شارح الدرس: الضغط البخاري الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نفسِّر الضغط البخاري، وعلاقته بدرجة الغليان، والعوامل التي تؤثِّر على الضغط البخاري.

تَخيَّل وعاءً مغلقًا يحتوي على سائل، مثل برطمان مغلق به ماء، بدرجة حرارة الغرفة. إذا فحصنا هذا البرطمان، فقد لا يبدو أن أي شيء يحدُث لجزيئات الماء الموجودة فيه. لكنَّ ثمة اتزانًا ديناميكيًّا في برطمان الماء بين عملية التبخُّر والتكثُّف.

ويحدث التبخُّر عندما تتحرر جزيئات من الحالة السائلة وتصبح بخارًا؛ لأن لهذه الجزيئات طاقة حركة كافية للتغلب على القوى بين الجزيئية التي تحافظ على الجزيئات معًا في الحالة السائلة. عند أيِّ درجة حرارة حتى درجة حرارة الغرفة، ستتمكن بعض الجزيئات من التبخر دائمًا من الماء السائل.

وفي الوقت نفسه، ستتكثَّف بعض جزيئات الماء مرة أخرى إلى الحالة السائلة حيث تفقد طاقة وتصطدم بسطح السائل. ينتُج عن ذلك اتزان بين عمليات التبخُّر والتكثُّف داخل البرطمان. ويوجد مقدار بخار ثابت نسبيًّا فوق سطح الماء؛ لأن مُعدَّلَيِ التبخُّر والتكثُّف متساويان بشكل أساسي.

سيؤثِّر أيُّ غاز على السطح بضغط. على سبيل المثال، الضغط الجوي ينتُج عن الغازات الموجودة في الهواء التي تؤثِّر بضغط على السطح. وسيؤثِّر البخار داخل البرطمان بضغط على سطح السائل، وهو ما يسمى الضغط البخاري.

سيكون الضغط البخاري داخل برطمان الماء ثابتًا ما لم يحدُث تغيُّر في حالة الاتزان داخل البرطمان. لكن هناك عدة عوامل يمكن أن تؤثِّر على الضغط البخاري.

إذا قمنا بزيادة درجة حرارة برطمان الماء، فسيمتلك المزيدُ من جزيئات الماءِ طاقةَ الحركة الكافية للتحول من الحالة السائلة إلى الحالة البخارية (الغازية). وهذا سيؤدي إلى زيادة الضغط البخاري نظرًا لوجود المزيد من جزيئات الماء في الحالة البخارية.

ستؤدي زيادة درجة الحرارة إلى زيادة الضغط البخاري حتى يصبح الضغط البخاري مساويًا للضغط خارج الوعاء. عند هذه النقطة، يكون الماء قد وصل إلى درجة غليانه، وسيبدأ بالغليان. إذا كان الوعاء مفتوحًا وليس مغلقًا، فسيغلي الماء عندما يصبح الضغط البخاري مساويًا للضغط الجوي.

يمكن استخدام درجة الحرارة التي يغلي عندها السائل للإشارة إلى نقاء هذا السائل. إذا كانت درجة غليان السائل الطبيعية تساوي درجة الغليان المَقِيسة، فهذا يعني أن هذا السائل نقي. أما إذا كانت درجة حرارة الغليان الطبيعية مختلفة عن درجة الغليان المَقِيسة، فهذا يعني أن السائل يحتوي على شوائب على الأرجح.

ويؤثِّر نوع السائل أيضًا على الضغط البخاري؛ لأن شدة القوى بين الجزيئية بين جزيئات السائل تؤثِّر على معدل التبخُّر. إذا كانت القوى بين الجزيئية ضعيفة، فستحتاج جزيئات هذه المادة طاقة أقل لكي تصبح بخارًا. ومن ثم، عند مقارنة الضغط البخاري لمادتين عند درجة الحرارة نفسها، فإن المادة التي لها قوًى بين جزيئية أضعف سيكون لها ضغط بخاري أكبر.

