ضغط البخار: الأساسيات والأمثلة

مقدمة: ما هو ضغط البخار؟

ضغط البخار هو مصطلح مهم في الكيمياء الديناميكية الحرارية والفيزيائية يصف ضغط توازن البخار على شكله السائل أو الصلب عند درجة حرارة معينة. وهو يخبرنا فقط بمدى سهولة تبخر المادة. السائل السريع التبخر له ضغط بخار مرتفع (مثل الأسيتون)، بينما السائل البطيء التبخر له ضغط بخار منخفض (مثل الزئبق).

كيف يعمل ضغط البخار

عند أي درجة حرارة، تمتلك بعض الجزيئات في السائل طاقة حركية كافية للتبخر إلى طور البخار. يتبخر المزيد والمزيد من الجزيئات ويعود بعضها في عملية التكثيف. وفي المرحلة التي يكون فيها معدل التبخر مساويًا لمعدل التكثيف، يكون النظام في حالة اتزان - ويوصف ضغط البخار عند درجة حرارة معينة بهذا الاتزان. ويتبع الاعتماد الأسي لضغط البخار على درجة الحرارة من معادلة كلاوزيوس-كلاوس-كلابيرون.

العوامل المؤثرة على ضغط البخار

1. درجة الحرارة

درجة الحرارة لها التأثير المباشر الأكبر على ضغط البخار. فمع زيادة درجة الحرارة، تزداد الطاقة الحركية الجزيئية، ويمكن أن يتسرب المزيد من الجزيئات من الطور السائل. على سبيل المثال، يزداد ضغط بخار الماء من 17.5 ملم زئبق عند 20 درجة مئوية إلى 760 ملم زئبق عند 100 درجة مئوية، حيث يغلي تحت الضغط الجوي القياسي.

2. القوى بين الجزيئية

تؤدي القوى الأكبر بين الجزيئات - مثل قوى الترابط الهيدروجيني أو قوى فان دير فال - إلى انخفاض ضغط البخار. يمتلك الماء ذو الترابط الهيدروجيني ضغط بخار أقل بكثير مقارنةً بالأسيتون الضعيف ثنائي القطب المتفاعل ثنائي القطب.

3. طبيعة المادة

شكل الجزيء مهم أيضًا. فالمواد ذات الجزيئات الأخف وزنًا والأقل قطبية (ثنائي إيثيل الأثير) لها ضغط بخار أعلى من المواد الأثقل أو الأكثر ارتباطًا (الجلسرين أو الزئبق).

طرق قياس ضغط البخار

1. طريقة قياس ضغط البخار

هذه هي الطريقة الكلاسيكية التي يتم فيها وضع السائل في وعاء محكم الإغلاق ويقاس ضغط بخار التوازن مباشرة باستخدام مانومتر بعد الوصول إلى التوازن. توفر قراءات دقيقة عند ضغوط منخفضة إلى معتدلة.

2. الطريقة الديناميكية

تقوم هذه الطريقة بقياس ضغط البخار من التباين في حجم السائل أو وزنه مع مرور الوقت عند إطلاق البخار. ويتم تطبيقها في الغالب على المواد سريعة التبخر أو في درجات الحرارة المرتفعة.

3. طريقة التسرب

يختلف عدد جزيئات الغاز الخارجة من خلال مسام صغيرة (الانصباب) خطياً مع ضغط البخار. وهي مناسبة للعينات الدقيقة والمواد المتطايرة.

4. حسابات كلاوزيوس-كلاوس-كلابيرون

بالنسبة لغالبية المواد، لا يمكن القياس مباشرة. يتم بعد ذلك تحديد ضغط البخار عند درجات حرارة مختلفة من معادلة كلاوزيوس-كلاوس-كلابيرون على أساس نقاط الغليان المحددة تجريبياً وإنثالبي التبخير.

الدلالة العملية لضغط البخار

1. الأرصاد الجوية وعلم المناخ

يرتبطضغط البخار مباشرة بالرطوبة - وهو معيار حيوي في التنبؤ بالطقس وهطول الأمطار. على سبيل المثال، الرطوبة النسبية (RH) هي نسبة ضغط بخار الماء الفعلي إلى نسبة ضغط بخار التشبع عند أي درجة حرارة معينة. ويساعد القياس الدقيق لضغط البخار في التنبؤ بنقاط الندى والضباب وهطول الأمطار.

2. الهندسة الصناعية والكيميائية

في ضغط البخار والتبخر والفصل الكيميائي، يحدد ضغط البخار كيفية عمل الأشياء عند التسخين والتبريد. فتكرير البترول، على سبيل المثال، يعتمد على فروق ضغط البخار لفصل الهيدروكربونات مثل الهكسان والتولوين عن طريق التقطير التجزيئي.

في التبريد، يتم اختيار المبردات مثل R134a أو الأمونيا جزئياً لخصائص ضغط بخارها - فهي تحتاج إلى التبخر والتكثيف بشكل جيد ضمن نطاق ضغط آمن.

3. التطبيقات الصيدلانية

يجب أن تأخذ تركيبات الأدوية التي تحتوي على مكونات متطايرة في الاعتبار ضغط البخار لضمان الاستقرار ومدة الصلاحية. على سبيل المثال، تستخدم المواد الهلامية المطهرة التي تحتوي على الإيثانول تركيبات ذات ضغوط بخار مضبوطة لتحقيق التوازن بين الفعالية ومعدل التبخر.

4. علم البيئة

يحدد ضغط البخار أيضًا كيفية تصرف الملوثات، مثل المركبات العضوية المتطايرة، في الغلاف الجوي. تساهم المركبات ذات الضغط البخاري المرتفع، مثل البنزين أو الأسيتون، بشكل كبير في تكوين الضباب الدخاني ويتم التحكم فيها بشدة في البيئة.

أمثلة وبيانات

توضح هذه الأرقام كيف تؤثر القوى الجزيئية ودرجة الحرارة على التطاير. ثنائي إيثيل الأثير، على سبيل المثال، يغلي بسرعة كبيرة في درجة حرارة الغرفة بسبب ارتفاع ضغط بخاره، بينما يقترب الزئبق من عدم التطاير حتى في درجات الحرارة العالية. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

ما هو ضغط البخار؟

ضغط البخار هو ضغط البخار في حالة اتزان مع سائل أو مادة صلبة عند درجة حرارة معينة.

كيف تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة ضغط البخار؟

نظرًا لأن الجزيئات تكتسب طاقة حركية وتتغلب بسهولة أكبر على القوى بين الجزيئية، يحدث تبخر أكثر.

لماذا لا يتطاير الماء مثل الأسيتون؟

لأن الروابط الهيدروجينية العالية في الماء تتطلب طاقة أكبر لكسر الروابط الهيدروجينية وبالتالي فهي أقل تطايراً.

هل يمكن أن يتنبأ ضغط البخار بالتطاير؟

نعم. يشير ضغط البخار الأكبر إلى تطاير أكبر وتبخر أسرع.

ما أهمية الضغط البخاري في التنبؤ بالطقس؟

يُستخدم لحساب الرطوبة ونقطة الندى والتكثيف - وهو أمر ضروري للتنبؤ بتطور الأمطار والغيوم.