شرایط STP در شیمی چیست؟ درباره آن چه می دانید؟

در علم شیمی، شرایط STP یا شرایط استاندارد دما و فشار (Standard temperature and pressure) به مجموعه ‌ای از شرایط استاندارد گفته می شود که برای اندازه ‌گیری‌ های آزمایشی و تجربی بکار می روند. این شرایط، امکان مقایسه بین مجموعه ‌های مختلف داده را فراهم می کند. استاندارد های مورد استفاده اغلب مربوط به اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی یا همان آیوپاک (IUPAC) و موسسه ملی استاندارد ها و فناوری (NIST) می باشند. اگر چه دقت داشته باشید که این استاندارد ها، پذیرفته شده جهانی نیستند. در واقع، سازمان های دیگر نیز تعاریف متنوعی را برای شرایط مرجع استاندارد خود ایجاد کرده اند. شرایط STP در بیشتر موارد در هنگام انجام محاسبات در مورد گاز ها مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی شرایط استاندارد دما و فشار پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.

 

تعریف آیوپاک از شرایط STP

تا سال ۱۹۸۲ میلادی، STP به عنوان دمای ۲۷۳/۱۵ کلوین (صفر درجه سلسیوس و یا ۳۲ درجه فارنهایت) و فشار مطلق دقیقا برابر با یک اتمسفر (۱۰۱/۳۲۵ کیلو پاسکال) تعریف می شد. در حالیکه، از سال ۱۹۸۲ میلادی به بعد، STP به عنوان دمای ۲۷۳/۱۵ کلوین (صفر درجه سانتی گراد و یا ۳۲ درجه فارنهایت) و فشار مطلق دقیقا برابر با ۱۰^۵ پاسکال (۱۰۰کیلو پاسکال و یا ۱ بار) تعریف شده است. دقت داشته باشید که درجه سلسیوس (Celsius) یک واحد فرعی در در سیستم بین الملی SI محسوب می ‌شود. این واحد در گذشته سانتی گراد (centigrade) نامیده می شد. لازم به ذکر است که STP نباید با حالت استانداردی که اغلب در ارزیابی ترمودینامیکی انرژی گیبس یک واکنش شیمیایی استفاده می شود، اشتباه گرفته شود.

 

تعریف موسسه ملی استاندارد ها و فناوری از شرایط STP

موسسه ملی استاندارد ها و فناوری یا همان NIST، از دمای ۲۹۳/۱۵ کلوین (۲۰ درجه سانتیگراد و یا ۶۸ درجه فارنهایت) و فشار مطلق دقیقا برابر با یک اتمسفر (۱۰۱/۳۲۵ کیلو پاسکال و یا ۱۴/۶۹۶ psi) استفاده می کند. این استاندارد، با نام استاندارد دما و فشار معمولی نیز نامیده می شود (به اختصار NTP). با این وجود، دما و فشار رایج مورد استفاده به وسیله موسسه NIST برای آزمایش ‌های ترمودینامیکی دمای ۲۹۸/۱۵ کلوین (۲۵ درجه سانتیگراد و یا ۷۷ درجه فارنهایت) و فشار مطلق دقیقا برابر با یک بار (۱۰۰ کیلو پاسکال و یا ۱۴/۵۰۳۸ psi) است. به این شرایط، فشار و دمای محيط استاندارد (SATP) گفته می شود.

لازم به ذکر است که شرایط استاندارد بین المللی متریک (International Standard Metric Conditions) برای گاز طبیعی و سیالات مشابه دمای ۲۸۸/۱۵ کلوین (۱۵ درجه سانتیگراد و یا ۵۹ درجه فارنهایت) و فشار برابر با ۱۰۱/۳۲۵ کیلو پاسکال است.

