فيديو الدرس: الضغط البخاري الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم معنى الضغط البخاري، وعلاقته بدرجة الغليان، والعوامل التي تؤثر على الضغط البخاري للسائل. قبل المتابعة، من المهم توضيح شيء ما. مصطلح الضغط البخاري، مثل الضغط البخاري لسائل مثل الماء، له معنى خاص في الكيمياء. فليس بالضرورة أن يكون ضغط الغاز فوق سائل أو مساهمة ضغط غاز معين فوق سائل. قد يكون هذا مزعجًا ومحيرًا، لكن واصل الاستماع وستدرك ما يعنيه الضغط البخاري للكيميائيين عادة.

أمامنا هنا ماء موضوع في كأس زجاجي. إذا سخنا هذا الماء حتى درجة غليانه، وهي 100 درجة سلزية، فسيغلي ويكون فقاعات. وإذا سخناه لمدة كافية، فسيغلي كله. والآن، لنعد ونلق نظرة فاحصة. لدينا هنا الماء الذي درجة حرارته أقل من 100 درجة سلزية. لنفترض أنه في درجة حرارة الغرفة، وهي 25 درجة سلزية. بتكبير الصورة نلاحظ أن سطح الماء سطح مموج معقد تتحرك فيه جزيئات الماء في جميع الأنحاء. لكننا سنبقي الأمر بسيطًا ونرسم خطًّا مستقيمًا أزرق. فوق الماء لدينا الهواء، وهو أقل كثافة من الماء 1000 مرة تقريبًا. لدينا في الهواء عدة غازات، مثل النيتروجين، والأكسجين، والأرجون، وثاني أكسيد الكربون، وغيرها. لكن حتى عند 25 درجة، لا يكون لدينا ماء فقط في الماء. وإنما يكون لدينا بخار ماء في الهواء.

تتبخر السوائل حتى عند درجات أقل من درجة غليانها. فالبرك الصغيرة لا تغلي، لكنها تختفي في النهاية بفعل حرارة الشمس. والضغط البخاري هو قياس يساعدنا في فهم ما يحدث بين وجود الماء في درجة حرارة الغرفة وغليانه. لكن لكي نفهم ذلك بشكل أفضل، سنحتاج إلى بيئة أكثر إحكامًا. إذا كان لدينا ماء معرض للهواء، فإن مقياس الضغط سيقيس الضغط الجوي. عند تسخين الماء وتزايد تبخره أكثر فأكثر، ستكون قراءة مقياس الضغط دائمًا ضغطًا جويًّا واحدًا. وذلك لأننا في نظام مفتوح. فضغط الغلاف الجوي بأكمله لن يتأثر بغلي قليل من الماء في المعمل. لذا نحتاج، بدلًا من ذلك، إلى نظام مغلق كي نتمكن من دراسة ما يحدث.

دعونا نضع الكأس الزجاجي في صندوق محكم الغلق مقاوم للضغط، ونسخن الماء كما فعلنا من قبل. عندما نسخن الماء الآن، سنلاحظ أن الضغط يرتفع. لكن شيئًا غريبًا يحدث. فالماء لا يغلي، على الرغم من أنه عند 100 درجة سلزية. ولا يغلي عند 105 درجات أو 110 درجات. نواصل التسخين، وعند 120 درجة سلزية، يكون الماء أخيرًا فقاعات ويغلي. نعلم أن الماء يغلي عند 100 درجة سلزية عندما يكون قياس الضغط الخارجي ضغطًا جويًّا واحدًا. لكن قراءة الضغط داخل الصندوق الآن هي وحدتا ضغط جوي. بغلي الماء، رفعنا الضغط داخل الصندوق بدرجة كبيرة.

لدينا الآن بيئة محكومة يمكننا فيها قياس الضغط، لكن السلوك مختلف تمامًا. فكيف نتأكد من أن الماء داخل الصندوق يغلي عند 100 درجة سلزية؟ كل ذلك الهواء الموجود في البداية هو مصدر الضغط الزائد. لذا دعونا نتخلص منه في البداية بمضخة تفريغ. أصبح الآن الصندوق بداخله ماء فقط. فيوجد ماء سائل في الكأس الزجاجي، وماء غازي في بقية الصندوق.

لنعد الآن عملية التسخين. عند 25 درجة، نرى أن الضغط يساوي صفرًا تقريبًا؛ فهو 0.02 ضغط جوي. عند 50 درجة سلزية، يستقر ضغط النظام عند عشر ضغط جوي تقريبًا. والضغط داخل الصندوق هو نصف ضغط جوي تقريبًا عند 80 درجة سلزية تقريبًا. وعندما نصل إلى 100 درجة سلزية وضغط جوي واحد، يغلي الماء. إذا واصلنا التسخين فوق 100 درجة، فسيتحول الماء في النهاية إلى بخار. لكن ذلك يعتمد على حجم الوعاء. كل ما كان يهمنا إيجاده هو درجة الغليان، وهي 100 درجة سلزية.

