Calculadora de Presión de Vapor: Estime la Volatilidad de Sustancias

Calculadora de presión de vapor

Una calculadora de presión de vapor estima la presión que ejerce el vapor de un líquido cuando el líquido y el vapor están en equilibrio a una temperatura determinada. Esta herramienta utiliza la ecuación de Antoine para calcular esa presión, en milímetros de mercurio (mmHg), para ocho sustancias comunes: agua, metanol, etanol, acetona, benceno, tolueno, cloroformo y éter dietílico.

¿Qué es la presión de vapor?

Todas las sustancias líquidas tienen moléculas que se mueven a distintas velocidades. Algunas de las más rápidas, situadas en la superficie, se liberan y se convierten en gas, incluso sin que se produzca ebullición. Este gas que escapa acumula presión sobre el líquido y, con el tiempo, la velocidad a la que las moléculas abandonan el líquido iguala la velocidad a la que regresan a él. La presión en ese punto de equilibrio es la presión de vapor.

Un líquido con una presión de vapor alta se evapora rápidamente, porque muchas de sus moléculas escapan con facilidad. La acetona y el éter dietílico son ejemplos: se evaporan rápido a temperatura ambiente. El agua tiene una presión de vapor más baja a temperatura ambiente y se evapora más lentamente.

La presión de vapor aumenta cuando sube la temperatura. Las moléculas más calientes se mueven más rápido, por lo que un mayor número de ellas tiene energía suficiente para escapar del líquido. Esta relación no es lineal: la presión de vapor aumenta cada vez más rápido a medida que sube la temperatura.

Fórmula de la presión de vapor: la ecuación de Antoine

La calculadora utiliza la ecuación de Antoine, una fórmula ajustada a datos reales medidos para cada sustancia:

$\log_{10}(P) = A - \frac{B}{C + T}$

• P es la presión de vapor, en mmHg
• T es la temperatura, en °C
• A, B y C son constantes propias de cada sustancia, obtenidas al ajustar la ecuación a mediciones de laboratorio

Las constantes de cada sustancia solo funcionan correctamente dentro de un intervalo de temperatura específico. Fuera de ese intervalo, la ecuación puede dar un resultado incorrecto, por lo que la calculadora no lo calculará.

Constantes de Antoine utilizadas por esta calculadora

Cómo utilizar la calculadora de presión de vapor

1. Elija una sustancia en el menú desplegable.
2. Introduzca una temperatura en °C. Debe estar dentro del intervalo válido de la sustancia, que aparece debajo del campo de entrada.
3. Lea el resultado de la presión de vapor en mmHg.
4. Consulte el panel de la fórmula para ver los valores exactos utilizados en el cálculo.
5. Consulte el gráfico para ver cómo cambia la presión en todo el intervalo válido.
6. Pulse «Copiar» para copiar el resultado o «Restablecer» para volver al agua a 25 °C.

Si la temperatura está fuera del intervalo válido, la calculadora muestra un mensaje de error en lugar de un resultado, porque la ecuación de Antoine no es fiable en ese intervalo.

Cómo calcular la presión de vapor: ejemplo resuelto

Determine la presión de vapor del agua a 25 °C.

Paso 1: Obtenga las constantes del agua. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Paso 2: Sustitúyalas en la ecuación.

$\log_{10}(P) = 8.07131 - \frac{1730.63}{233.426 + 25} = 8.07131 - \frac{1730.63}{258.426} = 1.3745$

Paso 3: Deshaga el logaritmo.

$P = 10^{1.3745} \approx 23.7 \text{ mmHg}$

La presión de vapor del agua a 25 °C es de aproximadamente 23,7 mmHg. Es mucho menor que la presión atmosférica normal (760 mmHg al nivel del mar), por lo que el agua líquida no hierve a temperatura ambiente.

Como comprobación de la fórmula, a 100 °C la misma ecuación da una presión de vapor de aproximadamente 760 mmHg para el agua, lo que coincide con su punto de ebullición conocido al nivel del mar.

Presión de vapor de sustancias comunes a 25 °C

La acetona y el éter dietílico tienen presiones de vapor mucho más altas que el agua a la misma temperatura. Por eso se evaporan más rápido y producen una sensación más fría sobre la piel: la evaporación rápida elimina el calor con rapidez.

Interpretación del resultado

• Una presión de vapor más alta significa que la sustancia se evapora con mayor facilidad a esa temperatura.
• Una presión de vapor más baja significa que la sustancia tiende a permanecer líquida.
• Un líquido hierve a la temperatura a la que su presión de vapor iguala la presión del entorno. Al nivel del mar, esa presión del entorno es de aproximadamente 760 mmHg (1 atmósfera).

