Давление насыщенных паров ацетона от температуры. Ацетон: формула, особенности свойств, применение

Испарение – это переход жидкости в пар со свободной поверхности при температурах ниже точки кипения жидкости. Испарение происходит в результате теплового движения молекул жидкости. Скорость движения молекул колеблется в широких пределах, сильно отклоняясь в обе стороны от ее среднего значения. Часть молекул, имеющих достаточно большую кинетическую энергию, вырывается из поверхностного слоя жидкости в газовую (воздушную) среду. Избыточная энергия теряемых жидкостью молекул затрачивается на преодоление сил взаимодействия между молекулами и работу расширения (увеличения объема) при переходе жидкости в пар.

Испарение является эндотермическим процессом. Если к жидкости не подводится извне тепло, то в результате испарения она охлаждается. Скорость испарения определяется количеством пара, образующегося за единицу времени на единице поверхности жидкости. Это необходимо учитывать в производствах, связанных с применением, получением или переработкой легковоспламеняющихся жидкостей. Увеличение скорости испарения при повышении температуры приводит к более быстрому образованию взрывоопасных концентраций паров. Максимальная скорость испарения наблюдается при испарении в вакуум и в неограниченный объем. Это можно объяснить следующим образом. Наблюдаемая скорость процесса испарения является суммарной скоростью процесса перехода молекул из жидкой фазы V 1 и скоростью конденсации V 2 . Суммарный процесс равен разности этих двух скоростей: . При постоянной температуре V 1 не изменяется, а V 2 пропорциональна концентрации пара. При испарении в вакуум в пределе V 2 = 0 , т.е. суммарная скорость процесса максимальная.

Чем больше концентрация пара, тем выше скорость конденсации, следовательно, ниже суммарная скорость испарения. На поверхности раздела между жидкостью и ее насыщенным паром скорость испарения (суммарная) близка к нулю. Жидкость, находящаяся в закрытом сосуде, испаряясь, образует насыщенный пар. Насыщенным называется пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью. Динамическое равновесие при данной температуре наступает тогда, когда число испаряющихся молекул жидкости равно числу конденсирующихся молекул. Насыщенный пар, выходя из открытого сосуда в воздух, разбавляется им и становится ненасыщенным. Следовательно, в возду

хе помещений, где находятся емкости с горячими жидкостями, имеется ненасыщенный пар этих жидкостей.

Насыщенные и ненасыщенные пары оказывают давление на стенки сосудов. Давлением насыщенного пара называют давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью при данной температуре. Давление насыщенного пара всегда выше, чем ненасыщенного. Оно не зависит от количества жидкости, величины ее поверхности, формы сосуда, а зависит только от температуры и природы жидкости. С повышением температуры давление насыщенного пара жидкости увеличивается; при температуре кипения давление пара равно атмосферному. Для каждого значения температуры давление насыщенного пара индивидуальной (чистой) жидкости постоянно. Давление насыщенного пара смесей жидкостей (нефти, бензина, керосина и др.) при одной и той же температуре зависит от состава смеси. Оно увеличивается с увеличением содержания в жидкости низкокипящих продуктов.

Для большинства жидкостей давление насыщенного пара при различной температуре известно. Значения давления насыщенных паров некоторых жидкостей при различных температурах приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Давление насыщенных паров веществ при различных температурах

Вещество	Давление насыщенных паров, Па, при температуре, К
Бутилацетат Бакинский авиационный бензин Метиловый спирт Сероуглерод Скипидар Этиловый спирт Этиловый эфир Этилацетат

Найденное по табл.

5.1 давление насыщенного пара жидкости является составной частью общего давления смеси паров с воздухом.

Допустим, что смесь паров с воздухом, образуемая над поверхностью сероуглерода в сосуде при 263 К, имеет давление 101080 Па. Тогда давление насыщенного пара сероуглерода при этой температуре равно 10773 Па. Следовательно, воздух в этой смеси имеет давление 101080 – 10773 = 90307 Па. С повышением температуры сероуглерода

давление насыщенных паров его увеличивается, давление воздуха уменьшается. Общее давление остается постоянным.

Часть общего давления, приходящаяся на долю данного газа или пара, называется парциальным. В данном случае давление паров сероуглерода (10773 Па) можно назвать парциальным давлением. Таким образом, общее давление паровоздушной смеси складывается из суммы парциальных давлений паров сероуглерода, кислорода и азота: Р пар + + = Р общ. Поскольку давление насыщенных паров составляет часть общего давления смеси их с воздухом, появляется возможность по известному общему давлению смеси и давлению паров определять концентрации паров жидкостей в воздухе.

Давление насыщенного пара жидкостей обусловлено числом молекул, ударяющихся о стенки сосуда, или концентрацией паров над поверхностью жидкости. Чем выше концентрация насыщенного пара, тем больше будет его давление. Связь между концентрацией насыщенного пара и его парциальным давлением можно найти следующим образом.

Допустим, что удалось бы отделить пар от воздуха, причем давление в той и другой частях осталось бы равным общему давлению Р общ. Тогда объемы, занимаемые паром и воздухом, соответственно уменьшились бы. Согласно закону Бойля – Мариотта, произведение давления газа на его объем при постоянной температуре есть величина постоянная, т.е. для нашего гипотетического случая получим:

.