بذلك صارت لدينا طريقة لقياس الضغط البخاري لأي مادة عند درجة حرارة محددة. ويمكننا الآن تناول الضغط البخاري. الضغط البخاري هو الضغط الذي يؤثر به غاز في حالة اتزان ديناميكي مع حالته السائلة في نظام مغلق في غياب مواد أخرى مثل الهواء. يمكننا إدراك معنى مصطلح الاتزان الديناميكي إذا ألقينا نظرة أعمق. ستتبخر جزيئات الماء من سطح السائل وتتحول إلى الحالة الغازية. لكن في الوقت نفسه ستصطدم جزيئات الماء في حالتها الغازية بسطح السائل وتتكثف. للوصول إلى الاتزان الديناميكي، يجب أن يساوي معدل التبخير معدل التكثيف. هذا يعني أننا نقيس الضغط البخاري عندما يستقر النظام. والنقطة الأخيرة هنا هي أن الضغط البخاري لأي مادة هو كمية مقيسة عند درجة حرارة محددة.

والآن لنلق نظرة على العلاقة بين الضغط البخاري للمادة ودرجة غليانها. عندما نشير إلى درجة غليان مادة ما، نفترض بوجه عام أن الضغط يساوي ضغطًا جويًّا واحدًا؛ لأن هذا هو الظرف المعتاد لدينا. لذا يمكننا تعريف درجة الغليان ببساطة بأنها درجة الحرارة التي يكون عندها الضغط البخاري للمادة ضغطًا جويًّا واحدًا. لكن ثمة تعريفًا عامًّا لدرجة الغليان يعتمد على الضغط الخارجي، سواء أكان ضغطًا جويًّا واحدًا أم أي قيمة أخرى. يمكننا استخدام العلاقة بين درجة الغليان والضغط البخاري في توقع سلوك السوائل عند درجات حرارة أخرى. نعلم أن درجة غليان الماء هي 100 درجة سلزية؛ لذا يجب أن يكون الضغط البخاري للماء عند 100 درجة سلزية ضغطًا جويًّا واحدًا.

عند درجة حرارة أقل من 100 درجة سلزية، يكون الضغط البخاري للماء أقل من ضغط جوي واحد. لكن كيف يبدو المنحنى لمادة درجة غليانها أقل من ذلك، مثل الإيثانول الذي تبلغ درجة غليانه 78.4 درجة سلزية؟ أينما ننظر، يكن الضغط البخاري لسائل الإيثانول مقابل سائل الماء أعلى. ونظرًا لأن الإيثانول درجة غليانه أقل، فهو أكثر تطايرًا. عند إجراء المقارنات، علينا التأكد من أننا نجريها عند درجة الحرارة نفسها. تنطبق هذه القاعدة عندما نتعامل مع سائلين مختلفين. لكن عند التعامل مع المواد الصلبة والسوائل، يكون الأمر أكثر تعقيدًا. حتى الآن لم نتناول سوى الضغط البخاري للمواد النقية مثل الماء. لكن ماذا لو كان لدينا محلول؟

للمحلول ضغط بخاري أيضًا. فيمكننا وضع محلول في صندوق، وإزالة الهواء منه، ثم قياس ضغط الغاز بعد استقرار النظام. إذا أضفنا ملحًا إلى الماء، فهل سيرتفع الضغط البخاري أم سينخفض؟ عندما نضيف كلوريد الصوديوم، تتكون أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد، لكن يظل بإمكان الماء أن يتبخر. ومع ذلك، فإن معدل التكثيف سيكون أكبر من معدل التبخير. لذا نرى ضغطًا بخاريًّا منخفضًا ودرجة غليان مرتفعة مقارنة بالماء النقي. والتمثيل البياني للضغط البخاري مقابل درجة الحرارة سيبدو بهذا الشكل. يمكننا التفكير في أيونات الصوديوم وأيونات الكلوريد على أنها تقلل مساحة السطح المتاحة لتبخر الماء، وهو ما يؤدي إلى تباطؤ معدل التبخير.

هذا الانخفاض في الضغط البخاري للمحلول مقارنة بالمذيب النقي هو مثال على ما نسميه الخواص التجميعية. يعتمد انخفاض الضغط البخاري بدرجة كبيرة على عدد الجسيمات المذابة، لا ماهية هذه الجسيمات. ومن المثير أيضًا للاهتمام أن إضافة الملح إلى الماء تخفض درجة انصهاره وتزيد من درجة غليانه.

