Flüssigkeiten mit kritischem Punkt bei normaler Temperatur und normalem Druck

Ob eine Antwort vorhanden ist, hängt von Ihrer Definition von „nahe“ im Vergleich zu STP ab.

Es gibt einige Flüssigkeiten, die ihren kritischen Punkt bei einer Temperatur nahe STP, aber höherem Druck haben. Zum Beispiel (siehe http://www.engineeringtoolbox.com/critical-point-d_997.html )

  material   Tc(K)    Pc(atm)
acetylene    309.5     61.6
ethylene     283.1     50.5
ethane       305.5     48.2

All dies sind unpolare Moleküle mit einer sehr bescheidenen Atommasse. Sobald Sie Sauerstoff hinzufügen, steigt die kritische Temperatur stark an, während der Druck nur geringfügig abfällt:

acetone       508       48
acetaldehyde  466       55

Das Problem ist, dass Ihre Flüssigkeit eine Dichte haben muss, die nahe der des Dampfes bei Atmosphärendruck liegt, damit ein kritischer Punkt in der Nähe des Atmosphärendrucks existiert. Und das würde eine Flüssigkeit mit extrem niedriger Dichte erfordern. Oder ein hochdichtes Gas.

AKTUALISIEREN

Es ist möglich (wie von @Diracology gezeigt), die Van-der-Waals-Koeffizienten der Substanz zu schätzen, die die gewünschten Eigenschaften hätte. Nach diesen Berechnungen (für die hier eine Herleitung zu finden ist) habe ich die Van-der-Waals-Koeffizienten berechnet$a$und$b$für ein paar kleine Moleküle. Das Auftragen des Volumens (berechnet aus kritischen Parametern) gegen die Anzahl der Atome in diesen Molekülen ergibt eine "vernünftige gerade Linie". Wenn ich diese Linie extrapoliere (was KEINE vernünftige Sache ist), finde ich, dass das X-Molekül ungefähr 300 Atome enthalten würde:

(Anmerkung - während ich den Druck in atm in der Tabelle zeige, wandle ich für die Berechnung in Pa um).

Wie Sie sehen können, ist es schwierig, ein Molekül mit einer so hohen intermolekularen Anziehungskraft zu erhalten (a = 25; das polarste Molekül in der Liste, Aceton, hat a = 1,6, sodass Sie etwa 15-mal von Ihrem Ziel abweichen); aber wenn Sie mit Ihrem Computermodell spielen möchten, um ein solches Molekül zu erstellen, könnte es meiner Meinung nach Spaß machen.

Nur um bei der Optimierung zu helfen, ist hier ein Diagramm, das das Verhalten von zeigt$a$und$b$und ihre Wirkung von$T_c$und$P_c$(Quellcode, um dies zu generieren, siehe unten).

Und der Quellcode:

#critical point calcs
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from math import pi

# constants
R=8.31
Na=6.02E23
#number of lines for a,b
N1=5
N2=5

def pc(a,b):
    return a/(27.0*b*b)

def tc(a,b):
    return 8*a/(27*b*R)

# range of values for a,b:
a = np.logspace(-0.5,1.5,N1)
b = np.logspace(-4,-2,N2)

T = np.zeros((N1,N2))
P = np.zeros((N1,N2))

for ii in range(N2):
    for jj in range(N1):
        T[jj,ii]=tc(a[jj],b[ii])
        P[jj,ii]=pc(a[jj],b[ii])

