- Waar bestaat het uit?
- Gemiddelde kinetische energie
- Dampdruk
- Warmte van verdamping van water
- Van ethanol
- Van aceton
- Van cyclohexaan
- Van benzeen
- Van tolueen
- Van hexaan
- Referenties
De warmteverdamping of enthalpie van verdamping is de energie die een gram vloeibare substantie moet absorberen bij het kookpunt bij constante temperatuur; dat wil zeggen om de overgang van de vloeibare naar de gasfase te voltooien. Het wordt meestal uitgedrukt in de eenheden j / g of cal / g; en in kJ / mol, als we het hebben over de molaire enthalpie van verdamping.
Dit concept is meer alledaags dan het lijkt. Zo werken veel machines, zoals stoomtreinen, op de energie die vrijkomt door waterdamp. Er zijn grote dampmassa's te zien die naar de hemel opstijgen op het aardoppervlak, zoals in de onderstaande afbeelding.
Bron: Pxhere
Ook koelt of verfrist de verdamping van zweet op de huid door het verlies van kinetische energie; wat zich vertaalt in een temperatuurdaling. Het gevoel van frisheid neemt toe als het briesje waait, omdat het de waterdamp sneller uit de zweetdruppels verwijdert.
De verdampingswarmte hangt niet alleen af van de hoeveelheid stof, maar ook van de chemische eigenschappen ervan; vooral van de moleculaire structuur en het type intermoleculaire interacties dat aanwezig is.
Waar bestaat het uit?
De verdampingswarmte (ΔH vap ) is een fysieke variabele die de cohesiekrachten van de vloeistof weerspiegelt. Onder cohesiekrachten worden die krachten verstaan die moleculen (of atomen) in de vloeistoffase bij elkaar houden. Vluchtige vloeistoffen hebben bijvoorbeeld zwakke cohesiekrachten; terwijl die van water erg sterk zijn.
Wat is de reden dat de ene vloeistof vluchtiger is dan de andere en dat het daardoor meer warmte nodig heeft om volledig te verdampen bij het kookpunt? Het antwoord ligt in de intermoleculaire interacties of Van der Waals-krachten.
Afhankelijk van de moleculaire structuur en de chemische identiteit van de stof, variëren de intermoleculaire interacties ervan, evenals de omvang van de cohesiekrachten. Om dit te begrijpen, moeten verschillende stoffen met verschillende ΔH- damp worden geanalyseerd .
Gemiddelde kinetische energie
De cohesiekrachten in een vloeistof kunnen niet erg sterk zijn, anders zouden de moleculen niet trillen. Hier verwijst "trillen" naar de vrije en willekeurige beweging van elk molecuul in de vloeistof. Sommige gaan langzamer of sneller dan andere; dat wil zeggen, ze hebben niet allemaal dezelfde kinetische energie.
Daarom spreken we van een gemiddelde kinetische energie voor alle moleculen van de vloeistof. Die moleculen zullen snel genoeg in staat zijn om de intermoleculaire krachten te overwinnen die het in de vloeistof houden, en zullen ontsnappen naar de gasfase; meer nog, als ze aan de oppervlakte zijn.
Zodra het eerste molecuul M met hoge kinetische energie ontsnapt en de gemiddelde kinetische energie opnieuw wordt geschat, neemt deze af.
Waarom? Omdat naarmate de snellere moleculen in de gasfase ontsnappen, de langzamere in de vloeistof blijven. Een hogere moleculaire traagheid is gelijk aan afkoeling.
Dampdruk
Als M-moleculen naar de gasfase ontsnappen, kunnen ze terugkeren naar de vloeistof; Als de vloeistof echter wordt blootgesteld aan de omgeving, zullen onvermijdelijk alle moleculen de neiging hebben om te ontsnappen en er wordt gezegd dat er een verdamping heeft plaatsgevonden.
Als de vloeistof in een hermetisch afgesloten container wordt bewaard, kan een vloeistof-gas-evenwicht worden bereikt; dat wil zeggen, de snelheid waarmee de gasvormige moleculen vertrekken, zal dezelfde zijn als waarmee ze binnenkomen.
De druk die door gasmoleculen op het oppervlak van de vloeistof in dit evenwicht wordt uitgeoefend, staat bekend als de dampspanning. Als de container open is, zal de druk lager zijn dan die inwerkt op de vloeistof in de gesloten container.
Hoe hoger de dampspanning, hoe vluchtiger de vloeistof is. Omdat ze vluchtiger zijn, zijn de cohesiekrachten zwakker. En daarom zal er minder warmte nodig zijn om het tot zijn normale kookpunt te verdampen; dat wil zeggen, de temperatuur waarbij de dampdruk en de atmosferische druk gelijk zijn, 760 torr of 1atm.