وهذا يفسِّر أيضًا الفرق في درجات الغليان بين السوائل. إذا كان الضغط البخاري للسائل أكبر، فلن تحتاج إلى زيادة درجة حرارة السائل لكي يصبح الضغط البخاري مساويًا للضغط الخارجي. بعبارة أخرى، المواد ذات القوى بين الجزيئية الضعيفة ستكون ذات ضغط بخاري مرتفع ودرجات غليان أقل.

على سبيل المثال، هيَّا نقارن الماء والبروم. الضغط البخاري للبروم يساوي 0.3 atm عند ويغلي عند . الضغط البخاري للماء يساوي 0.03 atm عند ويغلي عند . تتعرض جزيئات البروم لقوى تشتُّت لندن ضعيفة نسبيًّا، بينما تتعرض جزيئات الماء لتداخلات بين جزيئية أقوى بسبب الروابط الهيدروجينية. وهذا الفرق في قوى الجذب بين الجزيئية يفسِّر لماذا الضغط البخاري للبروم أكبر من الضغط البخاري للماء، ودرجة غليان البروم أقل من درجة غليان الماء.

مثال ١: تحديد السائل الذي سيكون له أكبر ضغط بخاري بمعلومية الصيغة البنائية

أيُّ السوائل الآتية يكون لها أكبر ضغط بخاري عند ؟

الحل

الضغط البخاري لسائل هو ضغط الاتزان الذي يؤثِّر به البخار على سطح السائل. ينتُج هذا البخار المُتكوِّن فوق سطح السائل من عملية التبخُّر. تتبخر المواد ذات القوى بين الجزيئية الأضعف بسرعة أكبر، وهذا يجعل قيمة الضغط البخاري لها مرتفعة نسبيًّا. وبذلك، يكون السائل الذي له أكبر ضغط بخاري هو السائل الذي لديه أضعف قوًى بين جزيئية.

البِنى الموضَّحة في الخيارات (أ) و(ب) و(ج) تحتوي على ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة أكسجين، وهو ما يعني وجود روابط هيدروجينية بين جزيئات هذه السوائل. الروابط الهيدروجينية هي قوًى بين جزيئية قوية للغاية، لذا يجب أن يكون لهذه السوائل ضغط بخاري أقل من السوائل التي لا يمكن أن تكوِّن روابط هيدروجينية. إن الخيارين (د) و(هـ) لا يحتويان على روابط هيدروجينية، ويجب أن تكون القوى بين الجزيئية لهما أضعف من الخيارات (أ) و(ب) و(ج).

الخياران (د) و(هـ) بهما رابطة قطبية، إذن، سيكون لهما تداخلات ثنائية الأقطاب بين جزيئية. بالإضافة إلى ذلك، سيكون للسوائل قوى تشتُّت لندن وهي موجودة بين أيِّ جزيئات مرتبطة تساهميًّا. تعتمد قوة قوى تشتُّت لندن على قيم الكتلة الجزيئية. فالجزيئات الأثقل تتعرض لقوى تشتُّت لندن أقوى، بينما تتعرض الجزيئات الأخف لقوى تشتُّت لندن أضعف. الخيار (د) أثقل من الخيار (هـ). يجب أن يتعرض الجزيء الموجود في الخيار (د) لقوى تجاذُب بين جزيئية أقوى من الجزيء الموجود في الخيار (هـ).

يجب أن يكون للجزيء الموجود في الخيار (هـ) أكبر ضغط بخاري؛ لأنه يتعرض لأضعف قوى تجاذُب بين جزيئية. إذن، الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ).

قد يبدو أن مساحة السطح ستؤثِّر على الضغط البخاري للسائل لأن معدل التبخُّر يكون أكبر عندما تكون مساحة السطح أكبر. لكن مساحة السطح لا تؤثِّر على الضغط البخاري. فتؤدي زيادة مساحة السطح أيضًا إلى زيادة معدل التكثُّف؛ لأن جزيئات البخار يمكن أن تصطدم بمساحة سطح سائل أكبر. يظل الضغط البخاري كما هو مع زيادة مساحة السطح؛ لأن معدَّلَيِ التبخُّر والتكثُّف يزدادان بالمعدل نفسه.

