Mennyi idő szükséges egy vékony etanolréteg elpárologtatásához?

Más szavakkal kb. időre van szükség ahhoz, hogy kis mennyiségű (kb. 5 ml) tiszta alkohol elpárologjon, ha olyan felületre öntik, mint egy asztal. Körülbelül 15 másodperc / 30 másodperc / 2 percbe telik?

Egyszerűbb és gyorsabb hajtsa végre a kísérletet, mint megpróbálja megjósolni a szükséges időt.

A kinetikus molekuláris elmélet elmagyarázza, miért párolognak el a folyadékok forráspontjuknál alacsonyabb hőmérsékleten. Bármely hőmérsékleten a folyadékban lévő molekulák kinetikus energiáinak tartománya Boltzmann-eloszlás által leírt. A molekulák bizonyos százalékának elegendő kinetikus energiája van ahhoz, hogy a gázfázisba menjen. Ezek a molekulák hozzájárulnak a folyadék gőznyomásához. A hőmérséklet növekedésével több molekula van a gázküszöb felett, és a gőznyomás növekszik. A gőznyomás növekedésével.

Zárt rendszerben egyensúly alakulna ki változatlan folyadék / gőz arány mellett. A molekulák kicserélődnének a folyadék és a gőz között, de relatív mennyiségük állandó maradna. Az általad leírt felület nincs lezárva – a gőzmolekulák diffúzióval vagy konvekcióval elkalandozhatnak. Az egyensúly megszakad, és a Le Châtelier alapelve azt mondja nekünk, hogy az egyensúly eltolódik a kompenzáció érdekében. Amint több etanol molekula távozik, több párolog, hogy helyettesítse őket, amíg nincs A következő egyenletben $ K $ az egyensúlyi állandó, $ p $ az etanol gőz parciális nyomása (gőznyomás) és [$ \ ce {C2H6O} $] az etanol koncentrációja a folyadék.

$$ \ ce {C2H6O (l) < = > C2H6O (g)} $ $ $$ K = \ frac {p _ {\ ce {C6H6O}}} {[\ ce {C2H6O}]} $$

Az egyensúly (gyors) létrejötte után a a párolgás valószínűleg a gáznemű etanol-molekulák diffúziója. A gázrészecskék átlagos kinetikus energiája kifejezhető a tömeg ($ m $, kg) és a gyök függvényében átlagos négyzet sebesség ($ v ^ 2_ \ text {rms} $) és külön a hőmérséklet függvényében ($ T $, kelvinben) a Boltzmann-szorzat konstans ($ k_ \ text {B} = 1,38 \ szor 10 ^ {- 23} \ frac {\ text {J}} {\ text {K}} $). Kaphatunk egy képletet az effektív sebességre.

$$ \ overline {E_ \ text {k}} = \ frac {1} {2} mv ^ 2_ \ text {rms} $$ $$ \ overline {E_ \ text {k}} = \ frac {3} {2} k_ \ text {B} T $$ $$ v ^ 2_ \ text {rms} = \ frac {3k_ \ text {B} T} { m} $$ $$ v_ \ text {rms} = \ sqrt {\ frac {3k_ \ text {B} T} {m}} $$

Kiszámíthatja az etanol részecskék kiszökésének sebességét. Ha tetszőleges távolságot állít be (egy méter valószínűleg jó), akkor kiszámíthatja azt az időt, amelyre egy részecske beletelik a távolságot (átlagosan). Ha ismerjük az egyensúlyi állandót, meghatározhatjuk, hogy mennyi gőz van a folyadék felett, majd kiszámíthatjuk a mozgáshoz szükséges időt.

De hogyan ismerhetjük meg az egyensúlyi állandót? A hőmérséklet függvényében változik! Az alábbi egyenletben szereplő $ \ Delta G ^ \ circ_ \ text {vap} $ érték az etanol elpárologtatásának szabad energiaváltozása standard termodinamikai állapotban.$ R $ az ideális gázállandó.

$$ K = \ mathrm {e} ^ {- \ frac {\ Delta G ^ \ circ_ \ text {vap}} {RT}} $$

A fenti modell figyelmen kívül hagyja a bonyolult tényezőket, például a szabad utat , azt a tényt, hogy a párolgás endoterm (vagyis a folyadék hűl, amikor elpárolog, és a gőznyomás az idő múlásával csökken), a hőmérsékletet és A felület hőkapacitása határozza meg, hogy mekkora kinetikus energia áll a folyadék rendelkezésére kezdetben, és hogy a közelben lévő bármilyen mennyiségű légáram jelentősen gyorsabban távolítja el a gőzt, mint a diffúzió.

A teljes modell a következők figyelembevételét tartalmazza:

Állandóak

• a Boltzmann-állandó
• az ideális gázállandó
• az etanol párolgásának szabad energia változása (valójában nem állandó, de csak kissé változik a hőmérséklet felett tartomány)
• az etanol gőznyomása a hőmérséklet függvényében
• egy etanol molekula tömege
• a felület hőkapacitása

változók

• a levegő hőmérséklete
• etanol térfogata
• a felület hőmérséklete
• légköri nyomás (szükséges az átlagos szabad út korrekcióhoz)
• a légáramok sebessége

Tehát elvileg megtehetné. Ennek ellenére a legjobb választ nem lehet komolyabb kalkuláció nélkül megadni. A gyakorlatban gyorsabb lenne a kísérlet elvégzése (ha gyakran megtörténik). Gyakran elfelejtjük, hogy a tudomány empirikus.

Megjegyzések

• -1 az egyensúlyi termodinamika keveréséhez egy kérdéshez egy kinetikus folyamathoz. Borzalmas
• A lényeg annak bemutatása volt, hogy az elméleti előrejelzés nehéz volt, míg a kísérlet triviális.