شرایط STP در شیمی – به زبان ساده

شرایط STP در شیمی، بیانگر شرایط دما و فشار استاندارد است. شرایط STP به طور معمول در محاسبات گازها - مانند چگالی - مورد استفاده قرار می‌گیرد. شرایط استاندارد عبارتست از دمای صفر درجه سانتی‌گراد (۲۷۳ کلوین) و فشار ۱ اتمسفر. این مقادیر، نقطه انجماد آب خالص در سطح دریا را نشان می‌دهند. یک مول گاز در شرایط STP، حجمی معادل 22/4 لیتر را اشغال می‌کند که آن را می‌توان با تعریف حجم مولی نیز بیان کرد.

تعریف آیوپاک از شرایط STP

آیوپاک تعریف دقیق‌تری از شرایط STP دارد. شرایط دما و فشار استاندارد بر اساس تعریف آیوپاک به صورت زیر است:

• دمای 273/15 کلوین
• فشار مطلق 100000 پاسکال

البته این تعریف در گذشته - تا سال 1982 - به صورت دمای صفر درجه سانتی‌گراد و فشار 101/325 کیلوپاسکال تعریف می‌شد.

کاربرد شرایط STP

با توجه به این‌که سرعت جریان سیالات و همچنین حجم مایعات و گازها به شدت به دما و فشار وابسته است، وجود شرایط مرجع استاندارد، در محاسبات مهندسی، اهمیت بسیاری دارد. از شرایط STP زمانی استفاده می‌شود که «شرایط حالت استاندارد» (Standard State Conditions) را در محاسبات بکار ببریم. شرایط حالت استاندارد که شامل دما و فشار استاندارد هم هست را به طور معمول با یک بالانویس به شکل دایره نشان می‌دهیم. به طور مثال، $$\Delta S ^ \circ$$ بیانگر تغییرات آنتروپی در شرایط STP است.

مقادیر STP را می‌توان بمنظور پیش‌بینی رفتار گازها بکار برد. با استفاده از معادله $$P V = n R T$$ در گازهای ایده‌آل، خواص یک گاز در دما و فشار مختلف قابل محاسبه خواهد بود.

مثال 1

حجم یک نمونه شامل 1/4 مول گاز هیدروژن $$(H_2)$$ را در شرایط STP محاسبه کنید.

با توجه به تعریف شرایط STP می‌دانیم که دما و فشار به ترتیب برابر با 273/15 کلوین و ۱ اتمسفر است. مقدار ثابت جهانی گازها (R) نیز برابر با 0/08206 در نظر گرفته می‌شود. با جایگذاری مقادیر در قانون گازهای ایده‌آل، خواهیم داشت:

$$(1 \mathrm{atm})(\mathrm{V})=(1.4 \mathrm{mol})(0.08206)(273.15 \mathrm{K})=31.4 \mathrm{L}$$

در نتیجه، می‌بینیم که 1/4 مول از گاز هیدروژن، حجم 31/4 لیتر را اشغال می‌کند. توجه کنید که محاسبات انجام شده به خواص گاز هیدروژن وابسته نیست. همچنین به کمک شرایط STP و برون‌یابی می‌توان رفتار گاز را تحت دما و فشار مشخص، پیش‌بینی کرد.

مثال 2

اگر گازی، در فشار ۵ اتمسفر و دمای 300 کلوین، حجمی برابر با 0/13 لیتر داشته باشد، حجم آن در شرایط STP چقدر خواهد بود؟

اگر مقدار گاز را در هر دو حالت، یکسان در نظر بگیریم و معادله گازهای ایده‌آل را بر این اساس بنویسم، به رابطه زیر میرسیم:

$$\mathrm{P}_{1} \mathrm{V}_{1} / \mathrm{T}_{1}=\mathrm{P}_{2} \mathrm{V}_{2} / \mathrm{T}_{2}$$

با استفاده رابطه بالا و مقادیر سوال، میزان حجم جدید را محاسبه می‌کنیم:

$$\left.(0.15 \mathrm{L})(5 \mathrm{atm}) / 300 \mathrm{K}=\mathrm{V}_{2}(1 \mathrm{atm}) / 273.15 \mathrm{K}\right)$$

$$(0.15 L \cdot 5 a t m / 300 K) \cdot 273.15=V_{2}=0.68 L$$

بنابراین، این گاز در شرایط STP، حجمی برابر با 0/68 لیتر خواهد داشت.