 

کاربرد شرایط استاندارد دما و فشار

ار آنجاییکه حجم مایعات و گاز ها به دما و فشار به شدت وابسته است، بنابراین وجود شرایط مرجع استاندارد، در انجام محاسبات از اهمیت بالایی برخوردار است. مقادیر استاندارد دما و فشار را جهت پیش ‌بینی رفتار گاز ها می‌ توان مورد استفاده قرار داد. به عنوان مثال، با استفاده از معادله گاز ایده آل می توان خواص یک گاز را در دما و فشار مختلف محاسبه کرد. مثلا، حجم یک نمونه شامل ۶/۲ مول گاز نیتروژن (N_۲) را در شرایط STP محاسبه کنید.

PV = nRT = (1atm) (V) = (2.6 mol) (0.08206 atm L / mol K) (273.15K) = 58.28 L

همانطور که می دانید، رفتار مواد شیمیایی در فشار ها و دما های مختلف با هم فرق می کنند. از این جهت، یک شیمیست، جهت توصیف رفتار گاز های مورد مطالعه تحت شرایط مرجع، باید از مقادیر استاندارد استفاده ‌کند. به عبارت دیگر می توان گفت که دانشمندان از شرایط استاندارد دما و فشار اغلب برای دو هدف استفاده می کنند. یکی از این اهداف، استفاده از مقادیر کمی در انجام محاسبات و هدف دوم ایجاد شرایطی برای تکرار آزمایشات است.

توجه داشته باشید که تغییر شرایط آزمایشگاهی می تواند نتایج یک آزمایش مشخص را به کلی تغییر دهد. بنابراین، اگر یک محقق، شرایط آزمایشگاهی خود را در مقالات علمی به صورت دقیق ارائه ندهد، به طور یقین، سایر دانشمندان نمی‌ توانند از این گزارش علمی، برای تکرار آزمایشات و همچنین تولید نتایج یکسان بهره ببرند.

 

شرایط استاندارد

شرایط STP بیشتر زمانی کاربرد دارد که شرایط حالت استاندارد (Standard State Conditions) برای محاسبات اعمال شود. در شرایط استاندارد، دما و فشار استاندارد هستند. جالب است بدانید که این شرایط را معمولا با یک بالانویس به شکل دایره می شناسند. به عنوان مثال، ^∘ΔS، تغییرات آنتروپی را در شرایط STP نشان می دهد. به طور مشابه، ^∘ΔG و ^∘ΔH به ترتیب، تغییرات انرژی آزاد گیبس و آنتالپی را در همین شرایط نشان می دهند. معمولا شرایط زیر را به عنوان حالت استاندارد در نظر می گیرند.

• دمای استاندارد، دمای ۲۹۸ کلوین یا ۲۵ درجه سانتی گراد است. لازم به ذکر است که دما برای شرایط حالت استاندارد مشخص نشده است، اما در اکثر جداول متون علمی، از ۲۵ درجه سانتیگراد استفاده شده است. در عین حال امکان دارد که محاسبات حالت استاندارد در دمای دیگری انجام شود.
• تمامی مایعات و همچنین گاز ها خالص می باشند.
• غلظت تمامی محلول ها ۱ مولار است.
• همه گاز ها در فشار ۱ قرار دارند.
• انرژی تشکیل یک عنصر، در حالت عادی به صورت صفر تعریف شده است.

 

فرم های دیگر شرایط STP

قبل از سال ۱۹۱۸ میلادی، بسیاری از متخصصان و دانشمندان با استفاده از سیستم متریک واحد ها، شرایط مرجع استاندارد دما و فشار را برای بیان حجم گاز استفاده می کردند. (دمای ۲۸۸/۱۵ کلوین (یا دمای ۱۵ درجه سانتیگراد و یا ۵۹ درجه فارنهایت) و فشار برابر با ۱۰۱/۳۲۵ کیلو پاسکال (یا ۱ اتمسفر و یا ۷۶۰ تور)). از طرفی دیگر و در همان سال ‌ها، متداول‌ ترین شرایط مرجع استاندارد مورد استفاده برای افرادی که از سیستم‌ های امپراتوری یا مرسوم ایالات متحده آمریکا استفاده می‌کردند، عبارت بود از: دمای ۶۰ درجه فارنهایت (دمای ۱۵/۵۶ درجه سانتی ‌گراد و یا ۲۸۸/۷۱ کلوین) و فشار برابر با ۱ اتمسفر و یا ۱۴/۶۹۶ psi. امروزه تعداد بسیار زیادی از تعاریف مختلف از شرایط مرجع استاندارد، توسط سازمان های مختلف در سراسر جهان استفاده می شود.

