فشار بخار چیست؟

برای بررسی فشار بخار، ابتدا بیایید تا نگاهی به بحث فشار داشته باشیم. همه ما می دانیم که فشار چگونه تعریف می شود. بر اساس معادلاتی که در فیزیک کلاسیک وجود دارد؛ فشار به صورت نیرویی که بر یک واحد از سطح وارد می شود قابل تعریف و اندازه گیری است. در معادله زیر، p فشار، F نیرو و A سطح می باشد.

اگر بخواهیم یک نگاه اولیه و کلی داشته باشیم؛ فشار بخار را می توان به صورت فشاری که در اثر بخار یک ماده ایجاد می شود توصیف کنیم. اما در نگاهی دقیق تر ما نیاز به برخی پیش زمینه های دیگر نیز داریم تا بتوانیم دید درست و دقیق تری به موضوع داشته باشیم. بنابراین بیایید ابتدا به بحث نیرو های بین مولکولی در فاز مایع و جامد نگاهی بیندازیم.

نیرو های بین مولکولی و فشار بخار

همه ما می دانیم که آن چه باعث پایداری شبکه ها بلوری، ساختار های آمورف، شکل پذیری مایعات و… می شود، همه و همه بخاطر وجود نیرو های بین مولکولی است. این نیرو های می تواند از واندروالسی غیر قطبی (بسیار ضعیف) تا نیرو های یون دوقطبی (بسیار قوی) متفاوت باشد. در فاز مایع نیز چنین وضعیتی وجود دارد و قوی ترین نیروی جاذبه، پیوند هیدروژنی است.

در شکل زیر، انواع مختلف نیرو های بین مولکولی را مشاهده می کنید.

این نیرو ها در گذر زمان کاملا ثابت نیست و همواره در حد بسیار ناچیزی نوسان دارد. این نوسانات می تواند در شرایط خاصی مثل دمای بالا، فشار کم و… تشدید شده و باعث شود تا برخی اتم ها، یون ها و یا مولکول ها از توده جامد و یا محیط محلول به بیرون پرت شود. البته این فرآیند در جهت معکوس نیز در حال رخداد است و برخی مولکول هایی که به بیرون از توده پرتاب شده اند مجددا روی توده جذب شده و به فاز قبلی خود (جامد یا مایع) برمیگردند.

این به بیرون پرتاب شدن و مجددا جذب سطحی، یک فرآیند کاملا خود به خودی و تعادلی است. همواره یک تعادل بین فاز بخار و توده ماده برقرار است. این تعادل نسبت به شرایط محیطی مثل دما، فشار و… حساس بوده و نسبت به آن تغییر می کند. مثلا اگر دما زیاد شود، فرار به فاز بخار افزایش می یابد یا اگر فشار محیط زیاد شود، جذب سطحی افزایش می یابد و…

بنابراین همیشه یک تعادل بین این دو فاز قابل مشاهده است. جالب است بدانید که برای جداسازی برخی مواد، ما اساسا از برهم زدن این تعادل در جهت دلخواه خودمان استفاده می کنیم. مثلا تقطیر یکی از فرآیند های جداسازی صنعتی است که مبنای آن، همین تعادل است. ابتدا مایع را مجبور می کنند تا تبخیر شود و سپس در جایی دیگر، بخارات را مجبور به میعان می کنند.

فشار بخار چیست؟

همانطور که در بالاتر اشاره شد فشار عبارت است از نیرویی که به واحد سطح وارد می‌شود. طبیعتاً فشار بخار نیز برابر با نیرویی است که بخار یک ماده به سطوح اطراف خودش وارد می‌کند. این سطوح می‌تواند دیواره نگهدارنده حاوی ماده و یا حتی سطح مشترک بین ماده و محیط باشد.

 اگر بخواهیم فشار بخار را در رابطه با یک لیوان آب توصیف کنیم می توانیم بگوییم که فشاری که بخار آب به سطح آب موجود در لیوان وارد می‌کند برابر با فشار بخار آب در آن لیوان است. باید بدانید که این فشار با فشاری که بخار بر دیواره‌ های لیوان وارد می‌کند نیز برابر است. به عبارت دیگر، فشاری که در یک محیط وجود دارد؛ در همه نقاط آن محیط مقدار برابری دارد. 

هر چه فشار بخار یک ماده بیشتر باشد؛ تمایل آن ماده برای تبخیر بیشتر و هر چه فشار بخار یک ماده کمتر باشد؛ تمایل آن برای تبخیر کمتر است. باید بدانید که جامد ها نیز مشابه با مایعات دارای فشار بخار هستند؛ اما فشار بخار آن ها نسبت به مایعات خیلی خیلی کمتر است.

عوامل موثر بر فشار بخار

عوامل مختلفی بر فشار بخار تاثیر گذار است و ما می توانیم آن ها را در دو دسته عوامل مولکولی و عوامل محیطی دسته بندی کنیم. عوامل مولکولی عواملی هستند که به ماهیت ماده و ساختار توده ماده مربوط است. مثلا، ممکن است که یک ماده در یک فرم ایزومری خود فشار بخار کمتر و در فرم ایزومری دیگرش فشار بخار بالاتری داشته باشد. یا مثلا فرم کریستالین یک ماده نسبت به فرم آمورف آن فشار بخار کمتر و یا بیشتری داشته باشد.

دسته دیگر عوامل، عوامل محیطی هستند. عوامل محیطی شامل دما، فشار، پتانسیل شیمیایی و… نیز می توانند بر مقدار فشار بخار تاثیر گذاشته و آن را افزایش یا کاهش دهند. گاهی اوقات، وجود یک ناخالصی در فاز جامد و یا بخار، می تواند تاثیر بزرگی بر مقدار فشار بخار داشته باشد.