العامل الأخير الذي يؤثِّر على الضغط البخاري للسائل هو وجود مذاب، مثل الملح. عند إذابة مذاب غير متطاير في مذيب، تختلف خواص المحلول عن المذيب النقي. وتُعرف هذه الخواص إجمالًا بالخواص التجميعية، وتتضمن انخفاضَ الضغط البخاري، وارتفاعَ درجة الغليان، وانخفاضَ درجة التجمُّد. تتأثَّر الخواص التجميعية بنسبة عدد جسيمات المذاب إلى عدد جسيمات المذيب.

تُعيق جسيماتُ المذاب قدرةَ جزيئات المذيب على التحرُّر من الحالة السائلة، وهو ما سيقلل من الضغط البخاري.

سيصبح الضغط البخاري أقل تدريجيًّا عند إضافة المزيد من الجسيمات إلى سائل. وهذا يعني أن المواد سيكون لها ضغط بخاري منخفض إذا كانت تحتوي على تركيزٍ عالٍ من مادة غير قابلة للتفكك في الماء مثل السكريات الأحادية والثنائية. وسيكون للمواد قيم ضغط بخاري أقل إذا كانت تحتوي على نفس التركيز من مادة قابلة للتفكك في الماء؛ لأن المادة يمكن أن تتفكك إلى عدد أكبر من الجسيمات.

وتتأثر أيضًا الخواص التجميعية، مثل انخفاض الضغط البخاري، بكون المذاب إلكتروليتًا أو لا إلكتروليتًا. سيذوب كلٌّ من السكروز وكلوريد الصوديوم () وكلوريد الكالسيوم () في الماء. لكن، باعتباره لا إلكتروليتًا، عند ذوبان السكروز في الماء ينتُج جسيم واحد فقط. بعبارة أخرى، السكروز لا يتفكك إلى أيونات؛ حيث مول واحد من السكروز يُنتج مولًا واحدًا من السكروز.

عند ذوبان إلكتروليت قوي مثل في الماء، يذوب كل مول من لإنتاج مولين من الأيونات في المحلول: مول واحد من أيونات ومول واحد من أيونات . مقارنة بالسكروز، تفكُّك ينتُج عنه ضِعف عدد جسيمات المذاب، ومن ثم يقل الضغط البخاري أكثر من السكروز.

هو إلكتروليت قوي آخر. لكن ذوبان مول واحد من في الماء سيُنتج 3 مولات من الأيونات: مولًا واحدًا من أيونات ومولين من أيونات . ونتيجة لذلك، سيقل الضغط البخاري أكثر مما يحدث مع .

بصفة عامة، يزيد انخفاض الضغط البخاري مع الإلكتروليتات أكثر من اللاإلكتروليتات.

دعونا أولًا نفكر كيف يمكن أن تؤثِّر التركيزات المرتفعة للسكر القابل للذوبان على الضغط البخاري، ثم يمكننا أن نتناول أملاحًا قابلة للذوبان أيضًا. سنبدأ بالتفكير في محلولين بتركيز 1 M و2 M من السكروز. سيكون الضغط البخاري أقل في حالة محلول السكروز بتركيز 2 M؛ لأنه يحتوي على تركيز جسيمات سكروز أكبر من المحلول الذي تركيزه 1 M. يوجد تركيز أعلى من جسيمات السكر في محلول السكروز بتركيز 2 M، وهو ما يعيق عمليات التبخُّر والتكثُّف عند السطح الفاصل بين الماء والهواء بشكل كبير.

