Calculateur de pression de vapeur : Estimez la volatilité des substances

Calculateur de pression de vapeur

Un calculateur de pression de vapeur estime la pression exercée par la vapeur d’un liquide lorsque le liquide et la vapeur sont en équilibre à une température donnée. Cet outil utilise l’équation d’Antoine pour calculer cette pression, en millimètres de mercure (mmHg), pour huit substances courantes : eau, méthanol, éthanol, acétone, benzène, toluène, chloroforme et éther diéthylique.

Qu’est-ce que la pression de vapeur ?

Dans tout liquide, les molécules se déplacent à des vitesses différentes. Certaines des plus rapides, à la surface, s’échappent et se transforment en gaz, même sans ébullition. Ce gaz qui s’échappe crée une pression au-dessus du liquide et, finalement, la vitesse à laquelle les molécules quittent le liquide devient égale à celle à laquelle elles y retournent. La pression à cet état d’équilibre est la pression de vapeur.

Un liquide dont la pression de vapeur est élevée s’évapore rapidement, car un grand nombre de ses molécules s’échappent facilement. L’acétone et l’éther diéthylique en sont des exemples : ils s’évaporent rapidement à température ambiante. À température ambiante, l’eau a une pression de vapeur plus faible et s’évapore plus lentement.

La pression de vapeur augmente avec la température. Les molécules plus chaudes se déplacent plus vite, de sorte qu’un plus grand nombre d’entre elles possèdent assez d’énergie pour s’échapper du liquide. Cette relation n’est pas linéaire : la pression de vapeur augmente de plus en plus vite à mesure que la température monte.

Formule de la pression de vapeur : l’équation d’Antoine

Le calculateur utilise l’équation d’Antoine, une formule ajustée à partir de données mesurées réelles pour chaque substance :

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

• P représente la pression de vapeur, en mmHg
• T représente la température, en °C
• A, B et C sont des constantes propres à chaque substance, déterminées en ajustant l’équation à des mesures en laboratoire

Les constantes de chaque substance ne sont valables que dans une plage de températures précise. En dehors de cette plage, l’équation peut donner un résultat erroné ; le calculateur n’effectue donc pas le calcul.

Constantes d’Antoine utilisées par ce calculateur

Comment utiliser le calculateur de pression de vapeur

1. Choisissez une substance dans le menu déroulant.
2. Saisissez une température en °C. Elle doit se situer dans la plage de validité de la substance, affichée sous le champ de saisie.
3. Lisez le résultat de la pression de vapeur en mmHg.
4. Consultez le panneau de la formule pour voir les valeurs exactes utilisées dans le calcul.
5. Consultez le graphique pour voir comment la pression évolue sur toute la plage de validité.
6. Appuyez sur « Copy » pour copier le résultat, ou sur « Reset » pour revenir à l’eau à 25 °C.

Si la température est en dehors de la plage de validité, le calculateur affiche un message d’erreur au lieu d’un résultat, car l’équation d’Antoine n’y est pas fiable.

Comment calculer la pression de vapeur : exemple détaillé

Déterminons la pression de vapeur de l’eau à 25 °C.

Étape 1 : obtenir les constantes de l’eau. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Étape 2 : les introduire dans l’équation.

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

Étape 3 : annuler le logarithme.

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

La pression de vapeur de l’eau à 25 °C est d’environ 23,7 mmHg. Elle est bien inférieure à la pression atmosphérique normale (760 mmHg au niveau de la mer), ce qui explique que l’eau liquide ne bout pas à température ambiante.

Pour vérifier la formule, à 100 °C, la même équation donne une pression de vapeur d’environ 760 mmHg pour l’eau, ce qui correspond à son point d’ébullition connu au niveau de la mer.

Pression de vapeur de substances courantes à 25 °C

À la même température, l’acétone et l’éther diéthylique ont des pressions de vapeur bien plus élevées que l’eau. C’est pourquoi ils s’évaporent plus vite et donnent une sensation de froid sur la peau : l’évaporation rapide évacue rapidement la chaleur.

Interprétation du résultat

• Une pression de vapeur plus élevée signifie que la substance s’évapore plus facilement à cette température.
• Une pression de vapeur plus faible signifie que la substance reste plus facilement à l’état liquide.
• Un liquide bout à la température à laquelle sa pression de vapeur devient égale à la pression environnante. Au niveau de la mer, cette pression environnante est d’environ 760 mmHg (1 atmosphère).

Dans quels domaines la pression de vapeur est-elle importante ?

