Τι είναι το STP στη Χημεία;

Η τυπική θερμοκρασία και πίεση (STP) αναφέρεται στο διεθνώς συμφωνημένο πρότυπο μέτρησης για πειράματα στη χημεία.
Σύμφωνα με τη Διεθνή Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC), οι επί του παρόντος αποδεκτές τιμές για την τυπική θερμοκρασία και πίεση είναι 273,15 K (0 °C) και ακριβώς 100 kPa (0,986923 atm) (kPa =κιλοπασκάλ). Ο σκοπός του STP είναι να παρέχει στους χημικούς μια κοινή πειραματική γραμμή βάσης από την οποία να ερμηνεύουν και να συγκρίνουν δεδομένα.
Οι ορισμοί του STP της IUPAC δεν είναι καθολικά αποδεκτοί. Τα περισσότερα εγχειρίδια χημείας, για παράδειγμα, εξακολουθούν να χρησιμοποιούν μια τυπική τιμή πίεσης 1 atm. Διαφορετικές βιομηχανίες χρησιμοποιούν διαφορετικά πρότυπα, ανάλογα με το ποια ακριβώς είναι τα ενδιαφέροντά τους. Για παράδειγμα, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) ορίζει το STP ως 293,15 K (20 °C) και 1 atm πίεσης (101,325 kPa) και το Διεθνές Πρότυπο Μετρικές Συνθήκες (ISMC) ορίζει το STP ως 288,15 K ( 15 °C) και 101.325 kPa. Αν και οι ακριβείς τιμές του STP μπορεί να αλλάζουν από πλαίσιο σε περιβάλλον, η υποκείμενη ιδέα είναι η ίδια. Οι τιμές STP παρέχουν ένα από κοινού συμφωνημένο σύνολο πειραματικών συνθηκών για την παρατήρηση και περιγραφή της συμπεριφοράς των ουσιών.
Γιατί χρειαζόμαστε πρότυπα;
Οι χημικοί απαιτούν ορισμούς STP επειδή η συμπεριφορά μιας ουσίας ποικίλλει πολύ ανάλογα με τη θερμοκρασία και την πίεση. Οι ορισμοί του STP δίνουν στους χημικούς ένα κοινό σημείο αναφοράς για να περιγράψουν πώς συμπεριφέρεται ένα αέριο υπό «κανονικές» συνθήκες. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πρότυπα όπως ορισμούς STP για δύο σκοπούς, για να καθορίσουν ορισμένες ποσοτικές μετρήσεις και να επιτρέψουν συνεπή και επαναλαμβανόμενα πειράματα.
Φανταστείτε κάποιος να σας πει ότι ο μοριακός όγκος του μεθανίου είναι 22,4 λίτρα (L). Ο μοριακός όγκος μιας ουσίας είναι απλώς ένα μέτρο του πόσο χώρο καταλαμβάνει ένα mole αυτής της ουσίας. Από μόνη της, αυτή η τιμή δεν είναι πολύ κατατοπιστική. Είναι γνωστό ότι ο όγκος ενός αερίου ποικίλλει πολύ σε σχέση με την πίεση και τη θερμοκρασία, επομένως το αέριο θα μπορούσε να έχει πολλαπλούς μοριακούς όγκους, ανάλογα με την ακριβή θερμοκρασία και πίεση. Κάποιος πρέπει να καθορίσει μια θερμοκρασία και μια πίεση για να κάνει μια μέτρηση μοριακού όγκου 22,4 L μια πιο σημαντική ποσότητα. Οι επιστήμονες συμφωνούν σε μια προκαθορισμένη θερμοκρασία και πίεση για την αναφορά ποσοτικών ιδιοτήτων των αερίων. Όπως ακριβώς συμβαίνει, ένα mole οποιουδήποτε αερίου στο STP (273,15 K, 100 kPa) έχει όγκο 22,4 L. Οι ποσοτικές μετρήσεις του αερίου, όπως ο όγκος, η ογκομετρική ροή και η συμπιεστότητα, πρέπει να οριστούν όλα σε σχέση με κάποια καθορισμένη πίεση και θερμοκρασία.
