Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
vapor pressure
Còn gọi: áp suất hơi bão hòa
Áp suất hơi là áp suất do hơi chất lỏng hoặc rắn tạo ra trong bình kín ở nhiệt độ cố định khi cân bằng động với pha lỏng hoặc rắn.
Khi một chất lỏng (liquid) được đặt trong bình kín ở nhiệt độ không đổi, các phân tử ở bề mặt liên tục thoát ra pha khí, đồng thời các phân tử khí va chạm với bề mặt chất lỏng và quay trở lại pha lỏng. Ban đầu, tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ ngưng tụ, nhưng khi lượng hơi tăng dần, hai tốc độ này tiến lại gần nhau. Trạng thái mà tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ được gọi là cân bằng động, và áp suất mà hơi tạo ra tại trạng thái này chính là áp suất hơi.
Hơn nữa, áp suất hơi phụ thuộc vào hai yếu tố chính là nhiệt độ (temperature) và lực liên phân tử. Khi nhiệt độ tăng, động năng (kinetic energy) trung bình của các phân tử tăng theo, nhờ đó nhiều phân tử đủ năng lượng để thoát khỏi bề mặt chất lỏng, làm áp suất hơi tăng. Mối quan hệ định lượng giữa áp suất hơi và nhiệt độ được mô tả bằng phương trình Clausius–Clapeyron: trong đó là entalpy bay hơi và là hằng số khí (gas constant). Ngược lại, ở cùng nhiệt độ, chất lỏng có lực liên phân tử mạnh — chẳng hạn liên kết hydro trong nước — giữ các phân tử lại chặt hơn, khiến áp suất hơi thấp hơn so với những chất có lực liên phân tử yếu.
Vì vậy, hệ quả quan trọng nhất của áp suất hơi là nó quyết định điểm sôi của chất lỏng. Chất lỏng bắt đầu sôi khi áp suất hơi của nó bằng áp suất khí quyển bên ngoài. Do đó, ở vùng cao nơi áp suất khí quyển thấp hơn, nước sôi ở nhiệt độ thấp hơn 100 °C; còn trong nồi áp suất, nơi áp suất được duy trì cao hơn, nước sôi ở nhiệt độ cao hơn, giúp thực phẩm chín nhanh hơn.
Trực giác: Hãy tưởng tượng một chai nước hoa đậy nắp: các phân tử liên tục bay ra và bay vào, và 'độ chật' của hơi trong chai chính là áp suất hơi.
Dùng khi đề cho biết áp suất hơi tại một nhiệt độ và enthalpy bay hơi, rồi yêu cầu tính áp suất hơi tại nhiệt độ khác — hoặc ngược lại, tìm từ hai cặp .
Trong đó
khoảng 1757Charles CavendishJohn DaltonJames WattVictor Regnault
Áp suất hơi lớn nghĩa là lực liên phân tử YẾU, không phải mạnh.
Rất nhiều bài làm viết ngược: thấy chất bay hơi mạnh liền kết luận các phân tử hút nhau chặt. Thực ra muốn thoát khỏi bề mặt chất lỏng, phân tử phải thắng được lực liên phân tử (intermolecular forces) giữ nó lại; lực này càng yếu thì càng nhiều phân tử đủ năng lượng để bay lên, nên mật độ hơi ở cân bằng càng cao. Vì vậy khi đề cho biết lỏng có áp suất hơi cao còn đã là khí, cả hai dữ kiện đều chỉ về một hướng: lực hút giữa các phân tử trong hai chất này tương đối yếu, và yếu hơn ở .
Bay hơi phá vỡ lực liên phân tử, không phá vỡ liên kết trong phân tử.
Đây là lỗi bị trừ điểm thẳng tay trong phần tự luận: học sinh viết "the covalent bonds break" khi giải thích vì sao chất dễ bay hơi. Khi nước hóa hơi, phân tử vẫn nguyên vẹn; chỉ có liên kết hydrogen giữa các phân tử bị tách ra. Do đó mọi câu giải thích áp suất hơi đều phải nói về lực GIỮA các phân tử, và phải gọi đúng tên loại lực: lực phân tán London (London dispersion forces), lực lưỡng cực–lưỡng cực, hay liên kết hydrogen.
Áp suất hơi không phụ thuộc vào lượng chất lỏng hay diện tích mặt thoáng.
Học sinh hay nghĩ bình rộng hơn, nhiều chất lỏng hơn thì áp suất hơi phải lớn hơn, vì trực giác nói "nhiều thì bốc hơi nhiều". Nhưng ở cân bằng động (dynamic equilibrium), diện tích lớn làm tăng cả tốc độ bay hơi lẫn tốc độ ngưng tụ đúng bằng nhau, nên áp suất cân bằng không đổi. Chỉ có hai thứ quyết định giá trị này: bản chất của chất và nhiệt độ. Vì vậy trong bài thi, chỉ được viết áp suất hơi thay đổi khi đề đổi chất hoặc đổi .
Đạt cân bằng không có nghĩa là quá trình bay hơi đã dừng lại.
Nhiều bài viết rằng khi áp suất hơi ổn định thì chất lỏng "ngừng bay hơi", đó là mô tả sai bản chất. Ở trạng thái đó, phân tử vẫn liên tục rời mặt chất lỏng và vẫn liên tục quay về, chỉ có điều tốc độ hai chiều bằng nhau nên lượng hơi trong bình không đổi. Cách viết an toàn khi trình bày là nêu rõ rằng tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ, chứ không nói quá trình dừng.
