'on souhaite trouver l'enthalpie volatile de ce liquide (ΔH_vap). Nous pouvons résoudre les problèmes suivants:
   • ln (P1 / P2) = (ΔH_vap/ R) ((1 / T2) - (1 / T1))
   • (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = (ΔH_vap/ R)
   • R × (ln (P1 / P2)) / ((1 / T2) - (1 / T1)) = ΔH_vap. Remplaçons maintenant les valeurs:
   • 8 314 J / (K × Mol) × (-1,79) / (- 0,00059) = ΔH_vap
   • 8 314 J / (K × Mol) × 3 033,90 = ΔH_vap = 25 223,83 J / mol

3. 

   Tenez compte de la pression de vapeur du soluté lors de son évaporation. Dans l'exemple ci-dessus de la loi de Raoult, notre soluté est le sucre, donc il ne s'évapore pas tout seul à température ambiante (vous pensez avoir déjà vu un bol de sucre s'évaporer?). Cependant, lorsque la substance se dissout vraiment S'il s'évapore, cela affectera la pression de vapeur générale de la solution. Nous calculons cette pression en utilisant l'équation variable de la loi de Raoult: P_Solution = Σ (P_ingrédientX_ingrédient). Le symbole (Σ) signifie que nous devons additionner toutes les pressions de vapeur des différents composants pour trouver une réponse.
   • Par exemple, disons que nous avons une solution composée de deux produits chimiques: le benzène et le toluène. Le volume total de la solution est de 120 ml; 60 mL de benzène et 60 mL de toluène. La température de la solution est de 25 ° C et la pression de vapeur de chaque composant chimique à 25 ° C est de 95,1 mmHg pour le benzène et de 28,4 mmHg pour le toluène. Pour les valeurs données, trouvez la pression de vapeur de la solution. Nous pouvons résoudre le problème en utilisant la densité, la masse molaire et la pression de vapeur des deux produits chimiques:
   • Volume (benzène): 60 ml = 0,06 L × 876,50 kg / 1000 L = 0,053 kg = 53 grammes
   • Poids (toluène): 0,06 L × 866,90 kg / 1000 L = 0,052 kg = 52 grammes
   • Nombre de moles (benzène): 53 g × 1 mol / 78,11 g = 0,679 mol
   • Nombre de moles (toluène): 52 g × 1 mol / 92,14 g = 0,564 mol
   • Nombre total de moles: 0,679 + 0,564 = 1,243
   • Fraction molaire (benzène): 0,679 / 1,243 = 0,546
   • Fraction molaire (toluène): 0,564 / 1,243 = 0,454
   • Résoudre les résultats: P_Solution = P_benzèneX_benzène + P_toluèneX_toluène
   • P_Solution = (95,1 mmHg) (0,546) + (28,4 mmHg) (0,454)
   • P_Solution = 51,92 mmHg + 12,89 mmHg = 64,81 mmHg
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Conseil

• Pour utiliser l'équation de Clausius Clapeyron ci-dessus, vous devez convertir la température en unités Kevin (notées K). Si vous avez la température en degrés Celsius, changez-la avec la formule suivante: T_k = 273 + T_c
• Vous pouvez appliquer les méthodes ci-dessus car l'énergie est proportionnelle à la quantité de chaleur fournie. La température du liquide est le seul facteur environnemental qui affecte la pression de vapeur.