Οι χημικοί υιοθετούν επίσης πειραματικά πρότυπα, ώστε να μπορούν να είναι σίγουροι ότι οι πειραματικές δοκιμές τους έχουν τις ίδιες συνθήκες. Οι διαφορετικές πειραματικές συνθήκες μπορούν να αλλάξουν το αποτέλεσμα ενός πειράματος, επομένως οι επιστήμονες συμφωνούν σε τυπικές συνθήκες για να κάνουν τα αποτελέσματά τους αξιόπιστα και αναπαραγώγιμα. Εάν ένας επιστήμονας δεν δώσει αρκετές πληροφορίες σχετικά με την πειραματική του διάταξη, τότε άλλοι επιστήμονες δεν μπορούν να επιχειρήσουν να αναπαράγουν τα ευρήματά τους. Η αναπαραγωγιμότητα είναι αναπόσπαστο κομμάτι της επιβεβαίωσης των πειραματικών δεδομένων.
Φανταστείτε η Αλίκη να κάνει ένα πείραμα σε ένα δείγμα αερίου και να καταγράφει τη συμπεριφορά του. Ωστόσο, δεν καταγράφει τις θερμοκρασίες και τις πιέσεις στις οποίες έγιναν τα πειράματά της. Στη συνέχεια, ο Bob προσπαθεί να αναπαράγει το πείραμα της Alice, αλλά επειδή δεν γνωρίζει την πίεση και τις θερμοκρασίες που παίζουν στο πείραμα της Alice, έχει διαφορετικά αποτελέσματα. Οι ορισμοί STP υπάρχουν για να αποτρέψουν τέτοιες καταστάσεις από το να συμβούν. Οι τυπικές συνθήκες παρέχουν στους επιστήμονες ένα κοινό πλαίσιο αναφοράς από το οποίο μπορούν να εκτελούν πειράματα και να συγκρίνουν δεδομένα.
Χρήσεις τιμών STP
Οι αποδεκτές τιμές STP μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αερίων υπό κανονικές συνθήκες. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση νόμου του ιδανικού αερίου PV = n RT μπορούμε να υπολογίσουμε τις ιδιότητες που πρέπει να έχει ένα δεδομένο αέριο σε διαφορετικές πιέσεις και θερμοκρασίες. Σε αυτά τα παραδείγματα, θα χρησιμοποιήσουμε μια τυπική τιμή πίεσης 1 atm για λόγους απλότητας και δεδομένου ότι η πιο κοινή τιμή της σταθεράς R (0,08206) εκφράζεται ως atm πίεσης.
Ε:Ποιος είναι ο όγκος ενός δείγματος 1,4 mol αερίου υδρογόνου (H2 ) στο STP;
Λύση:
Θυμηθείτε ότι οι συνθήκες STP ορίζονται ως 273,15 K και 1atm. Η τιμή του R είναι 0,08206. Στην εξίσωση του νόμου του ιδανικού αερίου, το P εκφράζεται γενικά με την προσθήκη αυτών των τιμών στην εξίσωση του νόμου του ιδανικού αερίου μας δίνει:
(1atm)(V) =(1,4mol)(0,08206)(273,15K) =31,4 L .
1,4 moles αερίου υδρογόνου καταλαμβάνουν 31,4 λίτρα χώρου. Παρατηρήστε πώς ο υπολογισμός της απάντησης δεν εξαρτιόταν από συγκεκριμένες ιδιότητες του αερίου υδρογόνου, μόνο από την ποσότητα του.
Μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε συνθήκες STP για να υπολογίσουμε πώς θα συμπεριφέρεται ένα αέριο κάτω από μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση. Ακολουθεί ένα παράδειγμα:
Ε:Εάν ένα αέριο έχει όγκο 0,13 L σε 5 atm πίεσης και 300 K, ποιος θα είναι ο όγκος σε συνθήκες STP;
Λύση:
Για να καταλάβουμε αυτό, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν νόμο που προέρχεται από τον νόμο του ιδανικού αερίου που δηλώνει ότι ο λόγος του γινομένου της πίεσης και του όγκου προς τη θερμοκρασία παραμένει σταθερός για μια σταθερή ποσότητα αερίου. Μαθηματικά, αυτό είναι:
P1 V1 / T1 =P2 V2 / T2
Χρησιμοποιώντας αυτή την εξίσωση μπορούμε να βρούμε τον νέο τόμο. Συνδέοντας τις τιμές που λαμβάνουμε:
(0,15L)(5atm)/300K = V2 (1atm)/273,15K)
Επίλυση για V2 μας δίνει:
(0,15L⋅5atm/300K)⋅273,15 = V2 =0,68 L
Έτσι, το αέριο θα έχει όγκο 0,68 λίτρα σε συνθήκες STP.
Επιπλέον, υποθέτοντας τις συνθήκες STP μας επιτρέπει να απλοποιήσουμε τον τύπο ιδανικού αερίου. Κανονικά ο τύπος είναι
PV =nRT
Υποθέτοντας τιμές STP, P=1 και T=273,15. Έτσι, η εξίσωση γενικής κατάστασης για ένα δείγμα αερίου στις τιμές STP μπορεί απλώς να γραφτεί ως
V =nR(273.15).
Αυτή η εξίσωση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να μας δώσει τον μοριακό όγκο ενός αερίου σε συνθήκες STP. Ο μοριακός όγκος ενός αερίου είναι ακριβώς ο όγκος που καταλαμβάνει ένα mole αερίου, οπότε η ρύθμιση n=1 μας δίνει:
V =R(273,15) =~22,4 L
Αυτή η εξίσωση μας λέει ότι ένα mole οποιουδήποτε αερίου σε κατάσταση STP έχει όγκο 22,4 λίτρα. Είναι ενδιαφέρον ότι ο μοριακός όγκος ενός αερίου είναι εντελώς ανεξάρτητος από οποιεσδήποτε συγκεκριμένες χημικές ιδιότητες του αερίου.
Γιατί αυτές οι αξίες;
Είναι ένα πράγμα να εξηγήσουμε γιατί οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συμφωνημένα πρότυπα. Είναι ένα άλλο ερώτημα γιατί οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τα συγκεκριμένα πρότυπα που κάνουν. Γιατί η IUPAC ορίζει το STP ως 273,15 K και 100 kPa; Γιατί όχι 100 K και 50 mmHg;
Ιστορικά, οι τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις ορίστηκαν ότι είναι περίπου ίσες με τις θερμοκρασίες και τις πιέσεις στο επίπεδο της θάλασσας — περίπου 15 °C και 1 atm πίεσης. Αυτές οι τιμές έχουν νόημα λόγω της έλλειψης τεχνολογίας για τη δημιουργία εξαιρετικά ελεγχόμενων συνθηκών στο εργαστήριο. Οι περισσότεροι άνθρωποι που διεξήγαγαν χημικά πειράματα εκείνη την εποχή θα βρίσκονταν σε ένα τέτοιο περιβάλλον, οπότε ήταν λογικό να τεθούν αυτές οι τιμές ως πρότυπο. Εκείνη την εποχή, η κλίμακα θερμοκρασίας Κελσίου βασιζόταν στα σημεία πήξης και βρασμού του νερού. Το σημείο βρασμού του νερού ορίστηκε ακριβώς ως 100 °C και το σημείο πήξης του 0 °C.
