ضغط البخار
يُعرف ضغط البخار أيضًا باسم بخار الضغط، وهو عبارةٌ عن حالةٍ كيميائيّةٍ مرتبطة بتأثير الضغط المُرتبطِ بقوّةِ البُخار في التوازنِ بين درجةِ حرارة المواد الصلبة والسائلة، كما يُعرف ضغط البخار بأنّه العمليات الحراريّة التي تدلُّ على وجودِ مادةٍ سائلةٍ قابلةٍ للتبخّر من وسطٍ سائلٍ أو صلبٍ.
يرافقهُ تركيزٌ عالٍ في الضغطِ المُؤثّرِ على سطحِ المادة، ممّا يؤدّي إلى تحريك جزيئات المواد، وفصلها عن بعضها بعضًا من خلال تبخّرها، وتجمّعها في وسطٍ معينٍ، مثل: أطراف وعاء الاختبار الزجاجي، ويقسم هذا الضغطُ إلى نوعين، وهما: الضغط الجزئي، والضغط الكُلي.
و يعتمدُ تطبيق ضغط البخار على وجودِ ما تعرفُ باسم نقطة الغليان ، وهي الدرجة التي يصلُ لها البخار لدرجةِ حرارةٍ مرتفعةِ، والتي تؤدي إلى تحريك جزيئات المواد، وعندها يتساوى ضغط البخار مع الضغط الجويّ، وكلما زادت درجة الحرارة المؤثرة، أدّى ذلك إلى زيادةِ نسبةِ نجاح فصل المواد عن بعضها بعضًا، بالاعتمادِ على تأثير ضغط البخار.
العوامل التي تؤثر على ضغط البخار
إنَّ ضغط البخار يتأثر بعدة عوامل مما يزيد أو يقلل من قيمته ومن هذه العوامل ما يأتي:
- طبيعة السائل (بالإنجليزية: Nature of Liquid)
إنَّ طبيعة السائل تشيرإلى مدى القوى بين جزيئات المادة، حيث أنَّ زيادة قوة ترابط الجزيئات مع بعضها البعض يؤدي إلى انخفاض في ضغط البخار، ومن جهة أخرى انخفاض قوة الروابط بين جزيئات المادة يؤدي إلى زيادة ضغط البخار.
- تأثير درجة الحرارة (بالإنجليزية: Effect of Temperature)
إنَّ علاقة ضغط البخار مع درجة الحرارة علاقة طردية؛ أي كلما زادت درجة الحرارة زاد ضغط البخار، وبالإضافة إلى ذلك تتأثر درجة الحرارة بمدى قوة الترابط بين الجزيئات، مما يؤدي إلى تفكك الروابط وتطاير الجزيئات من السائل بفعل الزيادة في درجة الحرارة.
- تركيز المذاب (بالإنجليزية: Concentration of Solute)
إنَّ وجود مادة مذابة في السائل يؤدي إلى انخفاض في قيمة ضغط البخار، ويرتبط مقدار هذا الانخفاض إلى مقدار تركيز المذاب في السائل.
كيف يتم قياس ضغط البخار؟
إنَّ خطوات قياس ضغط البخار تختلف في حالة كان السائل المستخدم نقي، أو في حالة كان محلول ونُفصل ذلك كالآتي:
- خطوات قياس ضغط البخار لسائل نقي عند درجة حرارة محددة:
- تحديد درجة الحرارة المراد قياس الضغط عندها.
- قياس مقدار كثافة الزيت عند درجة الحرارة المحددة.
- ملء الأنبوب الزجاجي الذي على شكل حرف U (مقياس الضغط) بزيت نباتي.
- ملء الدورق المستدير القاع بالماء المقطر إلى النصف؛ لقياس ضغط البخار منه.
- وضع سدادة في فم قارورة الأنبوب الزجاجي.
- التأكد من أن درجة حرارة الهواء المحيط هي نفسها درجة حرارة الماء.
- استخدام أنبوب مطاطي؛ لتوصيل مقياس الضغط مع القارورة.
- ترك المعدات لحين وصولها إلى حالة التوازن، وذلك عند ثبات هلالة الأعمدة، ليتم بعد ذلك قياس فرق ارتفاعات عمودين من الزيت النباتي.
- خطوات قياس ضغط البخار المنخفض عند درجة حرارة معينة لمحلول باستخدام مادة مذابة غير متطايرة:
- تحديد درجة الحرارة المراد قياس الضغط عندها.
- قياس مقدار كثافة الزيت عن درجة الحرارة المحددة.
- ملء الأنبوب الزجاجي على شكل حرف U (مقياس الضغط) بزيت النباتي.
- ملء الدورق المستدير القاع بمحلول ماء السكر المخفف إلى النصف؛ لقياس ضغط البخار منه.
- وضع سدادة في فم قارورة الأنبوب الزجاجي.
- التأكد من أن درجة حرارة الهواء المحيط هي نفسها درجة حرارة محلول السكر المخفف.
- استخدام أنبوب مطاطي؛ لتوصيل مقياس الضغط مع القارورة.
- ترك المعدات لحين وصولها إلى حالة التوازن وذلك عند ثبات هلالة الأعمدة، ليتم بعد ذلك قياس فرق ارتفاعات عمودين من الزيت النباتي.
ضغط بخار المواد السائلة
هي جميع المواد والمركبات السائلة التي يطبّقُ عليها ضغط البخار، وتُعتبرُ من أكثر المواد الكيميائيّة استخداماً في إجراء الاختبارات العلميّة، وذلك لسهولةِ الاعتماد على ضغط البخار في فصلِ هذه الموادِ السائلة عن بعضها البعض، ولكلِّ مادةٍ منها معدل ضغطٍ خاصٍ بها.
