Calcolatore del Punto di Ebollizione | Strumento dell'Equazione di Antoine

Che cos'è un calcolatore del punto di ebollizione?

Un calcolatore del punto di ebollizione determina la temperatura alla quale un liquido passa allo stato gassoso a una pressione scelta. Funziona con l'acqua e con altri liquidi puri usando una formula chiamata equazione di Antoine. È sufficiente inserire una sostanza e una pressione per ottenere la temperatura alla quale quel liquido bolle.

Come la pressione modifica il punto di ebollizione

Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore, cioè la pressione del gas che fuoriesce dalla sua superficie, raggiunge la pressione dell'aria o del gas sovrastante. Se la pressione esterna diminuisce, il liquido ha bisogno di meno calore per raggiungere questo equilibrio e quindi bolle a una temperatura più bassa. Se la pressione aumenta, serve più calore e il liquido bolle a una temperatura più alta.

Per questo l'acqua bolle a 100°C (212°F) al livello del mare, dove la pressione atmosferica standard è 1 atm (760 mmHg), ma bolle al di sotto di 100°C in montagna, dove l'aria è più rarefatta. Questo spiega anche perché una pentola a pressione cuoce gli alimenti più rapidamente. Il vapore intrappolato aumenta la pressione all'interno della pentola, innalzando il punto di ebollizione dell'acqua; gli alimenti cuociono quindi a una temperatura più alta rispetto a una pentola aperta.

Il punto di ebollizione dipende anche dalla sostanza. Le molecole tenute insieme da forze intense, come i legami a idrogeno tra le molecole d'acqua, richiedono più energia per separarsi e quindi bollono a temperature più alte rispetto alle molecole soggette a forze più deboli.

Formula dell'equazione di Antoine

Il calcolatore usa l'equazione di Antoine, una formula che collega la pressione di vapore di un liquido alla sua temperatura:

log₁₀(P) = A − B / (T + C)

P è la pressione di vapore espressa in millimetri di mercurio (mmHg). T è la temperatura in gradi Celsius. A, B e C sono costanti specifiche di ogni sostanza, determinate tramite misurazioni di laboratorio.

Per trovare il punto di ebollizione a una pressione scelta, l'equazione viene riscritta per ricavare T:

T = B / (A − log₁₀(P)) − C

Le costanti di ogni sostanza sono accurate solo entro un determinato intervallo di temperatura, generalmente quello in cui sono state misurate. Al di fuori di tale intervallo, le previsioni dell'equazione diventano inaffidabili; per questo il calcolatore segnala ogni risultato che esce dall'intervallo verificato per una sostanza.

Come calcolare un punto di ebollizione

1. Scegliere una sostanza, come acqua, etanolo o toluene, oppure inserire le costanti A, B e C personalizzate per un altro liquido.
2. Inserire una pressione e sceglierne l'unità: atm, mmHg, kPa, psi o bar.
3. Scegliere l'unità del risultato: Celsius, Fahrenheit o Kelvin.
4. Leggere il punto di ebollizione calcolato. Il calcolatore traccia anche la curva pressione-temperatura e vi indica il risultato.

Esempi svolti

Acqua ad alta quota

A 5.000 piedi, la pressione atmosferica è circa 0,83 atm, cioè 630,8 mmHg. Usando le costanti di Antoine dell'acqua (A = 8.07131, B = 1730.63, C = 233.426):

log₁₀(630.8) = 2.800 T = 1730.63 / (8.07131 − 2.800) − 233.426 = 94.9°C (202.8°F)

Si tratta di circa 5°C in meno rispetto al punto di ebollizione dell'acqua al livello del mare, pari a 100°C. Una ricetta che richiede di far bollire l'acqua per un determinato numero di minuti al livello del mare necessita di più tempo a questa quota, perché l'acqua è più fredda.

Distillazione dell'etanolo a pressione ridotta

La distillazione dell'etanolo a 0,5 atm, cioè 380 mmHg, usando le sue costanti (A = 8.20417, B = 1642.89, C = 230.3), dà:

log₁₀(380) = 2.580 T = 1642.89 / (8.20417 − 2.580) − 230.3 = 61.8°C (143.2°F)

L'etanolo bolle normalmente a 78°C a 1 atm. Farlo bollire a una temperatura più bassa in condizioni di pressione ridotta richiede meno energia e riduce il rischio di bruciare miscele sensibili al calore durante la distillazione.