الآن دعونا نقارن بين محلول تركيزه 1 M من السكروز ومحلول تركيزه 1 M من . المحاليل لها نفس التركيز من المواد المذابة، ولكن السكروز لا يتفكك في المحلول ويتفكك إلى أيونات الصوديوم () والكلوريد (). يحتوي محلول تركيزه 1 M من على ضِعف عدد جسيمات المذاب الموجودة في محلول تركيزه 1 M من السكروز. يمكننا استخدام هذه المعلومات لتحديد أن الضغط البخاري سيكون أقل مع محلول تركيزه 1 M من وأعلى مع محلول تركيزه 1 M من السكروز.

مثال ٣: تحديد المحلول الذي له أعلى نسبة تركيز للمذاب بمعلومية الضغوط البخارية

يوضِّح التمثيل البياني الآتي الضغط البخاري مقابل درجة الحرارة للماء النقي وثلاثة محاليل من .

ما المحلول الذي له أعلى تركيز؟

1. المحلول A
2. المحلول B
3. المحلول C

الحل

الضغط البخاري لسائل هو ضغط الاتزان الذي يؤثِّر به البخار على سطح السائل. ينتُج هذا البخار الموجود فوق سطح السائل من خلال عملية التبخُّر. عند إضافة مذاب، مثل إلى سائل، تعيق جسيمات المذاب عملية التبخُّر، ما يؤدي إلى انخفاض الضغط البخاري للسائل. يمكننا أن نرى ذلك في التمثيل البياني في السؤال: الضغط البخاري لمحاليل الثلاثة أقل من الضغط البخاري للماء النقي عند جميع درجات الحرارة.

كلما ارتفع تركيز المادة المذابة، انخفض الضغط البخاري بدرجة أكبر. ومن ثم، فإن محلول الذي له أعلى تركيز، يقابل المنحنى الذي له أقل ضغط بخاري. المنحنى الذي له أقل ضغط بخاري هو المحلول (C)، إذن المحلول (C) له أعلى تركيز من .

عندما يقل الضغط البخاري بسبب إضافة مذاب، يجب تسخين المحلول إلى درجة حرارة أعلى لكي يكون الضغط البخاري مساويًا للضغط الخارجي أو الضغط الجوي. بعبارة أخرى، إضافة مذاب سيؤدي إلى زيادة درجة غليان السائل، وهذا يعرف باسم ارتفاع درجة الغليان.

يتأثر ارتفاع درجة الغليان بما إذا كان المذاب إلكتروليتًا أو لا إلكتروليتًا وبعدد مولات الأيونات الناتجة عند إذابة المذاب. يُنتج مول واحد من اللاإلكتروليت، مثل السكروز، مولًا واحدًا من جزيئات السكروز عندما يذوب في الماء. لكن، يُنتج مول واحد من إلكتروليت مثل مولين من الأيونات عندما يذوب في الماء. ونتيجة لذلك، من المتوقع أن يكون ارتفاع درجة الغليان لمحلول يحتوي على مول واحد من ضعف مقدار الارتفاع لمحلول يحتوي على مول واحد من السكروز. وبالمثل، من المتوقع أن يؤدي احتواء المحلول على مول واحد من إلى ارتفاع درجة الغليان بمقدار ثلاثة أمثال مقارنةً بمول واحد من السكروز.

يتأثر أيضًا عدد الجسيمات الموجودة في محلول ما بتركيز المذاب، ومن ثم نتوقع أن ارتفاع درجة الغليان يتناسب طرديًّا مع عدد جسيمات المذاب في المحلول. يوضِّح الجدول التالي درجات الغليان المتوقعة للماء النقي ومحاليل مائية تحتوي على إلكتروليتات مختلفة.

يمكننا حساب هذه الزيادة في درجة الغليان باستخدام المعادلة: حيث هو التغير في درجة الغليان، هو ثابت ارتفاع درجة الغليان (الذي له قيمة محدَّدة بناء على نوع المذيب)، هي مولالية المذاب، هو معامل فانت هوف، والذي يساوي عدد الجسيمات التي يتفكك إليها المذاب.