Importancia de la presión de vapor

La presión de vapor resulta útil en muchas tareas prácticas. Los ingenieros químicos la utilizan para diseñar columnas de destilación, que separan los líquidos haciendo hervir primero el más volátil. También influye en la construcción de tanques de almacenamiento para disolventes y combustibles, ya que un líquido con una presión de vapor alta puede acumular una presión peligrosa en un recipiente cerrado. Los científicos ambientales la utilizan para predecir si un contaminante se evaporará del agua al aire. Los farmacéuticos la emplean para evaluar el comportamiento de un medicamento líquido en su envase. El personal de laboratorio la utiliza para elegir condiciones seguras para la destilación al vacío y la evaporación rotatoria, y para determinar cómo almacenar sustancias químicas volátiles de forma segura.

Otras formas de determinar la presión de vapor

La ecuación de Antoine es uno de varios métodos:

• La ecuación de Clausius-Clapeyron es una fórmula más fundamental que relaciona la presión de vapor con la temperatura y el calor necesario para vaporizar la sustancia.
• La ecuación de Wagner abarca intervalos de temperatura más amplios, pero necesita más constantes de entrada.
• La medición directa en un laboratorio, mediante dispositivos como el isoteniscopio, proporciona el dato individual más fiable.
• Los métodos de contribución de grupos estiman la presión de vapor a partir de la estructura de una molécula cuando no existen datos experimentales.

Historia

La presión de vapor como concepto formal surgió del trabajo realizado en el siglo 19 sobre el calor y los gases. Benoît Paul Émile Clapeyron y Rudolf Clausius desarrollaron la ecuación de Clausius-Clapeyron en la década de 1830, relacionando la presión de vapor con la temperatura y el calor latente. En 1888, el ingeniero francés Louis Charles Antoine publicó la correlación más sencilla que lleva su nombre. Esta sacrifica parte de su fundamento teórico a cambio de facilidad de uso, por lo que sigue siendo común en los libros de texto y las calculadoras actuales.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la presión de vapor en términos sencillos? Es la presión del gas que se forma sobre un líquido cuando el líquido y su gas están en equilibrio a una temperatura determinada. Una sustancia con una presión de vapor alta se evapora con facilidad.

¿Cómo afecta la temperatura a la presión de vapor? La presión de vapor aumenta cuando sube la temperatura y aumenta cada vez más rápido, en lugar de hacerlo de forma lineal. Las moléculas más calientes se mueven más rápido y un mayor número de ellas puede escapar de la superficie del líquido.

¿Cuál es la diferencia entre la presión de vapor y la presión atmosférica? La presión de vapor procede de las moléculas de una sustancia que escapan y pasan a la forma gaseosa. La presión atmosférica es la presión combinada de todos los gases del aire sobre un lugar. Un líquido hierve cuando su presión de vapor alcanza la presión atmosférica que lo rodea.

¿Por qué es importante la presión de vapor para la destilación? La destilación separa los líquidos según sus diferentes presiones de vapor. La sustancia con mayor presión de vapor se evapora primero y puede recogerse por separado.

¿Qué precisión tiene la ecuación de Antoine? Cerca de las temperaturas para las que se ajustaron las constantes, normalmente coincide con la presión de vapor medida con un margen de pocos puntos porcentuales. Dos comprobaciones de esta calculadora: el agua a 100 °C da 760,1 mmHg frente a 760 mmHg reales, y el éter dietílico a 20 °C da 440,1 mmHg frente a 439,8 mmHg medidos. La precisión disminuye considerablemente fuera del intervalo ajustado, por lo que la calculadora rechaza las temperaturas que quedan fuera del intervalo indicado para cada sustancia. Los resultados muy por encima del punto de ebullición de una sustancia son extrapolaciones y deben considerarse estimaciones.

¿Funciona esta calculadora para mezclas? No. Calcula la presión de vapor únicamente de sustancias puras. Las mezclas siguen la ley de Raoult, según la cual la presión de vapor parcial de cada componente depende de su proporción en la mezcla; las mezclas no ideales requieren factores de corrección adicionales.

Referencias

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. y O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5.ª ed.). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. y Abbott, M. M. (2017). Introducción a la termodinámica de la ingeniería química (8.ª ed.). McGraw-Hill Education.
3. Antoine, C. (1888). «Tensions des vapeurs: nouvelle relation entre les tensions et les températures». Comptes Rendus des Séances de l'Académie des Sciences, 107, 681-684.
4. NIST Chemistry WebBook, SRD 69. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.