Calcolatore di Pressione di Vapore: Stima della Volatilità delle Sostanze

Calcolatore della pressione di vapore

Un calcolatore della pressione di vapore stima la pressione esercitata dal vapore di un liquido quando liquido e vapore sono in equilibrio a una determinata temperatura. Questo strumento usa l'equazione di Antoine per calcolare tale pressione, in millimetri di mercurio (mmHg), per otto sostanze comuni: acqua, metanolo, etanolo, acetone, benzene, toluene, cloroformio ed etere dietilico.

Che cos'è la pressione di vapore?

Ogni liquido contiene molecole che si muovono a velocità diverse. Alcune delle molecole più veloci sulla superficie si liberano e si trasformano in gas, anche senza ebollire. Questo gas che fuoriesce esercita una pressione sopra il liquido e, alla fine, la velocità con cui le molecole lasciano il liquido diventa uguale a quella con cui vi ritornano. La pressione in questo punto di equilibrio è la pressione di vapore.

Un liquido con un'elevata pressione di vapore evapora rapidamente, perché molte delle sue molecole fuoriescono facilmente. Acetone ed etere dietilico ne sono esempi: evaporano rapidamente a temperatura ambiente. L'acqua ha una pressione di vapore più bassa a temperatura ambiente ed evapora più lentamente.

La pressione di vapore aumenta all'aumentare della temperatura. Le molecole più calde si muovono più velocemente, quindi un numero maggiore di esse possiede energia sufficiente per sfuggire al liquido. Questa relazione non è lineare: la pressione di vapore aumenta sempre più rapidamente con l'aumentare della temperatura.

Formula della pressione di vapore: l'equazione di Antoine

Il calcolatore usa l'equazione di Antoine, una formula adattata ai dati reali misurati per ciascuna sostanza:

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

• P è la pressione di vapore, in mmHg
• T è la temperatura, in °C
• A, B e C sono costanti proprie di ciascuna sostanza, determinate adattando l'equazione alle misurazioni di laboratorio

Le costanti di ciascuna sostanza funzionano correttamente solo entro uno specifico intervallo di temperatura. Al di fuori di tale intervallo, l'equazione può fornire un risultato errato; per questo il calcolatore non esegue il calcolo.

Costanti di Antoine utilizzate da questo calcolatore

Come usare il calcolatore della pressione di vapore

1. Scegliere una sostanza dal menu a tendina.
2. Inserire una temperatura in °C. Deve rientrare nell'intervallo valido della sostanza, mostrato sotto il campo di inserimento.
3. Leggere il risultato della pressione di vapore in mmHg.
4. Controllare il riquadro della formula per vedere i valori esatti usati nel calcolo.
5. Consultare il grafico per vedere come varia la pressione nell'intero intervallo valido.
6. Premere "Copia" per copiare il risultato oppure "Reimposta" per tornare all'acqua a 25 °C.

Se la temperatura è al di fuori dell'intervallo valido, il calcolatore mostra un messaggio di errore invece del risultato, perché in tale intervallo l'equazione di Antoine non è affidabile.

Come calcolare la pressione di vapore: esempio svolto

Determinare la pressione di vapore dell'acqua a 25 °C.

Passaggio 1: ottenere le costanti dell'acqua. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Passaggio 2: inserire i valori nell'equazione.

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

Passaggio 3: invertire il logaritmo.

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

La pressione di vapore dell'acqua a 25 °C è di circa 23,7 mmHg. È molto più bassa della normale pressione atmosferica (760 mmHg al livello del mare), per questo l'acqua liquida non bolle a temperatura ambiente.

Come verifica della formula, a 100 °C la stessa equazione fornisce per l'acqua una pressione di vapore di circa 760 mmHg, in accordo con il suo noto punto di ebollizione al livello del mare.

Pressione di vapore delle sostanze comuni a 25 °C

Acetone ed etere dietilico hanno pressioni di vapore molto più elevate rispetto all'acqua alla stessa temperatura. Per questo evaporano più rapidamente e danno una sensazione di freddo sulla pelle: l'evaporazione rapida sottrae velocemente calore.

Interpretazione del risultato

• Una pressione di vapore più elevata significa che la sostanza evapora più facilmente a quella temperatura.
• Una pressione di vapore più bassa significa che la sostanza tende a rimanere liquida.
• Un liquido bolle alla temperatura alla quale la sua pressione di vapore uguaglia la pressione circostante. Al livello del mare, tale pressione è di circa 760 mmHg (1 atmosfera).