من الأمثلة عليها إجراء تجربة قياسِ ضغط البخار لمادةِ كلوريد الميثيل، والتي تعتمدُ على تحديدِ درجة الضغط الكليّ المؤثر على الوسط الذي يوجدُ فيه كلوريد الميثيل، ومن ثم معرفة درجة ضغط المواد السائلة الأخرى المخلوطة معه في وعاءِ الاختبار الزجاجيّ.
عادةً ما يستخدمُ في هذه التجربة قانون راؤول الكيميائيّ والذي يُساعدُ في معرفةِ نسبة ضغط البخار، والصيغة الرياضيّة لقانون راؤول: ptot = ∑ pixi.
قانون ضغط البخار
يعتمدُ تطبيق قانون ضغط البُخار على معادلةٍ رياضيةٍ تعرفُ باسم معادلة أنطوان نسبةً للعالم الذي قام بصياغتها، والصيغة الرياضيّة للمعادلة، هي: Log P = A - B/C T.
تفسير المعادلة الرياضية: للحصولِ على ضغط البخار، والذي يرمزُ له (Log P)، يجب تطبيق معادلة قيم الثوابت الرياضيّة التالية المادة الأساسية A ناقص ناتج قسمة المادة B على مجموعة المادة C وجمع T والتي تُمثّل درجة حرارة المادة التي سيتمّ الحصول على ضغط البخار الخاصّ بها.
في حال استخدام مادتين فقط في تطبيق ضغط البخار يصبحُ شكل المُعادلة الرياضية: Log P = A - B/T، ومن الممكن اشتقاق قانون T من المعادلة السابقة في حال عدم وجود قيمة لدرجة حرارة المادة، وتُصبح المعادلة: T = B/A-Log P.
يعتبرُ الماء من أفضل المواد السائلة والأمثلة المُستخدمة في تطبيقات ضغط البخار، وذلك لأنّه يغلي عند درجة حرارةٍ ثابتةٍ تصلُ إلى 100 درجةٍ مئويةٍ، وأيضاً يتأثرُ الماء بضغطِ الغلاف الجويّ ، والطبيعة المحيطة فيه فيساعدُ على الوصولِ إلى نتائج صحيحة عند إجراءات اختبارات ضغط البخار عليه.
أمثلة رياضية على حساب ضغط البخار
هناك أمثلة رياضية توضح طريقة حساب ضغط البخار للماء او للمحاليل، ونشرحها بأمثلة توضيحية.
المثال الأول: إيجاد مقدار ضغط البخار
السؤال: أوجد مقدار ضغط البخار للماء عند درجة حرارة 88 سيلسيوس؟
الإجابة: نجد مقدار ضغط بخار الماء عند درجة حرارة محددة من خلال الخطوات الآتية:
1. استخدم قانون أنطوان لحساب ضغط البخار من خلال المعادلة الرياضية الآتية:
(Log P = A - B/(C T
2. نطبق المعادلة بتعويض درجة الحرارة والقيم الثابتة الخاصة بالسائل:
A= 7.96681
B= 1668.21
C= 228.00
Log P = 7.96681 - 1668.21/(228 88)
3. نجد قيمة الضغط بحل المعادلة الرياضية السابقة:
Log P =2.69
(P= 10^ (2.69
P =489.8 mm Hg، وهي قيمة ضغط البخار للماء عند درجة حرارة 88 سيلسيوس.
المثال الثاني: إيجاد مقدار ضغط البخار
السؤال: أوجد مقدار ضغط البخار للماء عند درجة حرارة 86 فهرنهايت؟
الإجابة: نجد مقدار ضغط بخار الماء عند درجة حرارة محددة من خلال الخطوات الاتية:
1. تحويل الحرارة من وحدة القياس فهرنايت إلى سليسيوس باستخدام المعادلة الآتية:
C = (F-32) /1.8
C=(86-32) /1.8
C = 30ْ
2. نطبق معادلة حساب ضغط البخار بتعويض درجة الحرارة وثوابت المعادلة الخاصة بالسائل:
(Log P = A - B/(C T
A= 7.96681
B= 1668.21
C= 228.00
Log P = 7.96681 - 1668.21/(228 30)
3. نجد قيمة الضغط بحل المعادلة الرياضية السابقة:
Log P =1.5
P=10^1.5
P = 31.623 mm Hg، وهي قيمة ضغط البخار للماء عند درجة حرارة 86 فهرنهايت.
المثال الثالث: إيجاد درجة حرارة الماء
السؤال: أوجد درجة حرارة الماء عند ضغط بخار يساوي 22.54 mm Hg؟
الإجابة: نجد مقدار درجة حرارة الماء عند ضغط بخاري محدد من خلال الخطوات الاتية:
1. نطبق معادلة حساب ضغط البخار بتعويض درجة الحرارة وثوابت المعادلة الخاصة بالسائل:
( (Log P = A - B/(C TLog P = A - B/(C T
A= 7.96681
B= 1668.21
C= 228.00
Log 22.54 = 7.96681 - 1668.21/(228 T)
2. نجد قيمة الحرارة بحل المعادلة الرياضية السابقة:
حيث إن Log 22.54=1.353
Log 22.54 = 7.96681 - 1668.21/(228 T)
252.2313 = 228 T
T = 24.23 Cْ،وهي درجة حرارة الماء عند ضغط بخار يساوي 22.54 mm Hg.
