VERDAMPFUNGSWÄRME: AUS WASSER, ETHANOL, ACETON, CYCLOHEXAN - CHEMIE - 2025

Die Verdampfungswärme oder Verdampfungsenthalpie ist die Energie, die ein Gramm flüssige Substanz bei konstanter Temperatur an ihrem Siedepunkt aufnehmen muss; das heißt, um den Übergang von der flüssigen zur Gasphase zu vervollständigen. Es wird normalerweise in den Einheiten j / g oder cal / g ausgedrückt; und in kJ / mol, wenn über die molare Verdampfungsenthalpie gesprochen wird.

Dieses Konzept ist alltäglicher als es scheint. Beispielsweise arbeiten viele Maschinen wie Dampfzüge mit der durch Wasserdampf freigesetzten Energie. Auf der Erdoberfläche steigen große Dampfmassen in den Himmel auf, wie im Bild unten.

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Auch die Verdampfung von Schweiß auf der Haut kühlt oder erfrischt sich aufgrund des Verlustes an kinetischer Energie; was sich in einem Temperaturabfall niederschlägt. Das Gefühl der Frische nimmt zu, wenn die Brise weht, da der Wasserdampf schneller aus den Schweißtropfen entfernt wird.

Die Verdampfungswärme hängt nicht nur von der Substanzmenge ab, sondern auch von ihren chemischen Eigenschaften; insbesondere der molekularen Struktur und der Art der vorhandenen intermolekularen Wechselwirkungen.

Woraus besteht es?

Die Verdampfungswärme (ΔH _vap ) ist eine physikalische Variable, die die Kohäsionskräfte der Flüssigkeit widerspiegelt. Unter Kohäsionskräften werden solche verstanden, die Moleküle (oder Atome) in der flüssigen Phase zusammenhalten. Flüchtige Flüssigkeiten haben beispielsweise schwache Kohäsionskräfte; während die des Wassers sehr stark sind.

Was ist der Grund dafür, dass eine Flüssigkeit flüchtiger als eine andere ist und daher mehr Wärme benötigt, um bei ihrem Siedepunkt vollständig zu verdampfen? Die Antwort liegt in den intermolekularen Wechselwirkungen oder Van-der-Waals-Kräften.

Abhängig von der Molekülstruktur und der chemischen Identität der Substanz variieren ihre intermolekularen Wechselwirkungen sowie die Größe ihrer Kohäsionskräfte. Um es zu verstehen, müssen verschiedene Substanzen mit unterschiedlichem AH _VAP analysiert werden .

Durchschnittliche kinetische Energie

Die Kohäsionskräfte in einer Flüssigkeit können nicht sehr stark sein, da sonst ihre Moleküle nicht vibrieren würden. Hier bezieht sich "vibrieren" auf die freie und zufällige Bewegung jedes Moleküls in der Flüssigkeit. Einige gehen langsamer oder schneller als andere; Das heißt, sie haben nicht alle die gleiche kinetische Energie.

Wir sprechen daher von einer durchschnittlichen kinetischen Energie für alle Moleküle der Flüssigkeit. Diese Moleküle werden schnell genug in der Lage sein, die intermolekularen Kräfte zu überwinden, die sie in der Flüssigkeit halten, und in die Gasphase entweichen. umso mehr, wenn sie an der Oberfläche sind.

Sobald das erste Molekül M mit hoher kinetischer Energie entweicht und die durchschnittliche kinetische Energie erneut geschätzt wird, nimmt sie ab.

Warum? Denn wenn die schnelleren Moleküle in die Gasphase entweichen, bleiben die langsameren in der Flüssigkeit. Höhere molekulare Langsamkeit bedeutet Abkühlen.

Dampfdruck

Wenn M-Moleküle in die Gasphase entweichen, können sie in die Flüssigkeit zurückkehren. Wenn die Flüssigkeit jedoch der Umgebung ausgesetzt ist, neigen zwangsläufig alle Moleküle zum Entweichen, und es wird gesagt, dass eine Verdunstung stattgefunden hat.

Wenn die Flüssigkeit in einem hermetisch verschlossenen Behälter aufbewahrt wird, kann ein Flüssig-Gas-Gleichgewicht hergestellt werden; Das heißt, die Geschwindigkeit, mit der die gasförmigen Moleküle austreten, ist dieselbe, mit der sie eintreten.

Der Druck, den Gasmoleküle in diesem Gleichgewicht auf die Oberfläche der Flüssigkeit ausüben, wird als Dampfdruck bezeichnet. Wenn der Behälter offen ist, ist der Druck niedriger als der auf die Flüssigkeit im geschlossenen Behälter wirkende.

Je höher der Dampfdruck ist, desto flüchtiger ist die Flüssigkeit. Je volatiler sie sind, desto schwächer sind ihre Kohäsionskräfte. Und deshalb wird weniger Wärme benötigt, um es zu seinem normalen Siedepunkt zu verdampfen; das heißt, die Temperatur, bei der der Dampfdruck und der atmosphärische Druck gleich sind, 760 Torr oder 1 atm.

Verdampfungswärme von Wasser

Wassermoleküle können die berühmten Wasserstoffbrückenbindungen bilden: H-O-H-OH ₂ . Diese spezielle Art der intermolekularen Wechselwirkung ist zwar schwach, wenn man drei oder vier Moleküle betrachtet, aber extrem stark, wenn es um Millionen von ihnen geht.

