蒸氣壓

以實例說明如何繪製二成份系統的相圖(下)

以實例說明如何繪製二成份系統的相圖(下)
國立臺灣師範大學化學系兼任教師邱智宏

連結:以實例說明如何繪製二成份系統的相圖(上)

由實際的例子練習繪製二成份系統的相圖,能讓學習者對相圖有更深入的理解及認知。「以實例說明如何繪製二成份系統的相圖(上)」,已經說明在理想狀況下,如何在定溫下製作壓力-成份相圖(pressure-composition phase diagram),但是實際的使用層面,定壓下,溫度-成份相圖(temperature-composition phase diagram)的應用則更為普遍,唯其繪製過程較前者複雜,一般教科書均無詳細說明,本文將以 $$1$$ 大氣壓力,正庚烷和正己烷的系統,說明其相圖之繪製步驟及方法。

首先,我們假設正庚烷(heptane)及正己烷(hexane)液體的混合為理想溶液,即各成份所呈現的蒸氣壓合乎拉午耳定律(Raoult’s law)。

$$p_{hex}=X_{hex}p^*_{hex}$$、$$p_{hept}=X_{hept}p^*_{hept}~~~~~~~~~(1)$$

其中 $$X_{hex}$$、$$X_{hept}$$ 分別為正己烷、正庚烷在液相的莫耳分率,$$X_{hex}+X_{hept}=1$$;$$p_{hex}^*$$、$$p_{hept}^*$$、分別為正己烷、正庚烷的飽和蒸氣壓;$$p_{hex}$$、$$p_{hept}$$ 分別為二者的分壓。

以實例說明如何繪製二成份系統的相圖(上)

以實例說明如何繪製二成份系統的相圖(上)
國立臺灣師範大學化學系兼任教師邱智宏

不論是純物質的相圖或是二成份混合物的相圖(binary phase diagram),其繪製方法均是依據真實的實驗數據加以呈現。但是基於對相圖本質上的了解,及實際的應用,若能在理想狀態下,根據熱力學的公式,利用實例練習如何繪製二成份混合物的相圖,將對相圖有更深入的理解及認知。

本文試以正庚烷(heptane)及正己烷(hexane)混合物的二成份系統,在固定溫度下,示範如何在定溫下製作壓力-成份相圖(pressure-composition phase diagram),並在(下)篇中說明如何在定壓下繪製溫度-成份相圖(temperature-composition phase diagram)。

蒸氣壓

蒸氣壓 (Vapor Pressure)
國立彰化高級中學賴文哲教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

蒸氣壓是指這種物質在氣相中的分壓,飽和蒸氣壓是蒸氣與非蒸氣在平衡狀態的壓力,這種平衡狀態是ㄧ種動態平衡,處於液態和固態的物質有汽化至氣態的趨勢;處於氣態的物質也有回到液態和固態的趨勢。

液體靠近表面的分子,動能較大的會逃脫而進入氣態,然而逃脫分子也可能會與液體上方的氣體分子相碰撞,而使得有些分子重返液體內。密閉容器中,由液體逃脫的 分子越來越多,這些逃脫的分子也會碰撞到液體表面而被捕捉,這就出現凝結現象。當汽化和凝結過程均以同一速率進行即平衡達成時,蒸氣中的分子數目將不會改 變,此時液體呈現的蒸氣壓稱為飽和蒸氣壓,溫度越高飽和蒸氣壓越大。

蒸氣壓與沸點 (Boiling Point)

蒸氣壓與沸點 (Boiling Point)
國立台灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

每一種物質在一密閉系統中,當其液態和氣態達到一動態平衡時,我們稱這時候物質蒸氣的壓力為飽和蒸汽壓。物質的蒸氣壓只隨物質的種類和溫度變化,所以定溫下純物質皆有固定的蒸氣壓。不過蒸氣壓和溫度變化為一非線性關係,有興趣的同學可參考Clausius-Clapeyron relation。
當液體的蒸氣壓等於液面上的大氣壓力時,液體的內部會發生劇烈的汽化現象,此時的溫度稱為沸點。因此,大氣壓力的大小決定了沸點的高低。例如,高山上氣體稀薄,氣壓低,沸點也跟著降低。一般而言,我們稱在大氣壓為一大氣壓(1 atm)下的測得的沸點為「正常沸點」(Normal boiling point)。(圖一中紅圈處為該物質之正常沸點)

蒸氣壓

蒸氣壓 (Vapor Pressure)
國立臺灣大學化學系陳藹然博士/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

蒸氣壓,顧名思義就是指蒸氣的壓力。

蒸氣從哪裡來?所有的凝態物質(Condensed material),包含液態和固態物質,其物質表面的粒子只要從環境中吸收了足夠的能量,都會有脫離物質表面變成氣體粒子的機會,這些變成氣態的粒子就是此物質的蒸氣 (Vapor),如果是液體變氣體稱之為蒸發或汽化 (Vaporation),固體變氣體的話則是昇華(Sublimation)。

當物質被放置於一個密閉容器中,蒸氣粒子的運動範圍受到容器的限制開始撞擊器壁,蒸氣粒子撞擊器壁所產生的壓力就稱之為「蒸氣壓」。部分被器壁彈回的氣體粒子碰撞到了凝態物質表面,因為本身具有的能量不足以脫離物質表面,重新被凝態粒子吸引停留在物質中,這個過程稱為「凝結 (Condensation)」。如果凝態物質為液體時,我們則稱此蒸氣凝結為液體的過程為「液化(Liquification)」。

蒸氣壓隨溫度變化,定溫下,當蒸發(汽化)速率等於凝結或液化速率時,液體上方的氣體粒子數目不變,達到一個動態平衡 (Dynamic equilibrium),其平衡壓力也不變,稱為該物質在該溫度時的「飽和蒸汽壓」或平衡蒸氣壓(Equilibrium vapor pressure),簡稱為蒸氣壓。可參考下列網站動畫(Flash) http://www.mhhe.com/physsci/chemistry/e … aporv3.swf