 

دقت داشته باشید که بسیاری از تعاریف دما و فشار استاندارد از نظر درجه حرارت به طور قابل توجهی با دمای استاندارد آزمایشگاهی فاصله دارد (مثلا دمای صفر درجه سانتی گراد در مقابل ۲۵ درجه سانتی گراد). بنابراین با اینکه شرایط STP برای محاسبات بسیار مفید است، اما برای آزمایشات آزمایشگاهی کاربردی ندارد. زیرا آزمایشات اغلب در دمای صفر درجه سانتی گراد انجام نمی شوند. در این حالت، شرایط استاندارد دمای محیط و فشار (SATP) می تواند مورد استفاده قرار گیرد. یکی دیگر از استاندارد ها، استاندار NTP است که برای دما و فشار معمولی است و در بخش قبلی بیان شده است. جالب است بدانید که دمای و فشار آزمایشگاهی استاندارد ناگزیر به جغرافیا محدود می شود. در حقیقت، نقاط مختلف جهان از نظر آب و هوا، ارتفاع و درجه استفاده از گرما- خنک کننده در محل کار متفاوت هستند.

 

محاسبه حجم مولی گاز ها در شرایط STP

در شرایط استاندارد، یک مول گاز، حجمی معادل ۲۲/۴ لیتر را اشغال می کند. توجه داشته باشید که به این حجم، حجم مولار یا حجم مولی گفته می شود. لازم به ذکر است که نشان دادن شرایط مرجع در هنگام بیان حجم مولی گاز ها به همان اندازه مهم است که هنگام بیان حجم گاز یا سرعت جریان حجمی، باید شرایط دما و فشار اجرا شده را بیان کرد.

 

بنابراین، به جای ارجاع اندازه گیری به شرایط STP یا شرایط استاندارد، همیشه به صراحت شرایط مرجع دما و فشار را بیان کنید. زیرا بیان حجم مولی گاز بدون نشان دادن شرایط مرجع دما و فشار، معنای بسیار کمی دارد و همچنین می تواند باعث سردرگمی شود. از طرفی دیگر دقت داشته باشید که حجم مولی هر گاز ایده آل ممکنست در شرایط مرجع استاندارد مختلف محاسبه شود که در زیر تعدادی از این محاسبات نشان داده شده است.

V_m = ۸.۳۱۴۵ × ۲۷۳.۱۵ / ۱۰۱.۳۲۵ = ۲۲.۴۱۴ dm^۳ / mol at 0 ^°C and 101.325 kPa.

or = 8.3145 × ۲۷۳.۱۵ / ۱۰۰.۰۰۰ = ۲۲.۷۱۱ dm^۳ / mol at 0 ^°C and 100 kPa.

V_m = ۸.۳۱۴۵ × ۲۹۸.۱۵ / ۱۰۱.۳۲۵ = ۲۴.۴۶۶ dm^۳ / mol at 25 ^°C and 101.325 kPa.

or = 8.3145 × ۲۹۸.۱۵ / ۱۰۰.۰۰۰ = ۲۴.۷۹۰ dm^۳ / mol at 25 ^°C and 100 kPa.

V_m = ۱۰.۷۳۱۶ × ۵۱۹.۶۷ / ۱۴.۶۹۶ = ۳۷۹.۴۸ ft^۳ / lbmol at 60 ^°F and 14.696 psi (or about 0.8366 ft^۳ / gram mole).

or = 10.7316 × ۵۱۹.۶۷ / ۱۴.۷۳۰ = ۳۷۸.۶۱ ft^۳ / lbmol at 60 ^°F and 14.73 psi.