Αρχικά, 1 ατμόσφαιρα (atm) πίεσης ορίστηκε ως η πίεση που ασκείται από μια στήλη υδραργύρου (Hg) ύψους 760 mm στο επίπεδο της θάλασσας. Ο Evangelista Torricelli (1608-1647) υπολόγισε μια τιμή 760 mm ως το αναμενόμενο ύψος στο οποίο θα ανέβαινε μια στήλη υδραργύρου υπό την επίδραση της ατμόσφαιρας. Ο Torricelli εξήγαγε αυτήν την τιμή λαμβάνοντας την παρατηρούμενη τιμή του ύψους μιας στήλης νερού και υπολόγισε την αναμενόμενη διαφορά ύψους λόγω της αυξημένης πυκνότητας του Ερμή. Αυτή η τιμή παρέμεινε για αρκετό καιρό λόγω της ευρείας χρήσης βαρομέτρων υδραργύρου.
Στις αρχές του 20ου αιώνα, οι περισσότεροι επιστημονικοί οργανισμοί είχαν στραφεί στη χρήση τιμών 0 °C και 1 atm πίεσης ως πρότυπο. Πολλές εμπορικές βιομηχανίες, όπως οι πρόσφατα αναπτυσσόμενες βιομηχανίες πετρελαίου και φυσικού αερίου στις ΗΠΑ, συνέχισαν να χρησιμοποιούν θερμοκρασία 15–20 °C ως πρότυπο απλώς και μόνο επειδή η βιομηχανία και η τεχνολογία είχαν στηθεί γύρω από αυτές τις τιμές. Η επιστημονική οργάνωση μετατοπίστηκε σε ένα πρότυπο 0 °C, καθώς αντιπροσώπευε μια "καθαρότερη" τιμή που βασιζόταν στη συμπεριφορά φάσης μιας καλά κατανοητής ουσίας (νερό).
Το 1982, το IUPAC άλλαξε τους ορισμούς των συνθηκών STP σε 273,15 K και 100 kPa. Η αλλαγή υποκινήθηκε από την επιθυμία να εκφραστούν οι συνθήκες STP σε μονάδες που μπορούν να εκφραστούν εξ ολοκλήρου σε μονάδες SI. Η κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin είναι η αποδεκτή βασική μονάδα SI για τη θερμοκρασία και βασίζεται στο τριπλό σημείο του νερού, το οποίο ορίζεται ακριβώς ως 273,15 K. Το πασκάλ είναι μια προκύπτουσα μονάδα πίεσης που εκφράζεται σε Newton ανά μέτρο στο τετράγωνο (N /m²), και οι δύο είναι ποσότητες SI. Όπως αποδεικνύεται, 1 atm πίεσης ισούται με 101,325 kPa, επομένως μια καθορισμένη τιμή 100 kPa σε τυπική πίεση είναι συνεχής με παλιές τιμές. Σήμερα, οι περισσότεροι επιστήμονες προτιμούν να χρησιμοποιούν μόνο μονάδες SI καθώς οι μονάδες SI βασίζονται σε αμετάβλητες φυσικές σταθερές που βρίσκονται στη φύση.
Συνοψίζοντας, οι τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις (STP) είναι συμφωνημένα πειραματικά πρότυπα για την πίεση και τη θερμοκρασία. Οι ορισμοί STP υπάρχουν για να ορίσουν μια κοινή γραμμή βάσης από την οποία οι χημικοί μπορούν να εκτελούν πειράματα, να ερμηνεύουν δεδομένα και να επικοινωνούν αποτελέσματα. Η συμπεριφορά των ουσιών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και την πίεση, επομένως πρέπει να υπάρχουν πρότυπα που να επιτρέπουν ακριβή και αναπαραγώγιμα πειράματα. Οι τρέχουσες τιμές STP όπως ορίστηκαν από την IUPAC το 1982 και χρησιμοποιούνται από την πλειοψηφία των ακαδημαϊκών χημικών είναι 273,15 K και 100 kPa. Άλλοι ορισμοί STP υπάρχουν σε διαφορετικούς τομείς, ανάλογα με τα ενδιαφέροντά τους.