تؤثِّر إضافة مذاب إلى سائل أيضًا على درجة التجمُّد. عندما تتجمَّد مادة، تقترب جسيمات السائل بعضها من بعض لتكوين مادة صلبة. عند إضافة مذاب، تعيق جسيمات المذاب هذه العملية، ما يترتب عليه انخفاض درجة تجمُّد المادة. وهذا يُعرف باسم الانخفاض في درجة التجمُّد.

يتأثر أيضًا انخفاض درجة التجمُّد بما إذا كان المذاب إلكتروليتًا أو لا إلكتروليتًا، وعدد مولات الأيونات الناتجة عند إذابة المذاب.

ومن ثم، من المتوقع أن تكون قيمة انخفاض درجة التجمُّد لمحلول يحتوي على مول واحد من ضعف قيمة الانخفاض لمحلول يحتوي على مول واحد من السكروز. وبالمثل، من المتوقع أن يؤدي احتواء المحلول على مول واحد من إلى انخفاض درجة التجمُّد بمقدار ثلاثة أمثالٍ مقارنةً بالمحلول الذي يحتوي على مول واحد من السكروز.

ويتأثر أيضًا عدد الجسيمات الموجودة في محلولٍ ما بتركيز المذاب، ومن ثم نتوقع أن الانخفاض في درجة التجمُّد يتناسب طرديًّا مع عدد جسيمات المادة المذابة في المحلول. يوضِّح الجدول التالي درجات التجمُّد المتوقعة للماء النقي ومحاليل مائية تحتوي على إلكتروليتات مختلفة.

ولهذا السبب يُرش الملح في الطرق أثناء فصل الشتاء في بعض المناطق التي تتساقط فيها الثلوج. يؤدي الملح إلى تقليل درجة تجمُّد الماء على الطرق، ما يَحُول دون تكوين ثلوج.

يمكننا حساب الانخفاض في درجة التجمُّد باستخدام المعادلة: حيث هو التغير في درجة التجمُّد، هو ثابت درجة التجمُّد (الذي له قيمة محددة بناءً على نوع المذيب)، هي مولالية المذاب، هو معامل فانت هوف.

على سبيل المثال، فإن قيمة للماء هي ؛ ولذا عند إضافة مول واحد من الجلوكوز اللاإلكتروليتي‎ إلى 1‎ ‎000 g من الماء، فمن المتوقع أن تنخفض درجة التجمُّد إلى . ولكن، عند إضافة مول واحد من الإلكتروليتي إلى 1‎ ‎000 g من الماء، ينتج مولان من الأيونات. ونتيجة لذلك، من المتوقع أن تنخفض درجة التجمُّد بمقدار الضعف مقارنةً بدرجة التجمُّد في حالة الجلوكوز. وبذلك، تنخفض درجة التجمُّد بمقدار ، ومن ثم تصبح درجة التجمُّد: . وبالمثل، نتوقع أن يكون انخفاض درجة التجمُّد الناتج عن إضافة مول واحد من إلى 1‎ ‎000 g من الماء أقل بمقدار ثلاثة أمثالٍ مقارنةً بمول واحد من الجلوكوز.

يمكن قياس الضغط البخاري لمادة باستخدام أداة تسمى المانومتر، وهي أنبوب زجاجي منحنٍ يحتوي على سائل. عادةً ما يكون السائل داخل المانومتر هو الزئبق؛ لأن ضغط الزئبق البخاري منخفض للغاية، وهو ما يعني أنه سيكون له تأثير طفيف أو تأثير لا يذكر على نتيجة القياس.

هناك عدة طرق لإعداد مانومتر لقياس الضغط البخاري. يوضِّح الشكل التالي إعدادًا تجريبيًّا شائعًا. في هذا الشكل، أحد طرفَي المانومتر مفتوح للهواء، والطرف الآخر متصل بوعاء كروي.