Название компонента	Коэффициенты уравнения Антуана
Бутанол-1
Винилацетат
Метилацетат
Морфолин
Муравьиная кислота
Уксусная кислота
Пирролидин
Бензиловый спирт
Этантиол
Хлорбензол
Трихлорэтилен *
Хлороформ
Триметилборат *
Метилэтилкетон
Этиленгликоль
Этилацетат
2-Метил-2-пропанол
Диметилформамид

Примечания: 1)

* данные.

Основная литература

Серафимов Л.А., Фролкова А.К. Фундаментальный принцип перераспределения полей концентраций между областями разделения как основа создания технологических комплексов. Теор. основы хим. технол.,1997–Т. 31, №2. с.184–192.

Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза.- М.: Химия, 1992. 432 с.

Коган В. Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация.– Л.: Химия,1971. 432с.

Свентославский В.В. Азеотропия и полиазеотропия. – М.:Химия, 1968. –244 с.

Серафимов Л.А., Фролкова А.К. Общие закономерности и классификация бинарных жидких растворов в терминах избыточных термодинамических функций. Методические указания. – М.: А/О Росвузнаука,1992. 40 с.

Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. Т.1. – М.:Мир,1989. 304 с.

Термодинамика равновесия жидкость-пар./ Под редакцией Морачевского А.Г.  Л.: Химия, 1989.344 с.

Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. Справочник.Л.: Химия, 1971.848 с.

Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие, в 2-х томах. М.-Л.: Наука, 1966.

Людмирская Г.С., Барсукова Т.В., Богомольный А.М. Равновесие жидкость пар. Справочник. Л.: Химия, 1987.336 с.

Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей.Л.: Химия, 1982. 592 с.

Белоусов В.П., Морачевский А.Г. Теплоты смешения жидкостей. Справочник. Л.: Химия, 1970 256 с.

Белоусов В.П., Морачевский А.Г., Панов М.Ю. Тепловые свойства растворов неэлектролитов. Справочник.  Л.: Химия, 1981.264 с.

Давление насыщенного пара жидкости с повышением температуры увеличивается (рис. 8.2), и как только оно станет равным атмосферному, жидкость закипает. Из рис. 8.2 видно, что давление насыщенного пара закономерно повышается с увеличением температуры. При одинаковом внешнем давлении жидкости закипают при различной температуре, так как имеют неодинаковое давление насыщенного пара.

ацетон этанол вода

Температура, оС

Рис. 8.2 Зависимость давления насыщенного пара (Р×10-5 Па.) жидкости от температуры (ацетон, этиловый спирт, вода – соответственно).

Если изменить внешнее давление, то температура кипения жидкости будет изменяться. С повышением внешнего давления температура кипения увеличивается, а с понижением (вакуум) – уменьшается. При определенной величине внешнего давления жидкость может кипеть при комнатной температуре.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры выражается уравнением Клаузиуса – Клапейрона

, (8.1)

где - мольная энтальпия испарения, ; - мольное изменение объема в процессе испарения, равное .

При испарении жидкости резко изменяется объем паровой фазы по сравнению с жидкой. Так, при испарении 1 воды при 25 оС и давлении 760 мм рт. ст. образуется 1244 пара, т.е. объем увеличился в 1244 раза. Поэтому в уравнении объемом жидкости можно пренебречь: , .

. (8.2)

С учетом уравнения Менделеева–Клапейрона и тогда

. (8.3)

Интегрирование уравнения (8.3) приводит к формуле

. (8.4)

Эта формула носит имя двух ученых – Клаузиуса и Клапейрона, которые вывели ее из различных исходных положений.

Формула Клаузиуса–Клапейрона применима ко всем фазовым переходам, включая плавление, испарение и растворение вещества.

Теплота испарения жидкости - это количество теплоты, поглощаемое жидкостью при изотермическом испарении. Различают мольную теплоту испарения и удельную теплоту испарения (относящуюся к 1 г жидкости). Чем выше теплота испарения, тем жидкость при прочих равных условиях испаряется медленнее, так как молекулам приходится преодолевать большие силы межмолекулярного взаимодействия.

Сопоставление теплот испарения может быть более простым, если их рассматривать при постоянной температуре.

Для определения широко используется правило Трутона: мольная теплота испарения при атмосферном давлении (Р = const) различных жидкостей прямо пропорциональна их температуре кипения Ткип

или

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом Трутона и для большинства нормальных (неассоциированных) жидкостей равен 88,2 - 92,4 .

Теплота испарения данной жидкости зависит от температуры. С повышением температуры она понижается и при критической температуре становится равной нулю.

В инженерных расчетах используется эмпирическое уравнение Антуана

, (8.5)

где А, В, - константы, характеризующие вещество.

Найденные зависимости давления насыщенного пара от температуры используются в пожарно–технических расчетах для вычисления концентра- ции пара (; %), температурных пределов распространения пламени

.

