Dans cet article, nous allons tout apprendre sur la pression de vapeur : ce que c'est, quels sont les facteurs qui l'influencent et comment la calculer.
- Cet article est consacré à la pression de la vapeur.
- Tout d'abord, nous définirons la pression de vapeur et nous apprendrons comment elle se produit.
- Ensuite, nous découvrirons les facteurs qui l'influencent.
- Ensuite, nous discuterons de la pression de vapeur de l'eau et de la façon dont elle affecte l'humidité relative .
- Enfin, nous apprendrons à calculer la pression de vapeur dans différentes situations .
Définition de la pression de vapeur
Commençons par examiner la définition de la pression de vapeur.
Lorsqu'un liquide et sa forme gazeuse se trouvent dans un récipient fermé, la pression exercée par le gaz est appelée pression de vapeur.
Lorsqu'un liquide et son gaz se trouvent dans un récipient fermé, ils existent en équilibre. Quelle que soit la température, certaines particules de liquide auront suffisamment d'énergie pour passer en phase gazeuse.
Causes de la pression de vapeur
Explorons maintenant les causes de la pression de vapeur. La pression de vapeur est causée par les particules de gaz qui entrent en collision avec les parois du récipient. Voici un schéma pour illustrer ce phénomène :
Les particules de gaz entrent en collision avec le récipient pour créer une pression de vapeur. StudySmarter Original.
Puisque c'est à l'équilibre, le liquide s'évapore en gaz, et le gaz se condense en liquide.
Lorsque la pression de la vapeur est égale à la pression atmosphérique, il y a ébullition. Comme le liquide n'est pas "retenu" par la pression atmosphérique, il peut s'échapper et se répandre sous forme de gaz.
Facteurs qui affectent la pression de la vapeur
Deux facteurs principaux affectent la pression de vapeur. Ce sont : 1. la température 2. Type de molécule
L'augmentation de la température entraîne une augmentation de la pression de vapeur. En effet, davantage de molécules ont l'énergie nécessaire pour s'échapper de la phase liquide vers la phase gazeuse.
Le type de molécule influe également sur la pression de vapeur. Plus précisément, les forces entre les molécules affectent la pression de vapeur. Lorsque les molécules ont des forces importantes entre elles, la pression de vapeur est faible, car ces forces font qu'il est plus difficile pour les molécules de devenir gazeuses. Pour qu'un liquide devienne un gaz, les forces entre les molécules doivent être rompues, donc plus les forces sont fortes, plus il est difficile de devenir un gaz.
Pression de vapeur de l'eau
Lorsque nous parlons de pression de vapeur, nous faisons souvent référence à l'eau. La pression de vapeur est souvent utilisée de deux façons :1. Déterminer le point d'ébullition 2.Humidité relativeLorsque nous parl ons dupoint d'ébullition de l'eau, nous parlons généralement du point d'ébullition à 1 atm (pression atmosphérique au niveau de la mer). Cependant, ce point d'ébullition change en fonction de la pression atmosphérique, puisque l'ébullition se produit lorsque la pression de la vapeur = la pression atmosphérique. Par exemple, à 10 000 pieds (environ 3 km) au-dessus du niveau de la mer, la pression atmosphérique n'est que d'environ 0,69 atmosphère. Comme la pression atmosphérique est moindre, le point d'ébullition est abaissé.
L'humidité relative est également liée à la pression de vapeur .
L'humidité relative est le rapport entre la pression partielle (la pression à laquelle contribue une espèce) de l'eau et la pression de vapeur à l'équilibre. La formule est la suivante : $$\text{Humidité relative}=\frac{\text{pression partielle}}{\text{pression de vapeur}} * 100\%$$
L'humidité relative nous indique la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air par rapport à la quantité que l'air peut "contenir" à cette température. Si tu as déjà vu l'humidité indiquée en pourcentage, voici ce que cela signifie. Prenons un exemple.
À 25 °C, la pression de vapeur de l'eau est de 0,0313 atm. Si la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air est de 0,0211 atm, quelle est l'humidité relative ?
Pour calculer l'humidité relative, il suffit de diviser la pression de vapeur par la pression partielle de la vapeur d'eau.
$$\text{Humidité relative}=\frac{\text{pression partielle}}{\text{pression de vapeur}} * 100\%$$
$$\text{Relative humidity}=\frac{0.0211\,atm}{0.0313\,atm}*100\%=67.4\%$$
Formules de pression de vapeur
Il existe trois formules principales associées à la pression de vapeur: 1. Clausius-Clapeyron 2.Loi de Raoult 3.Loi de Henry
Commençons par la formule de Clausius-Clapeyron.
La formule de Clausius-Clapeyron montre la relation entre la pression de vapeur et la température. La formule est la suivante : $$n\frac{P_2}{P_1}=\frac{\Delta H_{vap}}{R}(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})$$Où :P1 est la pression partielle àT1,P2 est la pression partielle àT2, ΔHvap est l'enthalpie de vaporisation (énergie nette qu'il faut pour passer d'un liquide à un gaz), et R est la constante des gaz idéaux.