سيَملأ الهواءُ الوعاءَ الكروي إذا لم يكن مملوءًا بنوع آخر من السائل. يؤثِّر الهواء بضغط على الزئبق من أحد الطرفين، بينما يؤثِّر الغلاف الجوي بضغط من الطرف الآخر. سيرتفع مستوى الزئبق في الطرف الأيمن والأيسر إلى الارتفاع نفسه لأن الضغط الجوي يساوي ضغط الهواء داخل الوعاء الكروي.

إذا تم ملء الوعاء بعد ذلك بسائل، فإن ضغط البخار سيضاف إلى ضغط الهواء الموجود في الوعاء. وعليه فإن الضغط على هذا الجانب من المانومتر يكون أكبر من الضغط على الجانب المفتوح للهواء. وهذا سيجعل الزئبق في المانومتر يرتفع في الجانب المفتوح للهواء.

توضِّح المعادلة التالية العلاقة بين ضغط السائل وارتفاعه:

وهنا هو الضغط، هي كثافة السائل، هي عجلة الجاذبية، هو ارتفاع السائل. هذا يعني أنه يمكننا استخدام الفرق في ارتفاع الزئبق على جانبَي المانومتر لتحديد الضغط البخاري للسائل.

مثال ٥: تحديد أيُّ مانومتر يُظهر عينة السائل ذات أعلى درجة حرارة

توضِّح الصورة الآتية ثلاثة أجهزة مانومتر، يحتوي كلٌّ منها على عينة من حمض الإيثانويك. في أيِّ مانومتر يوجد حمض الإيثانويك الذي له أعلى درجة حرارة؟

1. (أ)
2. (ب)
3. (ج)

الحل

المانومترات هي أدوات يمكن استخدامها لقياس ضغط العينة. يتكون المانومتر من أنبوب زجاجي منحنٍ مملوء بسائل معين، وعادةً ما يكون الزئبق. توجد عدة إعدادات تجريبية للمانومتر. في الشكل السابق، المانومتر متصل بدورق على اليسار يحتوي على عينة من حمض الإيثانويك. المانومتر مفتوح على الهواء الجوي من الجانب الأيمن. وفي الدورق، ستكون هناك كمية من الهواء، وكذلك بعض من بخار الإيثانويك نتيجة تبخُّر حمض الإيثانويك.

الضغط الناتج عن الغازات على كلا جانبَي السائل سيؤدي إلى دفع السائل، وهو ما يتسبب في رفع السائل لأعلى على أحد جانبَي الأنبوب. أيًّا كان الجانب الذي يتعرض لضغط أكبر سيدفع السائل أكثر في المانومتر؛ مما يتسبب في ارتفاع السائل على الجانب الآخر من الأنبوب. ونظرًا لأن أجهزة المانومتر الثلاثة توضِّح أن السائل يرتفع في الجانب الأيمن من الأنبوب، وهو الجانب المفتوح على الهواء الجوي، فنحن نعلم أن الضغط داخل الدورق في المانومترات الثلاثة أكبر من ضغط الغلاف الجوي.

علينا تحديد المانومتر الذي يحتوي على عينة حمض الإيثانويك التي لها أعلى درجة حرارة. عند زيادة درجة الحرارة، تتبخَّر كمية أكبر من حمض الإيثانويك، ما يزيد كمية بخار حمض الإيثانويك في الدورق. سيؤدي المزيد من بخار حمض الإيثانويك إلى وجود ضغط أكبر في الدورق. هذا يعني أن المانومتر الذي به أعلى ضغط في الدورق هو المانومتر الذي له أعلى درجة حرارة.

بالنظر إلى الأشكال الموضَّحة سابقًا، يمكننا ملاحظة أن المانومتر (ج) له الضغط الأكبر في الدورق؛ لأن الغازات في الدورق دَفعت السائل في الطرف الأيمن من الأنبوب إلى أعلى مستوًى. هذا يعني أن المانومتر (ج) يحتوي على حمض الإيثانويك الذي له أعلى درجة حرارة، لذا الخيار (ج) هو الإجابة الصحيحة.