قياس الضغط البخاري Measurement of Vapour Pressure

تعريف الضغط البخاري  Vapour Pressure

– هو الضغط الناتج من جزیئات بخار السائل الموجود في وعاء مغلق .

– لكل سائل ضغط بخاري خاص به عند درجة حرارة معینة، ولا یتغیر إلا بتغیر درجة الحرارة .

– يمكنك قراءة هذا الموضوع : الضغط البخاري والعوامل المؤثرة عليه

– ینشأ الضغط البخاري من وجود جزء من السائل وجزء من البخار في حالة اتزان، فلا یعتمد الضغط البخاري على كمیة السائل أو بخاره ولا یتغیر إلا بتغیر درجة الحرارة.

– وتوجد طرق كثیرة لقیاس الضغط البخاري للسائل من أھمھا:

(1) الطرق الأستاتیكیة (الساكنة) Static Method وتعرف بالطریقة البارومتریة.

(2) الطریقة المباشرة Direct Method

(3) الطریقة غیر المباشرة Indirect Method

(4) الطریقة الدینامیكیة Thermodynamic Method

(5) طریقة الغاز المشبع The Gas Saturation Method

أولاً/ الطرق الأستاتيكية (الساكنة) 

الطريقة البارومترية Parometric Methods

– الجهاز عبارة عن عبارة عن أنبوبتین بارومتریتین تملآن بالزئبق وتنكسان (تقلبان) فوق حوض به زئبق (إناء مكشوف).

– تستخدم إحدى الأنبوبتین للمقارنة (بھا زئبق فقط) ویوضع في الأنبوبة الأخرى كمیة من السائل فوق سطح الزئبق. 

– بعد فترة من الزمن، وعندما یكون الفراغ الموجود فوق سطح الزئبق مشبعاً بالأبخرة، مع التأكد من وجود قطرات السائل لكي تؤكد وجود اتزان.

– یعتبر الفرق بین سطحي الزئبق في الأنبوبتین مقیاساً للضغط البخاري للسائل المراد تعیین ضغطه عند درجة حرارة التجربة.

– یعتبر ھبوط سطح الزئبق بتأثیر السائل ضئیلاً جداً بحیث یمكن إھماله.

خطوات الطريقة البارومترية لقياس الضغط البخاري للسائل (الطريقة الساكنة)

(1) أملأ أنبوبة زجاجیة (مغلقة من أحد الطرفین ومفتوحة من الطرف الآخر طولها (100 cm) بالزئبق ثم نكسھا (اقلبھا) على حوض به زئبق، بذلك سینخفض الزئبق ويتوقف عند ارتفاع 76 cm (شكل 1 على اليمين ، شكل 2 أ).

 والمنطقة التي فوق الزئبق عبارة عن فراغ، ولھذا لا یوجد ھنالك ضغط ممارس على قمة عمود الزئبق (للزئبق نفسه ضغط بخاري محدد 10^-4 kP_a عند درجة حرارة الغرفة لذلك لا یجب إطلاقا تركه في وعاء مفتوح بسبب سمیته العالیة).

ملاحظات هامة

– من الشكل (4) ، (5) فإن الحیز الواقع فوق الزئبق في الأشكال (ب، ج، د) یحتوي على كمیة صغیرة جداً من السائل (الماء، الكحول الإیثیلي، ثنائي إیثیل الإیثر) بالإضافة إلى بخاره. وبتبخر السائل فإن ضغط البخار المحصور یدفع الزئبق إلى خارج البارومتر، وینتج عن ذلك نزول مستوى الزئبق في الأنبوب، وأخیراً:

عندما یصبح السائل في حالة اتزان یصبح ارتفاع عمود الزئبق ثابتاً غیر متحرك. والضغط الممارس عند مستوى الإسناد خارج كل بارومتر یساوي الضغط الجوي P_atm ویساوي الضغط الإجمالي الممارس ضمن البارومتر P_Hg وهو الضغط العائد لسحب الجاذبية للزئبق فى الأنبوب زائداً P_vapor وھو الضغط الممارس من قبل البخار في حالة توازن مع سائله.

أما الضغط الإضافي الناشئ عن وزن كمیة السائل الصغیرة على قمة العمود فیمكن إھماله لضآلته كما سبق ذكره. لذلك عند التوازن في كل بارومتر یكون لدینا:

 

 

 

 

(أ) 0 P_{vapor  =} لذلك فإن P_atm = P_Hg = 101.325 kPa

(ب) P_Hg = 98.1 kPa

(جـ)  P_Hg = 92.7 kPa

(د)   P_Hg = 28.6 kPa

 

ومن ھنا فإن الضغط البخاري للسوائل: H₂O, C₂H₅OH, (C₂HO)₂O يمكن حسابه كالتالي:

 

 

وللماء أقل ضغط بخاري (P(H₂O) = 3.225 kP = 24.2 mm Hg) بالنسبة للسوائل الثلاثة في مثالنا لذلك یجب أن تكون لدیه أكثر قوة تجاذب بین الجزیئات قوة. ومن ناحیة أخرى فإن لثنائي إیثیل الإیثر (C₂H₅)₂O أعلى ضغط بخاري P= 454.5 mmHg بین السوائل الثلاثة، مما یعني أنه توجد قوى تجاذب ضعیفة نسبیاً فیه.

ثانياً/ الطريقة المباشرة Direct Method

– یستخدم لقیاس الضغط البخاري بالطریقة المباشرة جھاز كالمبین بالشكل (6) متصل بمانومتر (A)

– ویتكون الجھاز المستخدم لھذه الطریقة من دورق منتفخ (A) متصل بمانومتر (B)

الخطوات

(1) یوضع السائل في (A)

 

(2) یوصل الجھاز بمضخة سحب عند (C)

 

(3) یجمد السائل بوضع مخلوط مبرد حول الدورق.