Nous utilisons couramment cette formule pour calculer la variation de la pression de vapeur due à un changement de température. Voici un graphique pour l'eau :
La pression de vapeur de l'eau augmente avec la température. StudySmarter
L'augmentation de la pression de vapeur est exponentielle, donc plus la température est élevée, plus la variation de la pression de vapeur est importante. Clausius-Clapeyronne peut être utilisé que pour les substances pures.
Si nous voulons examiner la pression de vapeur d'un mélange, c'est là qu'intervient la loi de Raoult.
Laloi de Raoult est utilisée pour calculer la pression de vapeur totale d'une solution composée de deux ou plusieurs liquides ayant des pressions de vapeur différentes. La formule est la suivante :
$$P_{total}=\sum_{i} P_i \chi_i $$
OùPi est la pression de vapeur d'une substance donnée et χi la fraction molaire de cette substance.
La fraction molaire est le rapport entre une substance et l'ensemble de la solution. La formule est la suivante : $$\chi=\frac{n_i}{n_{tot}}$$.
Oùni est le nombre de moles d'une substance et ntot est la quantité totale de moles dans la solution.
Voici un graphique qui illustre le fonctionnement de la loi de Raoult.
La pression de vapeur change en fonction de la fraction molaire. StudySmarter Original.
Il se passe beaucoup de choses dans ce diagramme, alors décomposons-le.
La ligne rose représente la pression partielle de l'espèce A. À gauche, la fraction molaire de A est égale à un, donc toute la solution n'est que A. Cela signifie que la pression totale est égale à la pression de vapeur pure de A (PA°). Lorsque la fraction molaire de A diminue, la pression partielle diminue également jusqu'à ce qu'elle soit égale à 0.
La ligne verte représente la pression partielle de l'espèce B. À droite, la fraction molaire de B est égale à un, donc toute la solution est B. Cela signifie également que PépB°est égale à la pression partielle. La pression partielle diminue au fur et à mesure que tu te déplaces vers la gauche, puisque la fraction molaire diminue également.
Enfin, la ligne noire représente la pression totale. Comme nous l'avons mentionné précédemment, si une seule espèce est présente, la pression totale est égale à la pression de vapeur de cette substance pure.
Notre dernière formule est la loi de Henry.
Laloi de Henry est utilisée lorsqu'un liquide contient un soluté (espèce dissoute). Cette loi peut être utilisée pour les solutésnon volatils (qui ne s'évaporent pas) et volatils (qui s'évaporent). La formule est la suivante :
$$C=(K_H)P_{gas}$$.
Où KH est la constante de Henry, C est la solubilité, la concentration ou la fraction molaire du gaz, et P est la pression du gaz.
Les unités et la valeur de la constante de Henry dépendent de ce que représente C.
Bien que C puisse représenter plusieurs choses différentes, la relation entre C et P reste la même. La solubilité, la fraction molaire et la concentration nous disent toutes la même chose : quelle quantité de soluté se trouve dans le liquide. La relation entre C et P dépend du fait que le soluté est volatil ou non.Voici un diagramme illustrant ces relations :
Pour un soluté volatil, une augmentation de C (tous types confondus) entraîne une augmentation de la pression. En effet, plus il y a de particules volatiles en solution, plus il y a de particules qui peuvent s'évaporer et devenir gazeuses.Pour unsoluté non volatil, la relation est inverse. Les particules de soluté sont "en travers du chemin" de la particule de solvant vers la surface pour devenir un gaz. Plus il y a de gens, plus il est difficile de trouver un chemin facile vers ta destination.
La loi de Henry peut expliquer une maladie appelée "le mal de mer" (maladie de décompression). Lorsqu'un plongeur sous-marin s'enfonce dans l'océan, la pression augmente. Cette augmentation de pression fait que les gaz comme l'azote sont plus solubles dans le sang. Si un plongeur remonte trop vite, le changement rapide de pression fait que ces gaz se condensent rapidement et forment des bulles.
Ces bulles peuvent provoquer l'éclatement des vaisseaux sanguins, ce qui entraîne la "crampe" et beaucoup de douleurs et de problèmes médicaux pour le plongeur. Pour éviter cela, les plongeurs remontent lentement afin que le gaz contenu dans le sang puisse s'équilibrer avec la pression externe, ce qui empêche la formation de ces bulles.
Exemples de pression de vapeur
Maintenant que nous avons abordé les différentes équations, travaillons sur quelques exemples.