В условиях пожара жидкости испаряются в окружающее пространство. Скорость испарения жидкости при этом определяет скорость ее выгорания. В этом случае на скорость испарения решающее влияние оказывает количество тепла, поступающее из зоны горения.

Скорость выгорания жидкостей непостоянна. Она зависит от начальной температуры жидкости, диаметра резервуара, уровня жидкости в нем, скорости ветра и т.д.

Давление насыщенного пара над растворами неограниченно смешивающихся жидкостей

В практике широко используются многочисленные растворы, состоящие из двух и более хорошо растворимых друг в друге жидкостей. Наиболее простыми являются смеси (растворы), состоящие из двух жидкостей – бинарные смеси. Закономерности, найденные для таких смесей, можно использовать и для более сложных. К таким бинарным смесям можно отнести: бензол-толуол, спирт-эфир, ацетон-вода, спирт-вода и т.д. В этом случае в паровой фазе содержатся оба компонента. Давление насыщенного пара смеси будет слагаться из парциальных давлений компонентов. Так как переход растворителя из смеси в парообразное состояние, выражаемое его парциальным давлением, тем значительнее, чем больше содержание его молекул в растворе, Рауль нашел, что «парциальное давление насыщенного пара растворителя над раствором равно произведению давления насыщенного пара над чистым растворителем при той же температуре на его мольную долю в растворе»:

, (8.6)

где - давление насыщенного пара растворителя над смесью; - давление насыщенного пара над чистым растворителем; N – мольная доля растворителя в смеси.

Уравнение (8.6) является математическим выражением закона Рауля. Для описания поведения летучего растворенного вещества (второго компонента бинарной системы) применяется это же выражение.

Простейший представитель кетонов. Бесцветная легкоподвижная летучая жидкость с резким характерным запахом. Он полностью смешивается с водой и большинством органических растворителей. Ацетон хорошо растворяет многие органические вещества (ацетилцеллюлозу и нитроцеллюлозу, жиры, воск, резину и др.), а также ряд солей (хлорид кальция, иодид калия). Является одним из метаболитов, производимых человеческим организмом.

Применение ацетона :

При синтезе поликарбонатов, полиуретанов и эпоксидных смол;

В производстве лаков;

В производстве взрывчатых веществ;

В производстве лекарственных препаратов;

В составе клея для киноплёнок как растворитель ацетата целлюлозы;

Компонент для очистки поверхностей в различных производственных процессах;

Широко используется для хранения ацетилена, который не может храниться под давлением в чистом виде из-за опасности взрыва (для этого используют ёмкости с пористым материалом, пропитанные ацетоном. 1 литр ацетона растворяет до 250 литров ацетилена).

Опасность для человека:

Опасность при разовом воздействии высоких концентраций ацетона.Пар раздражает глаза и дыхательные пути. Вещество может оказывать действие на центральную нервную систему, печень, почки, желудочно-кишечный тракт. Вещество может всасываться в организм при вдыхании и через кожу. Длительный контакт с кожей может вызвать дерматит. Вещество может оказывать действие на кровь и костный мозг. Из за высокой токсичности в Европе вместо ацетона, чаще применяют метилэтилкетон.

Пожарная опасность:

Сильно огнеопасно. Ацетон относят к класу 3,1 ЛВЖ с температурой вспышки менее +23 град.С. Не допускать открытого огня, искр и курения. Смесь паров ацетона с воздухом взрывоопасна. Опасное загрязнение воздуха будет достигаться довольно быстро при испарении этого вещества при 20°C. При распылении - еще быстрее. Пар тяжелее воздуха и может стелиться по земле. Вещество может образовать взрывоопасные перекиси при контакте с сильными окислителями, такими как уксусная кислота, азотная кислота, перекись водорода. Реагирует с хлороформом и бромоформом при обычных условиях с опасностью пожара и взрыва. Ацетон агрессивен в отношении некоторых видов пластика.

В таблице представлены теплофизические свойства пара бензола C 6 H 6 при атмосферном давлении.

Даны значения следующих свойств: плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности, динамическая и кинематическая вязкость, температуропроводность, число Прандтля в зависимости от температуры. Свойства даны в диапазоне температуры от .

По данным таблицы видно, что значения плотности и числа Прандтля при повышении температуры газообразного бензола уменьшаются. Удельная теплоемкость, теплопроводность, вязкость и температуропроводность при нагревании пара бензола увеличивают свои значения.

Следует отметить, что плотность пара бензола при температуре 300 К (27°С) составляет 3,04 кг/м 3 , что намного ниже этого показателя у жидкого бензола (см. ).

Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 Не забудьте разделить на 1000.

Теплопроводность пара бензола

В таблице даны значения теплопроводности пара бензола при атмосферном давлении в зависимости от температуры в интервале от 325 до 450 К.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 4 . Не забудьте разделить на 10000.

В таблице приведены значения давления насыщенного пара бензола в диапазоне температуры от 280 до 560 К. Очевидно, что при нагревании бензола давление его насыщенных паров увеличивается.

Источники:
1.
2.
3. Волков А. И., Жарский И. М. Большой химический справочник. — М: Советская школа, 2005. — 608 с.