Tc = 293
Pc = 1e5
plt.figure()
plt.loglog(T,P,'b')
plt.loglog(T.T,P.T,'r')
plt.loglog([Tc,Tc],[1e2,Pc],'g')
plt.loglog([1,Tc],[Pc,Pc],'g')
plt.xlabel('Tc')
plt.ylabel('Pc')
plt.title('critical point for different a and b')
plt.xlim((1e1,1e4))
plt.ylim((1e3,1e8))


bc = R*Tc/(8*Pc)
ac = 27*bc*bc*Pc
vc = bc/(4*Na)
rc = np.power(3*vc/(4*pi),1./3.)
t = '  a=%.1f, b=%.4f; r=%.2e'%(ac,bc,rc)
plt.annotate(t, xy=(Tc,Pc), verticalalignment='top')
plt.annotate('increasing b', xy=(0.4, 0.1), xycoords='axes fraction',
                xytext=(0.2, 0.6), textcoords='axes fraction',
                arrowprops=dict(facecolor='blue', edgecolor='none', shrink=0.05),
                horizontalalignment='right', verticalalignment='top',
                )
plt.annotate('increasing a', xy=(0.8, 0.6), xycoords='axes fraction',
                xytext=(0.3, 0.7), textcoords='axes fraction',
                arrowprops=dict(facecolor='red', edgecolor='none', shrink=0.05),
                horizontalalignment='right', verticalalignment='top',
                )
plt.show()

Der kritische Druck ist gegeben durch

$$P_c=\frac{a}{27b^2},$$ während die kritische Temperatur ist $$T_c=\frac{8a}{27bR}=\frac{8bP_c}{R}.$$ Der Parameter $b$hängt mit dem effektiven Volumen zusammen, das von den Molekülen eingenommen wird , $$b=4N_0V_0,$$ wo $V_0$ist das Volumen des Moleküls und $N_0$ist die Avogadro-Zahl.

Also zumindest theoretisch kann man wählen$P_c=1\, \mathrm{atm}\approx 10^5\, \mathrm{Pa}$und$T_c=273\, \mathrm{K}$und löse es dann auf$b$,

$$b=\frac{RT_c}{8P_c}\approx 2.7\cdot 10^{-3},$$ was einen Molekülradius von bedeutet $6.4\cdot 10^{-10}\, \mathrm{m}$, was vernünftig ist. Wenn Sie nur ein Modell erstellen möchten, können Sie es reparieren $T_c=273\, \mathrm{K}$und $a\sim 10^0$(das ist der höchste Wert, den ich gesehen habe) und dann auflösen $P_c$und $b$. Dann finden Sie heraus, wie weit von $1\, \mathrm{atm}$und ein typischer Radius $10^{-10}$Die Lösung ist.

Kandidatensubstanzen können auch unter Verwendung von Gruppenbeitragsmethoden wie den Klincewicz- und Joback - Methoden gefunden werden, die Substanzeigenschaften vorhersagen, indem sie gewichtete Zählungen von Atomgruppen innerhalb des Moleküls nehmen. Beide der oben genannten Methoden sagen voraus$T_c$und$P_c$. Diese Methoden sind jedoch nur heuristisch und es ist nicht klar, was ihr Gültigkeitsbereich ist. Insbesondere können sie nicht zwischen Isomeren eines Moleküls unterscheiden, die signifikante Auswirkungen auf sie haben$T_c$und$P_c$.

Es ist immer noch interessant zu sehen, welche Erkenntnisse diese Methoden liefern können. Die Untersuchung der Formeln und Tabellen dieser Methoden zeigt, dass dies der vorherrschende Trend ist$P_c$nimmt mit zunehmender Atomzahl und Molekulargewicht dabei ab$T_c$wobei die Besonderheiten des Moleküls Korrekturen für die Rate dieses Effekts liefern. Dies steht im Einklang mit der Beziehung zwischen$T_c$,$P_c$und Van der Waals$b$in den Antworten von @Floris und @Diracology sowie meiner Feststellung von niedrig$P_c$Substanzen unter den großen Fluorkohlenstoffen.

Die Notwendigkeit großer Moleküle impliziert ein Kohlenstoffrückgrat. Die verbleibenden Bestandteile können dann so gewählt werden, dass versucht wird, den damit verbundenen Anstieg zu minimieren$T_c$. Nach der Joback-Methode. Fluor scheint einer der besten Bestandteile für diesen Zweck zu sein.