Das Wärmeverdampfung 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 gasförmigen Phase 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 werden viele Maschinen wie Dampfzüge mit der durch Wasserdampf freigesetzten Energie betrieben. Auf der Erdoberfläche können große Dampfmassen beobachtet werden, die in Richtung Himmel aufsteigen, wie im Bild unten.
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.
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Die Verdampfungswärme (ΔHvap) 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.
Warum ist eine Flüssigkeit flüchtiger als eine andere und benötigt daher mehr Wärme, 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 dies zu verstehen, müssen verschiedene Substanzen mit ΔH analysiert werdenvap anders.
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.
Daher ist die Rede von einem durchschnittliche kinetische 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 werden in die Gasphase entweichen; mehr noch, 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. Eine größere molekulare Langsamkeit entspricht einer Abkühlung.
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.
Wassermoleküle können die berühmten Wasserstoffbrückenbindungen bilden: H-O-H-OHzwei. Diese spezielle Art der intermolekularen Wechselwirkung ist zwar bei Betrachtung von drei oder vier Molekülen schwach, bei Millionen von Molekülen jedoch extrem stark..
Die Verdampfungswärme von Wasser an seinem Siedepunkt beträgt 2260 J / g oder 40,7 kJ / mol. Was bedeutet 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 Temperatur des menschlichen Körpers von 37 ° C hat ein ΔHvap höher. 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 ΔHvap ist höher (und noch mehr, wenn es um kalte Temperaturen geht).
Das ΔHvap Ethanol an seinem Siedepunkt beträgt 855 J / g oder 39,3 kJ / mol. Beachten Sie, dass es dem von Wasser unterlegen ist, da seine Struktur CH3CHzweiOH, es kann kaum eine Wasserstoffbrücke bilden. Es gehört jedoch weiterhin zu den Flüssigkeiten mit den höchsten Siedepunkten..
Das ΔHvap 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 kocht daher bei einer niedrigeren Temperatur (56 ° C)..
Warum? Weil seine CH-Moleküle3OCH3 kann keine Wasserstoffbrückenbindungen bilden und kann nur durch Dipol-Dipol-Kräfte interagieren.
Für Cyclohexan ist sein ΔHvap es ist 358 J / g oder 30 kJ / mol. Es besteht aus einem sechseckigen Ring mit der Formel C.6H.12. Seine Moleküle interagieren durch Londoner Dispersionskräfte, da 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.
Das ΔHvap von Benzol, aromatischer hexagonaler Ring mit Formel C.6H.6, es ist 395 J / g oder 30,8 kJ / mol. Wie Cyclohexan interagiert es durch Streukräfte; 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 ein ΔH hatvap relativ hoch.
Das ΔHvap Toluol ist sogar höher als Benzol (33,18 kJ / mol). Dies liegt daran, dass zusätzlich zu den oben genannten seine Methylgruppen -CH3 sie arbeiten im Dipolmoment von Toluol zusammen; wie sie wiederum durch Dispersionskräfte interagieren können.
Und schließlich das ΔHvap des Hexans beträgt 335 J / g oder 28,78 kJ / mol. Seine Struktur ist CH3CHzweiCHzweiCHzweiCHzweiCH3, das heißt linear, im Gegensatz zu Cyclohexan, das hexagonal ist.
Obwohl sich ihre Molekularmassen nur sehr wenig unterscheiden (86 g / mol gegenüber 84 g / mol), beeinflusst die zyklische Struktur direkt die Art und Weise, in der die Moleküle interagieren. Da es sich um einen Ring handelt, sind die Dispersionskräfte wirksamer. Andererseits sind sie in der linearen Struktur von Hexan eher "wandernd".
Die Werte von ΔHvap für Hexan stehen sie im Widerspruch zu denen für Aceton. Da Hexan einen höheren Siedepunkt (81 ° C) hat, sollte es im Prinzip ein ΔH habenvap größer als Aceton, das bei 56ºC siedet.
Der Unterschied ist, dass Aceton a hat Wärmekapazität höher als das von Hexan. 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 seine Siedetemperatur von 68 ° C verwendet wird..
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