 

(4) ثم یفرغ الجھاز الى ضغط منخفض بواسطة المضخة.

 

(5) نبعد المخلوط المبرد ویسمح للسائل المتصلب بالانصھار.

 

(6) یوضع الجھاز في منظم لدرجة الحرارة بحیث یمكن الحصول على الدرجة المطلوبة.

 

(7) وبعد مدة یحدث الاتزان حیث یقاس الضغط البخاري للسائل بواسطة المانومتر .

 

وكما ذكرنا سابقاً فإنه كلما ارتفعت درجة الحرارة تزداد قیمة الضغط البخاري للسوائل.

 

ثالثاً/ الطريقة غير المباشرة Indirect Method

– في ھذه الطریقة یتم تعیین الضغط البخاري عند درجات حرارة مختلفة ومنھا یستخدم حمام مائي ودورق وأنبوبة على شكل حرف (U) مدرجة یوضع فیھا زئبق لقیاس الضغط البخاري.

 

– یوضع الدورق في حمام مائي ویوضع ثیرمومتر لقیاس درجات الحرارة ومقیاس البارومتر المدرج لقیاس الضغط البخاري (شكل 7) وتوضع العینة المراد تعیین ضغطھا البخاري. ثم نرفع درجة الحرارة إلى الدرجة المطلوبة.

 

 

– یلاحظ من التجربة انخفاض اًحد أذرعه الأنبوب وھو الطرف الملاصق للدورق والطرف الآخر یرتفع بناءً على ضغط بخار العینة. تعاد التجربة عند درجات حرارة مختلفة ومنھا نحسب الضغط البخاري لكل حالة.

رابعاً/ الطرق الديناميكية Thermodynamic Method

– في هذة الطريقة یغلي السائل تحت ضغط خارجي ثابت، ثم تلاحظ درجة الحرارة التي عندھا یغلي السائل، وذلك
بوضع محرار في البخار المكثف.

 

– وبما أن درجة غلیان السائل ھي تلك الدرجة التي یتساوى عندھا ضغط بخار السائل مع الضغط الواقع علیه، لذا تعطي القراءة ضغط البخار المساوي للضغط الجوي .

خامساً/ طریقة الغاز المشبع The Gas Saturation Method

– تتضمن هذه الطریقة تشبع الھواء الجاف بأبخرة السوائل، وذلك بإمرار تیارین من الھواء الجاف ببطء (بثبوت درجة لحرارة) في كمیة من السائل المراد تعیین ضغطه البخاري (الماء مثلاً). یسمح بعد ذلك لتیار من الھواء المشبع ببخار الماء بالمرور بعد ذلك على مجموعة من أنابیب الامتصاص، حیث یمتص بخار الماء.

 

– وبالإمكان إیجاد وزن البخار الممتص من الفرق ما بین وزن أنابیب الامتصاص قبل وبعد مرور الھواء.

 

– وبما أن كمیة البخار الممتص تتناسب طردیاً مع الضغط البخاري للسائل فبالإمكان حساب الضغط البخاري للسائل من العلاقة:

 

الخطوات

(1) تؤخذ كمیة معلومة الوزن من السائل المراد تعیین ضغطه البخاري وتحفظ عند درجة حرارة ثابتة.

 

(2) ثم یمرر في ھذه العینة تیار بطيء من غاز خامل مثل غاز النیتروجین على ھیئة فقاعات، وعند مرور ھهذه الفقاعات في السائل، تتشبع ببخار السائل وتحمله معھا عندما تصعد إلى سطح السائل، ویطلق ھذا البخار في الھواء.

 

(3) وبمرور الوقت تحمل ھذه الفقاعات معھا كمیات محسوسة من بخار السائل مما یؤدي إلى نقص وزنه ، ویعد النقص في وزن السائل معادلاً لوزن البخار الذي حملته معھا فقاعات الغاز وأطلقته في الھواء.

الحسابات

إذا فرضنا أن وزن السائل المتحول إلى بخار = m 

 

وأن الحجم الذي یشغله ھذا البخار = V

 

ووزن السائل الجزیئي = Mw

 

فإنه يمكن حساب ضغطه البخاري P عند درجة الحرارة T من المعادلة العامة للغازات :

 

أمثلة محلولة

مثال (1): عند إمرار (30 L) من غاز النيتروجين الجاف (N₂) خلال (50 g) من رابع بروميد الكربون (CBr₄) عند درجة الحرارة (27 C^o) كان وزن السائل المتبقي عند حالة الاتزان هو (48.175 g) احسب الضغط البخاري لرابع بروميد الكربون (CBr₄)؟

 

الحل:

 

الوزن الجزیئي لرابع برومید الكربون:

 

 

كمیة رابع برومید الكربون التي تبخرت:

 

 

ضغط بخار السائل المشبع:

 

 

مثال (2): احسب ضغط بخار الماء المشبع عند (27 C^o)إذا علمت أن (100 L) من غاز الهيليوم الجاف (He) عند إمرارها في 65.44 gمن الماء، تركت وراءها 63.13 g من الماء.

 

الحل:

 

الوزن الجزیئي للماء

 

 

وزن الماء المتبخر

 

 

 

ضغط البخار المشبع

 

المراجع:  أسس الكيمياء العامة والفيزيائية – الجزء الأول.عمر بن عبد الله الهزازي ، قسم الكيمياء- كلية العلوم – جامعة أم القرى – المملكة العربية السعودية.