Die Verdampfungswärme von Wasser an seinem Siedepunkt beträgt 2260 J / g oder 40,7 kJ / mol . Was heißt das? Um ein Gramm Wasser bei 100 ° C zu verdampfen, benötigen Sie 2260 J (oder 40,7 kJ, um ein Mol Wasser zu verdampfen, dh etwa 18 g).

Wasser mit einer Körpertemperatur von 37 ° C hat einen höheren ΔH- _Dampf . Warum? Denn wie in der Definition angegeben, muss das Wasser auf 37 ° C erhitzt werden, bis es seinen Siedepunkt erreicht und vollständig verdunstet ist. daher ist ΔH _vap höher (und sogar höher, wenn es um kalte Temperaturen geht).

Aus Ethanol

Der ΔH- _Dampf von Ethanol bei seinem Siedepunkt beträgt 855 J / g oder 39,3 kJ / mol. Es ist zu beachten, dass es dem von Wasser unterlegen ist, da seine Struktur CH ₃ CH ₂ OH kaum eine Wasserstoffbindung bilden kann. Es zählt jedoch weiterhin zu den Flüssigkeiten mit den höchsten Siedepunkten.

Aus Aceton

Der ΔH- _Dampf von Aceton beträgt 521 J / g oder 29,1 kJ / mol. Da es seine Verdampfungswärme reflektiert, ist es eine viel flüchtigere Flüssigkeit als Wasser oder Ethanol und siedet daher bei einer niedrigeren Temperatur (56 ° C).

Warum? Weil seine CH ₃ OCH ₃ -Moleküle keine Wasserstoffbrückenbindungen bilden können und nur durch Dipol-Dipol-Kräfte interagieren können.

Von Cyclohexan

Für Cyclohexan beträgt sein ΔH- _Dampf 358 J / g oder 30 kJ / mol. Es besteht aus einem sechseckigen Ring mit der Formel C ₆ H ₁₂ . Seine Moleküle interagieren durch Londoner Streukräfte, weil sie unpolar sind und kein Dipolmoment haben.

Beachten Sie, dass es zwar schwerer als Wasser ist (84 g / mol gegenüber 18 g / mol), seine Kohäsionskräfte jedoch geringer sind.

Von Benzol

Der ΔH- _Dampf von Benzol, einem aromatischen hexagonalen Ring mit der Formel C ₆ H ₆ , beträgt 395 J / g oder 30,8 kJ / mol. Wie Cyclohexan interagiert es durch Dispersionskräfte; Es ist aber auch in der Lage, Dipole zu bilden und die Oberfläche der Ringe (wo ihre Doppelbindungen delokalisiert sind) auf andere zu verlagern.

Dies erklärt, warum es unpolar und nicht sehr schwer ist und einen relativ hohen ΔH- _{Dampf aufweist} .

Aus Toluol

Der ΔH- _Dampf von Toluol ist sogar höher als der von Benzol (33,18 kJ / mol). Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass zusätzlich zu den oben genannten Methylgruppen -CH ₃ im Dipolmoment von Toluol zusammenwirken; Sie können auch durch Dispersionskräfte interagieren.

Von Hexan

Und schließlich beträgt der ΔH- _Dampf von Hexan 335 J / g oder 28,78 kJ / mol. Seine Struktur ist CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , dh linear, im Gegensatz zu der von hexagonalem Cyclohexan.

Obwohl sich ihre Molekularmassen nur sehr wenig unterscheiden (86 g / mol gegenüber 84 g / mol), beeinflusst die cyclische Struktur direkt die Art und Weise, in der die Moleküle interagieren. Als Ring sind die Dispersionskräfte wirksamer; Andererseits sind sie in der linearen Struktur von Hexan "fehlerhafter".

Die ΔH- _vap- Werte für Hexan stehen im Widerspruch zu denen für Aceton. Im Prinzip sollte Hexan, da es einen höheren Siedepunkt (81 ° C) hat, einen größeren ΔH- _{Dampf haben} als Aceton, das bei 56 ° C siedet.

Der Unterschied besteht darin, dass Aceton eine höhere Wärmekapazität als Hexan hat. Dies bedeutet, dass zum Erhitzen und Verdampfen eines Gramms Aceton von 30 ° C auf 56 ° C mehr Wärme benötigt wird, als zum Erhitzen eines Gramms Hexan von 30 ° C auf seinen Siedepunkt von 68 ° C verwendet wird.

Verweise

1. TutorVista. (2018). Verdampfungsenthalpie. Wiederhergestellt von: chemie.tutorvista.com
2. Chemie LibreTexts. (3. April 2018). Verdampfungswärme. Wiederhergestellt von: chem.libretexts.org
3. Dortmunder Datenbank. (sf). Standardverdampfungswärme von Cyclohexan. Wiederhergestellt von: ddbst.com
4. Chickos JS & Acree WE (2003). Verdampfungsenthalpien organischer und metallorganischer Verbindungen, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, Bd. 32, Nr. 2.
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8. Aufl.). CENGAGE Learning, S. 461-464.
6. Khan Akademie. (2018). Wärmekapazität, Verdampfungswärme und Wasserdichte. Wiederhergestellt von: es.khanacademy.org