Jak najít bod varu směsi: Podrobné vysvětlení

Bod varu sloučeniny je teplota, při které se mění z kapaliny na plyn, a je to důležitá fyzikální vlastnost, kterou je třeba vzít v úvahu v různých oblastech, jako je chemie, fyzika a inženýrství. Pochopení toho, jak najít bod varu sloučeniny, nám umožňuje předvídat její chování za různých podmínek a vyhodnotit její vhodnost pro různé aplikace. V tomto blogovém příspěvku prozkoumáme faktory, které ovlivňují bod varu sloučeniny, probereme různé metody stanovení bodů varu a poskytneme praktické příklady a aplikace.

Faktory ovlivňující bod varu sloučeniny

Mezimolekulární síly a jejich vliv na bod varu

Jedním z klíčových faktorů, které ovlivňují bod varu sloučeniny, je síla jejích mezimolekulárních sil. Mezimolekulární síly jsou přitažlivé síly, které existují mezi molekulami a ovlivňují jejich fyzikální vlastnosti. Sloučeniny se silnějšími mezimolekulárními silami mají obecně vyšší body varu, protože k překonání těchto sil a přeměně sloučeniny z kapaliny na plyn je zapotřebí více energie.

Uvažujme například vodu (H2O) a metan (CH4). Molekuly vody mají vodíkové vazby, což je silná intermolekulární síla, zatímco molekuly metanu mají pouze slabé londýnské disperzní síly. Výsledkem je, že voda má bod varu 100 stupňů Celsia, zatímco metan má bod varu -161 stupňů Celsia. Silnější mezimolekulární síly ve vodě vyžadují více tepelné energie k přerušení vodíkových vazeb a odpaření kapaliny.

Molekulární struktura a její role při určování bodu varu

Molekulární struktura sloučeniny také hraje významnou roli při určování jejího bodu varu. Sloučeniny s většími a složitějšími molekulami mívají vyšší body varu ve srovnání se sloučeninami s menšími a jednoduššími molekulami. Je to proto, že větší molekuly mají větší povrch a více příležitostí pro mezimolekulární přitažlivosti, což vede k silnějším mezimolekulárním silám a vyšším bodům varu.

Srovnejme například metan (CH4) a ethan (C2H6). Ethan má větší a složitější strukturu než metan, se dvěma atomy uhlíku spojenými dohromady. Díky tomu má etan vyšší bod varu (-89 stupňů Celsia) ve srovnání s metanem (-161 stupňů Celsia).

Vliv iontových a kovalentních vazeb na bod varu

Typ vazby přítomné ve sloučenině také ovlivňuje její bod varu. Iontové sloučeniny, které se skládají z kladně a záporně nabitých iontů, mají tendenci mít vyšší body varu ve srovnání s kovalentními sloučeninami, které se skládají z molekul držených pohromadě sdílenými elektrony. Je to proto, že iontové sloučeniny mají silnější elektrostatické přitažlivosti mezi ionty, což vyžaduje více energie k rozbití vazeb a jejich přeměně na plyny.

Uvažujme například chlorid sodný (NaCl) a metan (CH4). Chlorid sodný je iontová sloučenina s vysokým bodem varu 1413 stupňů Celsia díky silné přitažlivosti mezi kladně nabitými ionty sodíku a záporně nabitými chloridovými ionty. Naproti tomu metan, kovalentní sloučenina, má mnohem nižší bod varu -161 stupňů Celsia kvůli slabším londýnským disperzním silám mezi molekulami.

Viz také Viskozita motorového oleje: Pochopení jeho zásadní role ve výkonu

Jak určit bod varu sloučeniny

Experimentální metody k nalezení bodu varu

Bod varu sloučeniny může být stanoven experimentálně za použití různých technik. Jednou z běžných metod je jednoduché nastavení destilace, kdy se sloučenina zahřívá v baňce a sleduje se teplota. Jakmile kapalina dosáhne svého bodu varu, odpaří se a může být shromažďována a kondenzována v samostatné nádobě.

Další metodou je použití zařízení pro teplotu varu, jako je Kjeldahlova baňka nebo frakcionační kolona. Tyto přístroje umožňují přesnější kontrolu a měření bodu varu. Kromě toho lze ke stanovení teploty varu sloučeniny použít pokročilé techniky, jako je diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC).

Použití chemické struktury k předpovědi bodu varu

Chemická struktura může být také použita k předpovědi bodu varu sloučeniny, zejména v organické chemii. Některé funkční skupiny a molekulární vlastnosti přispívají k vyšším bodům varu díky své schopnosti vytvářet silnější mezimolekulární síly. Například sloučeniny obsahující hydroxylové skupiny (-OH) nebo karbonylové skupiny (>C=O) mají tendenci mít vyšší teploty varu ve srovnání se sloučeninami bez těchto funkčních skupin.