الآن سنترك الصندوق، ونتناول طرقًا واقعية لقياس الضغط البخاري. هناك عدة طرق لقياس الضغط البخاري لأي مادة، لكن أحد أبسط هذه الطرق يسمى المانومتر. المانومتر مفيد للغاية عندما يكون الضغط البخاري للمادة كبيرًا نسبيًّا. يوجد نوعان رئيسيان من المانومتر، لكننا سنتناول نوعًا واحدًا فقط، وهو المانومتر المفتوح الطرفين. الجزء الرئيسي في المانومتر هو أنبوب على شكل حرف ‪U‬‏ مصنوع عادة من الزجاج. داخل الزجاج، يوجد سائل. ومن المفيد أن يكون هذا السائل شديد الكثافة وله ضغط بخاري منخفض للغاية. ولهذا السبب يشيع استخدام الزئبق السائل. يترك أحد طرفي المانومتر مفتوحًا للهواء، ومن ثم يكون الضغط عند هذا الطرف ضغطًا جويًّا واحدًا دائمًا.

يمكن توصيل الطرف الآخر بالدورق. في الدورق، نضع مادة الاختبار النقية، ونتأكد من عدم وجود أي هواء. عندما يستقر النظام، يقابل الضغط البخاري للمادة الموجودة في الدورق الضغط الجوي، وهو ما يدفع الزئبق لأعلى أو لأسفل. إذا كان الضغط البخاري للمادة أكبر من ضغط جوي واحد عند درجة حرارة معينة، فسيكون الضغط في الطرف الأيسر أكبر من الضغط في الطرف الأيمن. ومن ثم يرتفع الزئبق في الطرف الأيمن وينخفض في الطرف الأيسر. لكن إذا كان الضغط البخاري أقل من ضغط جوي واحد، فسيكون الزئبق في الطرف الأيسر أعلى منه في الطرف الأيمن؛ لأن الضغط الجوي سيكون أكبر من الضغط البخاري.

الفرق في ارتفاع العمودين، إلى جانب كثافة الزئبق، يعطينا قياس الضغط. لكننا لن نتناول هذه العملية الحسابية في هذا الفيديو. ما يجب معرفته هنا هو أنه كلما زاد الضغط البخاري، انخفض المستوى في الطرف الأيسر، وارتفع المستوى في الطرف الأيمن. والآن حان الوقت لبعض الأسئلة التدريبية.

توضح الصورة التالية‪‎‬‏ ثلاثة أجهزة مانومتر، يحتوي كل منها على عينة من حمض الإيثانويك. في أي مانومتر تكون درجة حرارة حمض الإيثانويك هي الأعلى؟

يمكننا استخدام أجهزة المانومتر لقياس الضغط البخاري للمواد النقية. في جميع أجهزة المانومتر التي أمامنا، لدينا المقدار نفسه بالضبط من حمض الإيثانويك. فوق السائل وفي الأنبوب، سيكون لدينا حمض إيثانويك غازي. الجزء الآخر من المانومتر هو الأنبوب الذي على شكل حرف ‪U‬‏ ويحتوي على سائل كثيف. سأفترض هنا أنه الزئبق. إذا سخنا حمض الإيثانويك الموجود في الدورق، فستزيد كمية بخار الإيثانويك في الأنبوب. وهذا سيزيد الضغط على هذا الجانب من المانومتر. يقابل هذا الضغط البخاري الضغط الخارجي المؤثر على الجانب الآخر من الأنبوب الذي على شكل حرف ‪U‬‏. يمكننا افتراض أنه يبلغ ضغطًا جويًّا واحدًا. أهم ما في الأمر هو أن يكون متسقًا في (أ) و(ب) و(ج).

السؤال هنا هو: في أي مانومتر تكون درجة حرارة حمض الإيثانويك هي الأعلى؟ يمكننا تسمية درجات الحرارة (أ)‪𝑇‬‏، و(ب)‪𝑇‬‏، و(ج)‪𝑇‬‏. كلما انخفض مستوى الزئبق في جانب الدورق، زاد الضغط البخاري في الدورق. يمكننا ترتيب أجهزة المانومتر وفقًا لارتفاع الزئبق في جانب الدورق. أعلى ارتفاع هو (أ)، وأقل ارتفاع هو (ج). هذا يعني أن الضغط داخل (ج) يجب أن يكون الأعلى من بين الثلاثة، وأن درجة حرارة حمض الإيثانويك في (ج) أكبر منها في (ب) أو (أ). ومن ثم، فإن المانومتر الذي تكون فيه درجة حرارة حمض الإيثانويك هي الأعلى هو (ج).

دعونا نختم حديثنا بذكر النقاط الرئيسية. الضغط البخاري لأي مادة هو ضغط الغاز الذي يتحقق عند الوصول إلى اتزان ديناميكي مع المادة السائلة في نظام مغلق في غياب أي مواد أخرى عند درجة حرارة معينة. درجة غليان المادة هي درجة الحرارة التي يساوي عندها الضغط البخاري الضغط الخارجي. المواد الأكثر تطايرًا، وهي المواد ذات الضغوط البخارية الأعلى عند درجة حرارة معينة، تكون درجات غليانها أقل. وإضافة المواد المذابة إلى مذيبات، مثل الماء، تقلل الضغط البخاري، وترفع درجة الغليان، وتقلل درجة الانصهار.