La pression de vapeur intervient dans de nombreuses applications concrètes. Les ingénieurs chimistes l’utilisent pour concevoir des colonnes de distillation, qui séparent les liquides en faisant d’abord bouillir le plus volatil. Elle influe sur la conception des réservoirs de stockage des solvants et des carburants, car un liquide dont la pression de vapeur est élevée peut créer une pression dangereuse dans un récipient fermé. Les scientifiques de l’environnement l’utilisent pour prévoir si un polluant s’évaporera de l’eau vers l’air. Les pharmaciens s’en servent pour évaluer le comportement d’un médicament liquide dans son emballage. Le personnel de laboratoire l’utilise pour choisir des conditions sûres de distillation sous vide et d’évaporation rotative, ainsi que pour déterminer comment stocker les produits chimiques volatils en toute sécurité.

Autres méthodes pour déterminer la pression de vapeur

L’équation d’Antoine est l’une des plusieurs méthodes existantes :

• L’équation de Clausius-Clapeyron est une formule plus fondamentale qui relie la pression de vapeur à la température et à la chaleur nécessaire pour vaporiser la substance.
• L’équation de Wagner couvre des plages de températures plus étendues, mais nécessite davantage de constantes d’entrée.
• La mesure directe en laboratoire, à l’aide d’appareils tels qu’un isothéniscope, fournit le point de données unique le plus fiable.
• Les méthodes de contribution de groupes estiment la pression de vapeur à partir de la structure d’une molécule lorsqu’aucune donnée expérimentale n’est disponible.

Historique

La pression de vapeur, en tant que concept formel, est issue des travaux du 19e siècle sur la chaleur et les gaz. Benoît Paul Émile Clapeyron et Rudolf Clausius ont élaboré l’équation de Clausius-Clapeyron dans les années 1830, en reliant la pression de vapeur à la température et à la chaleur latente. En 1888, l’ingénieur français Louis Charles Antoine a publié la corrélation plus simple qui porte son nom. Elle renonce à une partie de ses fondements théoriques au profit de la facilité d’utilisation, ce qui explique qu’elle reste courante dans les manuels et les calculateurs actuels.

Foire aux questions

Qu’est-ce que la pression de vapeur en termes simples ? C’est la pression du gaz qui se forme au-dessus d’un liquide lorsque le liquide et son gaz sont en équilibre, à une température donnée. Une substance dont la pression de vapeur est élevée s’évapore facilement.

Comment la température influe-t-elle sur la pression de vapeur ? La pression de vapeur augmente avec la température, et elle augmente de plus en plus vite plutôt que de manière linéaire. Les molécules plus chaudes se déplacent plus vite et un plus grand nombre d’entre elles peuvent s’échapper de la surface du liquide.

Quelle est la différence entre la pression de vapeur et la pression atmosphérique ? La pression de vapeur provient des molécules d’une seule substance qui s’échappent sous forme gazeuse. La pression atmosphérique est la pression combinée de tous les gaz présents dans l’air au-dessus d’un lieu. Un liquide bout lorsque sa pression de vapeur atteint la pression atmosphérique qui l’entoure.

Pourquoi la pression de vapeur est-elle importante pour la distillation ? La distillation sépare les liquides en fonction de leurs pressions de vapeur différentes. La substance dont la pression de vapeur est la plus élevée s’évapore en premier et peut être recueillie séparément.

Quelle est la précision de l’équation d’Antoine ? Aux températures proches de celles utilisées pour ajuster les constantes, elle correspond généralement aux pressions de vapeur mesurées à quelques pour cent près. Deux vérifications de ce calculateur : pour l’eau à 100 °C, il donne 760,1 mmHg contre une valeur réelle de 760 mmHg, et pour l’éther diéthylique à 20 °C, il donne 440,1 mmHg contre une valeur mesurée de 439,8 mmHg. La précision diminue nettement en dehors de la plage d’ajustement ; le calculateur refuse donc les températures qui sortent de la plage indiquée pour chaque substance. Les résultats très supérieurs au point d’ébullition d’une substance sont des extrapolations et doivent être considérés comme des estimations.

Ce calculateur fonctionne-t-il pour les mélanges ? Non. Il calcule uniquement la pression de vapeur de substances pures. Les mélanges suivent la loi de Raoult, selon laquelle la pression partielle de vapeur de chaque composant dépend de sa proportion dans le mélange ; les mélanges non idéaux nécessitent des facteurs de correction supplémentaires.

Références

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. et O’Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5e éd.). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. et Abbott, M. M. (2017). Introduction à la thermodynamique du génie chimique (8e éd.). 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. WebBook de chimie du NIST, SRD 69. Institut national des normes et de la technologie.