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Vào giữa thế kỷ 18, người ta còn tranh cãi xem hơi bốc lên từ chất lỏng phụ thuộc vào những yếu tố nào. Cavendish dựng một bộ dụng cụ thủy ngân đơn giản và đo trực tiếp áp suất mà hơi nước tạo ra ở từng nhiệt độ, qua đó phát hiện rằng đại lượng này chỉ phụ thuộc nhiệt độ chứ không phụ thuộc thứ gì khác. Kết quả ấy về sau được James Watt, John Dalton và Victor Regnault đo lại và xác nhận. Nhờ chuỗi số liệu ngày càng chính xác đó, hóa học có được nền tảng để mô tả sự sôi và thiết lập các phương trình liên hệ áp suất hơi với nhiệt độ.
Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi đi thẳng từ định nghĩa: đó là áp suất do chính phần hơi gây ra khi nó cân bằng với thể ngưng tụ của mình, và cụm từ tiếng Anh được ghi nhận trong tiếng Anh từ khoảng cuối thế kỷ 19. Điều đáng chú ý nằm ở biến thể vẫn còn dùng phổ biến là áp suất hơi bão hòa (saturation vapor pressure). Chữ "bão hòa" ở đây là di sản của một lý thuyết đã bị bác bỏ, theo đó hơi nước được cho là tan vào không khí và không khí ở mỗi nhiệt độ chỉ "chứa" được một lượng nước nhất định trước khi no. Tuy nhiên, theo định luật Dalton (Dalton's law) đã biết từ năm 1802, áp suất riêng phần (partial pressure) của hơi nước hoàn toàn không phụ thuộc vào không khí, và nhiệt độ có ý nghĩa là nhiệt độ của chất lỏng. Vì vậy cái tên vẫn còn nhưng hình ảnh mà nó gợi ra thì đã sai, và chính các thuật ngữ "bão hòa", "quá bão hòa" cùng cách định nghĩa độ ẩm tương đối đã giúp hiểu lầm này sống dai đến tận ngày nay.
Khi so sánh áp suất hơi của hai đồng phân, phải nói rõ MỘT chất có thêm loại lực nào.
Đề dạng cis–trans là bẫy kinh điển: hai phân tử cùng công thức, cùng số electron nên lực phân tán London của chúng xấp xỉ bằng nhau. Điểm khác biệt duy nhất là đồng phân cis còn mômen lưỡng cực tổng hợp khác không nên có thêm lực lưỡng cực–lưỡng cực (dipole-dipole forces), khiến tổng lực hút mạnh hơn và áp suất hơi thấp hơn. Bài làm đạt điểm tối đa phải viết đủ ba ý: London bằng nhau, cis có thêm lưỡng cực, do đó cis khó bay hơi hơn.
Viết ra lý do vì sao mômen lưỡng cực triệt tiêu, đừng chỉ kết luận là phân tử phân cực.
Giám khảo cho điểm ở phần lập luận hình học: các lưỡng cực liên kết trong đồng phân trans bằng nhau về độ lớn và ngược chiều nên triệt tiêu, còn ở cis chúng không triệt tiêu. Nếu chỉ viết "trans is nonpolar" mà không nói vì sao, phần giải thích coi như thiếu. Hãy tập thói quen vẽ nhanh cấu trúc rồi chỉ mũi tên lưỡng cực ngay trên hình.
Nhiệt độ sôi là lúc áp suất hơi bằng áp suất ngoài, hãy dùng mối liên hệ này để suy luận.
Khi đề hỏi chất nào sôi cao hơn mà không cho số liệu, bạn có thể lập luận ngược từ áp suất hơi: lực liên phân tử mạnh hơn thì áp suất hơi ở cùng thấp hơn, nên cần nung nóng hơn để áp suất hơi chạm . Ngược lại, chất có độ bay hơi (volatility) cao thì sôi ở nhiệt độ thấp. Trình bày theo chuỗi lực liên phân tử → áp suất hơi → nhiệt độ sôi sẽ giúp bạn ăn trọn các điểm giải thích.
Br₂ có lực phân tán London mạnh hơn Cl₂ vì có nhiều electron hơn và đám mây electron dễ biến dạng hơn, nên Br₂ là chất lỏng còn Cl₂ là khí ở 298 K. Theo cùng xu hướng, I₂ với 106 electron có lực liên phân tử mạnh nhất và áp suất hơi thấp nhất trong ba chất. Khi hạ nhiệt hay tăng nhiệt, áp suất hơi thay đổi cùng chiều với nhiệt độ, và chất lỏng bắt đầu sôi đúng lúc áp suất hơi của nó bằng áp suất khí quyển bên ngoài.
Áp suất riêng phần của H₂ là 731,2 torr sau khi trừ đi 23,8 torr do hơi nước gây ra; từ đó thu được mol H₂ và 0,733 g kẽm đã phản ứng. Bài toán cho thấy vai trò thực tế của áp suất hơi: mỗi khi thu khí trên mặt nước, một phần áp suất đo được luôn thuộc về hơi nước, và bỏ qua phần này sẽ làm kết quả bị thổi phồng một cách có hệ thống.