Analýzou chemické struktury sloučeniny a zvážením intermolekulárních sil, které vykazuje, můžeme učinit vzdělané předpovědi o jejím bodu varu. Je však důležité poznamenat, že tyto předpovědi nejsou vždy přesné a mohou vyžadovat experimentální ověření.

Výpočet bodu varu organických sloučenin

V organické chemii existuje několik empirických vzorců a modelů, které lze použít k odhadu bodu varu organických sloučenin. Jednou z běžně používaných metod je Watsonova rovnice, která bere v úvahu molekulovou hmotnost a počet atomů uhlíku ve sloučenině. Rovnice je následující:

$T_{text{b}} = 373.15 + 0.244 krát M – 0.0001 krát C$

kde $T_{text{b}}$ je bod varu v Kelvinech, $M$ je molekulová hmotnost a $C$ je počet atomů uhlíku.

Je důležité poznamenat, že tato rovnice poskytuje odhad a nemusí být přesná pro všechny organické sloučeniny. Pro přesné stanovení bodu varu je stále nutná experimentální validace.

Stanovení bodu varu iontových sloučenin

Bod varu iontových sloučenin lze předpovědět zvážením jejich energie mřížky, což je energie potřebná k oddělení iontů v pevném stavu. Sloučeniny s vyšší energií mřížky mívají vyšší body varu, protože je zapotřebí více energie k přerušení silných elektrostatických přitažlivostí mezi ionty.

Viz také Jak najít energetický rozdíl mezi orbitaly v kvantové mechanice

Bod varu iontové sloučeniny může být také ovlivněn faktory, jako je velikost a náboj iontů. Menší ionty a vyšší náboje mají tendenci mít za následek silnější přitahování a vyšší body varu.

Praktické příklady a aplikace

Obrázek by vektorový obrázek – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 3.0.

Nalezení nejvyššího a nejnižšího bodu varu sloučeniny

Abychom našli nejvyšší bod varu mezi sadou sloučenin, musíme zvážit sílu jejich mezimolekulárních sil. Sloučeniny s vodíkovými vazbami nebo jinými silnými intermolekulárními silami budou mít obecně vyšší body varu ve srovnání se sloučeninami se slabšími silami.

Na druhou stranu sloučeniny se slabšími mezimolekulárními silami, jako jsou londýnské disperzní síly, budou mít nižší body varu. Například vzácné plyny jako helium a neon mají velmi slabé mezimolekulární síly, a proto nízké body varu.

Stanovení normálního bodu varu sloučeniny

Normální bod varu sloučeniny je teplota, při které se tlak par rovná atmosférickému tlaku (1 atm). Je to důležitá charakteristika používaná při identifikaci a srovnávání sloučenin. Normální bod varu se typicky měří experimentálně za použití refluxního přístroje nebo varného přístroje.

Například normální bod varu vody je 100 stupňů Celsia, což znamená, že při této teplotě se tlak par vody rovná atmosférickému tlaku.

Případová studie: Bod varu běžných sloučenin

Podívejme se na body varu některých běžných sloučenin, abychom dále pochopili jejich variace a význam:

Voda (H2O): Bod varu = 100 stupňů Celsia
Ethanol (C2H5OH): Bod varu = 78.37 stupňů Celsia
Aceton (CH3COCH3): Bod varu = 56.2 stupňů Celsia
Benzen (C6H6): Bod varu = 80.1 stupňů Celsia
Chlorid sodný (NaCl): Bod varu = 1413 stupňů Celsia

Jak vidíme, teploty varu těchto sloučenin se výrazně liší v důsledku rozdílů v mezimolekulárních silách a molekulárních strukturách.

Pochopení toho, jak najít bod varu sloučeniny, je nezbytné pro predikci jejího chování a vyhodnocení její vhodnosti pro různé aplikace. Zvážením faktorů, jako jsou mezimolekulární síly, molekulární struktura a typy vazeb, můžeme učinit informované předpovědi o bodech varu. K určení nebo odhadu bodů varu lze použít experimentální metody, analýzu chemické struktury a empirické vzorce. Prozkoumáním praktických příkladů a aplikací můžeme dále ocenit důležitost a relevanci výpočtů bodu varu.

Numerické úlohy, jak najít bod varu sloučeniny

problém 1

jak zjistit bod varu sloučeniny — Obrázek by Jpta – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 3.0.

Sloučenina má tlak par 100 mmHg při teplotě 50 °C. Jaký je bod varu sloučeniny?

Viz také Viskozita rostlinného oleje: Komplexní průzkum pro domácí kuchaře

Řešení:

K nalezení bodu varu sloučeniny můžeme použít Clausiovu-Clapeyronovu rovnici. Rovnice je dána vztahem:

$ln left( frac{P_1}{P_2} right) = frac{Delta H_{text{vap}}}{R} left( frac{1}{T_2} - frac{1}{T_1} right)$

kde:
- $P_1$ a $P_2$ jsou tlaky par při teplotách $T_1$ a $T_2$ resp.
- $Delta H_{text{vap}}$ je molární entalpie odpařování sloučeniny.
- $R$ je ideální plynová konstanta.