La pression de vapeur de l'eau à 303 K est de 0,0418 atm. Quelle est la pression de vapeur de l'eau à 363 K ? L'enthalpie de vaporisation (ΔHvap) de l'eau est de 44 000 J/mol et la constante des gaz est de 8,315 J/molK.Comme nous étudions la variation de la pression en fonction de la température, nous utiliserons laformule de Clausius-Clapeyron . Tout ce qu'il nous reste à faire, c'est d'introduire nos valeurs et de résoudreP2.
$$ln\frac{P_2}{P_1}=\frac{\Delta H_{vap}}{R}(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$ln\frac{P_2}{0.0418\,atm}=\frac{44,000\frac{J}{mol}}{8.315\frac{J}{molK}}(\frac{1}{303\,K}-\frac{1}{363\,K})$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$ln\frac{P_2}{0.0418\,atm}=(5,291\,K)(0.000546\,K^{-1})$$$$ln\frac{x}{y}=ln(x)-ln(y)\,\,\,\text{(règle que nous utilisons pour simplifier l'équation)}$$$$ln(P_2)-ln(0.0418\,atm)=2.89$$$$ln(P_2)=2.89+(-3.17)$$$$e^{ln(P_2)}=e^{-0.28}$$$$P_2=0.756\,atm$$.
Une solution est composée de 0,35 mol d'eau, 0,62 mol d'éthanol et 0,15 mol de butanol. Les pressions partielles à 298 K sont (dans l'ordre) : 0,0313 atm, 0,0579 atm, et 0,0893 atm. Quelle est la pression de vapeur totale de la solution ?
Puisque nous examinons une solution de trois liquides, nous utiliserons la loi de Raoult. Notre première étape consiste à calculer la fraction molaire de chaque espèce.|
$$\chi_i=\frac{n_i}{n_{tot}}$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$n_{tot}=0.35\,mol+0.62\,mol+0.15\,mol=1.12\,mol$$ xml-ph-0001@deepl.internal $$\chi_{water}=\frac{0.35\,mol}{1.12\,mol}=0.313$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$\chi_{ethanol}=\frac{0.62\,mol}{1.12\,mol}=0.554$$ xml-ph-0001@deepl.internal $$\chi_{butanol}=\frac{0.15\,mol}{1.12\,mol}=0.133$$Ensuite, nous multiplions la pression partielle de chaque espèce par leur fraction molaire, et nous additionnons ces valeurs pour obtenir la pression de vapeur totale.$$P_{total}=\sum_{i} P_i \chi_i $$$$P_{total}=(P_{water}* \chi_{water})+(P_{ethanol}* \chi_{ethanol}+(P_{butanol}* \chi_{ethanol})$$$$P_{total}=(0.0313\,atm*0.313)+(0.0579\,atm*0.554)+(0.0893\,atm*0.133)$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$P_{total}=0.0538\,atm$$
Dans une bouteille de soda de 2 litres, la concentration deCO2 dissous est de 0,0875 M. Si la constante de la loi de Henry pour leCO2 à 25 °C est de 3,1x10-2 M/atm, quelle est la pression partielle duCO2?
Comme il s'agit d'un soluté (CO2), nous utiliserons la loi de Henry .Tout ce qu'il nous reste à faire, c'est d'introduire nos variables et de résoudre la pression.
$$C=(K_H)P_{gas}$$
$$P_{gas}=\frac{C}{K_H}$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$P_{gas}=\frac{0.0875\,M}{3.1x10^{-2}\frac{M}{atm}}$$
$$P_{gas}=2.82\,atm$$
Pression de vapeur - Points clés
- Lorsqu'un liquide et son état gazeux se trouvent dans un récipient fermé, la pression exercée par le gaz est appelée pression de vapeur.
- La pression de vapeur est causée par les particules de gaz qui entrent en collision avec les parois du récipient.
- Deux facteurs principaux influent sur la pression de vapeur :1. la température (augmentation de la température = augmentation de la pression)2. le type de molécule (plus les forces entre les molécules sont fortes, plus la pression de vapeur est faible).
- L'humidité relative est le rapport entre la pression partielle (la pression à laquelle contribue une espèce) de l'eau et la pression de vapeur d'équilibre. La formule est la suivante : $$\text{Humidité relative}=\frac{\text{pression partielle}}{\text{pression de vapeur}} * 100\%$$
- La formule de Clausius-Clapeyron montre la relation entre la pression de vapeur et la température. La formule est la suivante :$$n\frac{P_2}{P_1}=\frac{\Delta H_{vap}}{R}(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2})$$.
- La loi de Raoult est utilisée pour calculer la pression de vapeur totale d'une solution composée de deux ou plusieurs liquides ayant des pressions de vapeur différentes. La formule est la suivante :
$$P_{total}=\sum_{i} P_i \chi_i $$
Laloi de Henry est utilisée lorsqu'un liquide contient un soluté (espèce dissoute). Cette loi peut être utilisée pour les solutés non volatils (qui ne s'évaporent pas) et volatils (qui s'évaporent). La formule est la suivante :
$$C=(K_H)P_{gas}$$.
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