Dove è importante la pressione di vapore

La pressione di vapore è utile in molte attività pratiche. Gli ingegneri chimici la usano per progettare le colonne di distillazione, che separano i liquidi facendo evaporare per primo quello più volatile. Influisce sulla progettazione dei serbatoi di stoccaggio per solventi e combustibili, poiché un liquido con un'elevata pressione di vapore può creare una pressione pericolosa in un contenitore chiuso. Gli scienziati ambientali la usano per prevedere se un inquinante evaporerà dall'acqua passando nell'aria. I farmacisti la usano per valutare il comportamento di un medicinale liquido nella confezione. Il personale di laboratorio la usa per scegliere condizioni sicure per la distillazione sotto vuoto e l'evaporazione rotante e per stabilire come conservare in sicurezza le sostanze chimiche volatili.

Altri metodi per determinare la pressione di vapore

L'equazione di Antoine è uno dei diversi metodi:

• L'equazione di Clausius-Clapeyron è una formula più fondamentale che mette in relazione la pressione di vapore con la temperatura e il calore necessario per vaporizzare la sostanza.
• L'equazione di Wagner copre intervalli di temperatura più ampi, ma richiede un numero maggiore di costanti.
• La misurazione diretta in laboratorio, mediante dispositivi come l'isoteniscopio, fornisce il singolo dato più affidabile.
• I metodi dei contributi di gruppo stimano la pressione di vapore dalla struttura di una molecola quando non sono disponibili dati sperimentali.

Cenni storici

L'idea formale della pressione di vapore si sviluppò a partire dagli studi sul calore e sui gas condotti nel 19º secolo. Benoît Paul Émile Clapeyron e Rudolf Clausius svilupparono l'equazione di Clausius-Clapeyron negli anni 1830, mettendo in relazione la pressione di vapore con la temperatura e il calore latente. Nel 1888, l'ingegnere francese Louis Charles Antoine pubblicò la correlazione più semplice che porta il suo nome. Essa rinuncia a parte del fondamento teorico in favore della facilità d'uso, motivo per cui è ancora comune nei manuali e nei calcolatori odierni.

Domande frequenti

Che cos'è la pressione di vapore in parole semplici? È la pressione del gas che si forma sopra un liquido quando il liquido e il suo gas sono in equilibrio, a una temperatura stabilita. Una sostanza con un'elevata pressione di vapore evapora facilmente.

In che modo la temperatura influisce sulla pressione di vapore? La pressione di vapore aumenta all'aumentare della temperatura e cresce sempre più rapidamente, invece di seguire una linea retta. Le molecole più calde si muovono più velocemente e un numero maggiore di esse può sfuggire dalla superficie del liquido.

Qual è la differenza tra pressione di vapore e pressione atmosferica? La pressione di vapore deriva dalle molecole di una singola sostanza che sfuggono trasformandosi in gas. La pressione atmosferica è la pressione combinata di tutti i gas presenti nell'aria sopra un luogo. Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore raggiunge la pressione atmosferica circostante.

Perché la pressione di vapore è importante per la distillazione? La distillazione separa i liquidi in base alle loro diverse pressioni di vapore. La sostanza con la pressione di vapore più elevata evapora per prima e può essere raccolta separatamente.

Quanto è precisa l'equazione di Antoine? Vicino alle temperature per le quali sono state determinate le costanti, di solito riproduce la pressione di vapore misurata con uno scarto di pochi punti percentuali. Due verifiche di questo calcolatore: l'acqua a 100 °C fornisce 760,1 mmHg rispetto al valore reale di 760 mmHg, mentre l'etere dietilico a 20 °C fornisce 440,1 mmHg rispetto al valore misurato di 439,8 mmHg. La precisione diminuisce molto al di fuori dell'intervallo usato per l'adattamento, quindi il calcolatore rifiuta le temperature esterne all'intervallo indicato per ciascuna sostanza. I risultati molto superiori al punto di ebollizione di una sostanza sono estrapolazioni e devono essere considerati stime.

Questo calcolatore funziona per le miscele? No. Calcola la pressione di vapore solo per sostanze pure. Le miscele seguono la legge di Raoult, secondo la quale la pressione parziale di ciascun componente dipende dalla sua frazione nella miscela; le miscele non ideali richiedono ulteriori fattori correttivi.

Riferimenti

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. e O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5ª ed.). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. e Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (8ª 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. WebBook di chimica del NIST, SRD 69. Istituto nazionale di standard e tecnologia.