Zadáno:
$P_1 = 100$ mmHg
$T_1 = 50$ ° C
$P_2$ (bod varu) není znám

Víme, že 1 atm = 760 mmHg, takže tlak par můžeme převést na atm:

$P_1 = 100 , text{mmHg} krát frac{1 , text{atm}}{760 , text{mmHg}} = 0.131 , text{atm}$

Dosazením známých hodnot do Clausiovy-Clapeyronovy rovnice máme:

$ln left( frac{0.131}{P_2} right) = frac{Delta H_{text{vap}}}{R} left( frac{1}{T_2} – frac{1}{50} right)$

Vyřešit za $P_2$ , potřebujeme znát hodnotu $Delta H_{text{vap}}$ a $R$ .

problém 2

Sloučenina má bod varu 78 °C a tlak par 0.3 atm. Vypočítejte molární entalpii odpařování sloučeniny.

Řešení:

K nalezení molární entalpie odpařování sloučeniny můžeme použít Clausiovu-Clapeyronovu rovnici. Rovnice je dána vztahem:

$ln left( frac{P_1}{P_2} right) = frac{Delta H_{text{vap}}}{R} left( frac{1}{T_2} - frac{1}{T_1} right)$

kde:
- $P_1$ a $P_2$ jsou tlaky par při teplotách $T_1$ a $T_2$ resp.
- $Delta H_{text{vap}}$ je molární entalpie odpařování sloučeniny.
- $R$ je ideální plynová konstanta.

Zadáno:
$P_1 = 1$ bankomat
$T_1 = 78$ ° C
$P_2 = 0.3$ bankomat
$T_2$ (bod varu) není znám

Převod teplot na Kelvina:
$T_1 = 78 + 273 = 351$ K
$T_2$ (bod varu) není znám

Dosazením známých hodnot do Clausiovy-Clapeyronovy rovnice máme:

$ln left( frac{1}{0.3} right) = frac{Delta H_{text{vap}}}{R} left( frac{1}{T_2} – frac{1}{351} right)$

Vyřešit za $Delta H_{text{vap}}$ , potřebujeme znát hodnotu $R$ .

problém 3

Molární entalpie odpařování sloučeniny je 40 kJ/mol. Tenze par sloučeniny při 25 °C je 0.5 atm. Vypočítejte bod varu sloučeniny.

Řešení:

K nalezení bodu varu sloučeniny můžeme použít Clausiovu-Clapeyronovu rovnici. Rovnice je dána vztahem:

$ln left( frac{P_1}{P_2} right) = frac{Delta H_{text{vap}}}{R} left( frac{1}{T_2} - frac{1}{T_1} right)$

kde:
- $P_1$ a $P_2$ jsou tlaky par při teplotách $T_1$ a $T_2$ resp.
- $Delta H_{text{vap}}$ je molární entalpie odpařování sloučeniny.
- $R$ je ideální plynová konstanta.

Zadáno:
$Delta H_{text{vap}} = 40$ kJ / mol
$T_1 = 25$ ° C
$P_1 = 0.5$ bankomat
$T_2$ (bod varu) není znám

Převod teplot na Kelvina:
$T_1 = 25 + 273 = 298$ K
$T_2$ (bod varu) není znám

Dosazením známých hodnot do Clausiovy-Clapeyronovy rovnice máme:

$ln left( frac{0.5}{P_2} right) = frac{40krát 10^3}{R} left( frac{1}{T_2} – frac{1}{298} right)$

Vyřešit za $T_2$ , potřebujeme znát hodnotu $R$ .

Také čtení:

Abhishek

Ahoj… Jmenuji se Abhishek Khambhata a vystudoval jsem B. Tech ve strojírenství. Během čtyř let mého inženýrství jsem navrhoval a řídil bezpilotní letouny. Mojí silnou stránkou je mechanika tekutin a tepelné inženýrství. Můj čtvrtý projekt byl založen na zvyšování výkonu bezpilotních vzdušných prostředků pomocí solární technologie. Rád bych se spojil s podobně smýšlejícími lidmi.

Faktory ovlivňující bod varu sloučeniny

Mezimolekulární síly a jejich vliv na bod varu

Molekulární struktura a její role při určování bodu varu

Vliv iontových a kovalentních vazeb na bod varu

Jak určit bod varu sloučeniny

Experimentální metody k nalezení bodu varu

Použití chemické struktury k předpovědi bodu varu

Výpočet bodu varu organických sloučenin

Stanovení bodu varu iontových sloučenin

Praktické příklady a aplikace

Nalezení nejvyššího a nejnižšího bodu varu sloučeniny

Stanovení normálního bodu varu sloučeniny

Případová studie: Bod varu běžných sloučenin

Numerické úlohy, jak najít bod varu sloučeniny

problém 1

problém 2

problém 3

Ahoj kolego čtenáři,