محاسبه حجم گازها در شرایط STP

با فرض شرایط STP، می‌توان معادله گازهای ایده‌آل را ساده‌تر کرد. درحقیقت با فرض $$P = 1$$ و $$T = 273.15$$ و بازآرایی رابطه برای محاسبه حجم، به رابطه زیر می‌رسیم:

$$V=n R(273.15)$$

از رابطه بالا می‌توانیم برای محسابه حجم مولی یک گاز در شرایط STP استفاده کنیم. در نتیجه، با قراردادن $$n = 1$$ در معادله خواهیم داشت:

$$V=R(273.15)\approx22.4 L$$

رابطه بالا بیان می‌کند که یک مول از هر گازی در شرایط STP حجمی برابر با 22/4 لیتر دارد. به طور شگفت‌انگیزی، حجم مولی یک گاز به طور کامل، مستقل از خواص شیمیایی آن است.

اَشکال دیگر شرایط STP

از آن‌جایی که در شرایط آزمایشگاهی، به ندرت امکان استفاده از شرایط STP وجود دارد، یکی از استانداردهای معمول، فشار و دمای استاندارد محیط یا SATP است. این شرایط عبارتند از دمای 298/15 کلوین (۲۵ درجه سانتی‌گراد) و دمای مطلق ۱ اتمسفر.

در علم هوافضا و مکانیک سیالات، برای نشان دادن دما، فشار، چگالی و سرعت صوت در ارتفاعاتی تا 65000 بالای سطح دریا، از «اتمسفر استاندارد بین‌المللی» (International Standard Atmosphere) یا ISA بهره می‌گیرند. موسسه ملی فناوری و استانداردها (NIST) از دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد و فشار 101/325 کیلوپاسکال برای بیان شرایط استاندارد استفاده می‌کند. در جدول زیر، به طور خلاصه، شرایط استاندارد در سیستم‌های مختلف آورده شده است.

دلیل استفاده از مقادیر استاندارد

با توجه به این‌که رفتار مواد در دماها و فشارهای مختلف با یکدیگر تفاوت دارند، شیمیدان‌ها بمنظور استفاده از یک شرایط مرجع و توصیف رفتار گازها تحت این شرایط، از مقادیر استاندارد استفاده می‌کنند. دانشمندان از شرایط STP به طور عمده برای دو هدف بهره می‌گیرند: استفاده از مقادیر کمی در محاسبات و ایجاد شرایطی برای تکرار آزمایش‌ها.

فیلم آموزش ترمودینامیک ۱ – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

فرض کنید شخصی به شما بگوید که حجم مولی متان، 22/4 لیتر است. همانطور که از تعریف حجم مولی می‌دانیم، این حجم عبارتست از مقدار فضایی که یک مول از یک ماده اشغال می‌کند. این عدد به تنهایی، اطلاعات سودمندی در اختیار ما قرار نمی‌دهد. به کمک قوانین بویل و شارل، می‌دانیم که حجم گازها با تغییر فشار و دما، تغییر پیدا می‌کند. بنابراین، یک گاز می‌تواند مقادیر متعددی از حجم مولی را اختیار کند.

برای این‌که مقدار 22/4 لیتر را به عددی قابل فهم تبدیل کنیم باید دما و فشار مشخصی برای آن تعریف شود. به همین دلیل است که دانشمندان ترجیح می‌دهند از دما و فشار مشخصی برای گزارش خواص مقداری گازها استفاده کنند. به همین منظور، بیان می‌شود یک مول از هر گازی در شرایط STP حجمی برابر با 22/4 لیتر دارد. بر این اساس، معیارهای سنجش گازها همچون حجم، جریان حجمی و تراکم‌پذیری را باید با یک دما و فشار مرجع تعریف کرد.

علاوه بر این، با استفاده از شرایط استاندارد می‌توان برای تکرار یک آزمایش، شرایط مشخصی را تعریف کرد چراکه تغییر شرایط آزمایشگاهی ممکن است نتایج یک آزمایش را به کلی تغییر دهد. به عبارت دیگر، اگر دانشمندی، توصیف دقیقی از شرایط آزمایشگاهی خود در مقالات علمی ارائه ندهد، سایر دانشمندان نمی‌توانند برای تکرار آزمایش‌ها و تولید نتایج از آن استفاده کنند. در حقیقت، قابلیت تولید مجدد یک داده آزمایشگاهی، از جمله اصول صحه‌گذاری بر یک یافته علمی قلمداد می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش موازنه انرژی و مواد
• استوکیومتری — به زبان ساده
• قانون هنری — از صفر تا صد

^^