Warmte van verdamping van water
Watermoleculen kunnen de beroemde waterstofbruggen vormen: H - O - H-OH 2 . Dit speciale type intermoleculaire interactie, hoewel zwak als je kijkt naar drie of vier moleculen, is extreem sterk als het om miljoenen gaat.
De verdampingswarmte van water bij het kookpunt is 2260 J / g of 40,7 kJ / mol . Wat betekent het? Om een gram water bij 100 ° C te verdampen, heb je 2260 J nodig (of 40,7 kJ om een mol water te verdampen, dat wil zeggen ongeveer 18 g).
Water op menselijke lichaamstemperatuur, 37ºC, heeft een hogere ΔH- damp . Waarom? Omdat, zoals de definitie zegt, het water verwarmd moet worden tot 37ºC totdat het zijn kookpunt bereikt en volledig verdampt; daarom is ΔH vap hoger (en zelfs hoger als het gaat om koude temperaturen).
Van ethanol
De ΔH- damp van ethanol op het kookpunt is 855 J / g of 39,3 kJ / mol. Merk op dat het inferieur is aan die van water, omdat de structuur, CH 3 CH 2 OH, nauwelijks een waterstofbinding kan vormen. Het blijft echter een van de vloeistoffen met de hoogste kookpunten.
Van aceton
De AH- damp van aceton is 521 J / g of 29,1 kJ / mol. Omdat het zijn verdampingswarmte weerkaatst, is het een veel vluchtigere vloeistof dan water of ethanol, en daarom kookt het bij een lagere temperatuur (56ºC).
Waarom? Omdat de CH 3 OCH 3- moleculen geen waterstofbruggen kunnen vormen en alleen kunnen interageren via dipool-dipoolkrachten.
Van cyclohexaan
Voor cyclohexaan is de ΔH- damp 358 J / g of 30 kJ / mol. Het bestaat uit een zeshoekige ring met de formule C 6 H 12 . De moleculen reageren via Londense verstrooiingskrachten, omdat ze apolair zijn en geen dipoolmoment hebben.
Merk op dat hoewel het zwaarder is dan water (84 g / mol versus 18 g / mol), de cohesiekrachten lager zijn.
Van benzeen
De ΔH- damp van benzeen, een aromatische hexagonale ring met formule C 6 H 6 , is 395 J / g of 30,8 kJ / mol. Net als cyclohexaan werkt het samen door middel van dispersiekrachten; maar het is ook in staat om dipolen te vormen en het oppervlak van de ringen (waar hun dubbele bindingen zijn gedelokaliseerd) naar andere te verplaatsen.
Dit verklaart waarom het apolair en niet erg zwaar is en een relatief hoge ΔH- damp heeft .
Van tolueen
De ΔH- damp van tolueen is zelfs hoger dan die van benzeen (33,18 kJ / mol). Dit komt door het feit dat, naast de bovengenoemde, zijn methylgroepen, CH 3 collaborate op het dipoolmoment tolueen; ook kunnen ze interageren door verspreidingskrachten.
Van hexaan
En tot slot is de ΔH- damp van hexaan 335 J / g of 28,78 kJ / mol. De structuur is CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 , dat wil zeggen lineair, in tegenstelling tot die van cyclohexaan, dat hexagonaal is.
Hoewel hun molecuulmassa's heel weinig verschillen (86 g / mol versus 84 g / mol), heeft de cyclische structuur direct invloed op de manier waarop de moleculen met elkaar in wisselwerking staan. Omdat het een ring is, zijn de verspreidingskrachten effectiever; aan de andere kant zijn ze meer "dwalend" in de lineaire structuur van hexaan.
De ΔH- dampwaarden voor hexaan zijn in strijd met die voor aceton. In principe, hexaan, omdat het een hoger kookpunt (81ºC), moet een hebben groter AH vap dan aceton, die kookt bij 56 ° C.
Het verschil is dat aceton een hogere warmtecapaciteit heeft dan hexaan. Dit betekent dat om een gram aceton van 30 ° C naar 56 ° C te verwarmen en te verdampen, er meer warmte nodig is dan om een gram hexaan van 30 ° C naar het kookpunt van 68 ° C te verwarmen.
Referenties
- TutorVista. (2018). Enthalpie van verdamping. Hersteld van: chemistry.tutorvista.com
- Chemie LibreTexts. (3 april 2018). Warmte van verdamping. Hersteld van: chem.libretexts.org
- Dortmund-databank. (sf). Standaard verdampingswarmte van cyclohexaan. Hersteld van: ddbst.com
- Chickos JS & Acree WE (2003). Enthalpie van verdamping van organische en organometaalverbindingen, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, deel 32, nr. 2.
- Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren, p 461-464.
- Khan Academy. (2018). Warmtecapaciteit, verdampingswarmte en dichtheid van water. Hersteld van: es.khanacademy.org