Distillazione sottovuoto del toluene

Una pompa per vuoto da laboratorio può ridurre la pressione a 50 mmHg, circa 0,066 atm. Usando le costanti del toluene (A = 6.95464, B = 1344.8, C = 219.482):

log₁₀(50) = 1.699 T = 1344.8 / (6.95464 − 1.699) − 219.482 = 36.4°C (97.5°F)

Il toluene bolle normalmente a 111°C a 1 atm. Sottovuoto bolle appena a 36.4°C, permettendo ai chimici di purificare composti sensibili al calore senza applicare il calore più intenso che li danneggerebbe.

Applicazioni dei calcoli del punto di ebollizione

Gli impianti chimici e farmaceutici usano questi calcoli per pianificare la distillazione, il processo di separazione dei liquidi basato sui diversi punti di ebollizione. In cucina, le ricette vengono adattate in alta quota perché l'acqua bolle a una temperatura più bassa. Gli ingegneri della refrigerazione scelgono i refrigeranti anche in base al loro punto di ebollizione alle pressioni di esercizio. I forni sottovuoto e gli essiccatori a congelamento usano lo stesso principio: ridurre la pressione abbassa la temperatura necessaria per rimuovere l'acqua da un materiale.

Equazione di Antoine e altri metodi

L'equazione di Antoine è una versione semplificata di una relazione più fondamentale chiamata equazione di Clausius-Clapeyron, che richiede dati aggiuntivi come il calore di vaporizzazione di una sostanza. L'equazione di Wagner copre intervalli di temperatura più ampi, ma richiede un numero maggiore di costanti. Le tabelle del vapore del NIST forniscono valori molto precisi per l'acqua, ma non includono altre sostanze. Per la maggior parte dei calcoli quotidiani e ingegneristici relativi ai liquidi comuni, l'equazione di Antoine offre un buon compromesso tra semplicità e accuratezza, generalmente entro l'1–2% dei valori misurati all'interno dell'intervallo verificato.

Domande frequenti

Come si calcola il punto di ebollizione di un liquido?

Occorre cercare le costanti di Antoine della sostanza (A, B e C) e usare T = B / (A − log₁₀(P)) − C, con la pressione P espressa in mmHg. Il calcolatore esegue automaticamente questo calcolo per le sostanze comuni o per qualsiasi insieme personalizzato di costanti inserito dall'utente.

Qual è il punto di ebollizione dell'acqua alla pressione standard?

L'acqua bolle a 100°C (212°F) a 1 atm, cioè 760 mmHg, la pressione atmosferica standard al livello del mare.

Perché l'acqua bolle a una temperatura più bassa in alta quota?

La pressione dell'aria diminuisce con l'aumentare della quota. Una pressione più bassa fa sì che la pressione di vapore dell'acqua raggiunga prima quella circostante, a una temperatura inferiore. Come indicazione approssimativa, il punto di ebollizione diminuisce di circa 1°C ogni 285 metri (935 piedi) di aumento della quota.

Perché liquidi diversi bollono a temperature diverse?

Il punto di ebollizione dipende dall'intensità con cui le molecole di un liquido si attraggono tra loro. Le sostanze con forti forze intermolecolari, come i legami a idrogeno dell'acqua, richiedono più energia termica per rompere tali legami e bollire; perciò hanno punti di ebollizione più alti rispetto alle sostanze con forze più deboli, come l'esano.

L'equazione di Antoine funziona per le miscele?

No. Si applica solo alle sostanze pure. Per le miscele servono strumenti diversi, come la legge di Raoult o i modelli dei coefficienti di attività, perché ogni componente modifica la pressione di vapore degli altri.

Quanto è accurata l'equazione di Antoine?

All'interno dell'intervallo di temperatura verificato per una sostanza, in genere riproduce i punti di ebollizione misurati con una differenza dell'1–2%. Al di fuori di tale intervallo o vicino al punto critico di una sostanza, la sua accuratezza diminuisce; un risultato al di fuori dell'intervallo indicato deve quindi essere considerato con cautela.