Calculadora de Pressão de Vapor: Estime a Volatilidade de Substâncias

Calculadora de pressão de vapor

Uma calculadora de pressão de vapor estima a pressão que o vapor de um líquido exerce quando o líquido e o vapor estão em equilíbrio a uma determinada temperatura. Esta ferramenta usa a equação de Antoine para calcular essa pressão, em milímetros de mercúrio (mmHg), para oito substâncias comuns: água, metanol, etanol, acetona, benzeno, tolueno, clorofórmio e éter dietílico.

O que é pressão de vapor?

Todo líquido tem moléculas que se movem em velocidades diferentes. Algumas das mais rápidas, na superfície, se libertam e se transformam em gás, mesmo sem entrar em ebulição. Esse gás que escapa acumula pressão acima do líquido e, por fim, a taxa de moléculas que deixam o líquido se iguala à taxa de moléculas que retornam a ele. A pressão nesse ponto de equilíbrio é a pressão de vapor.

Um líquido com alta pressão de vapor evapora rapidamente, porque muitas de suas moléculas escapam com facilidade. A acetona e o éter dietílico são exemplos: evaporam rapidamente à temperatura ambiente. A água tem uma pressão de vapor menor à temperatura ambiente e evapora mais lentamente.

A pressão de vapor aumenta à medida que a temperatura sobe. Moléculas mais quentes se movem mais rapidamente, portanto mais delas têm energia suficiente para escapar do líquido. Essa relação não é linear; a pressão de vapor aumenta cada vez mais rápido à medida que a temperatura sobe.

Fórmula da pressão de vapor: a equação de Antoine

A calculadora usa a equação de Antoine, uma fórmula ajustada a dados reais medidos para cada substância:

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

• P é a pressão de vapor, em mmHg
• T é a temperatura, em °C
• A, B e C são constantes exclusivas de cada substância, determinadas pelo ajuste da equação a medições de laboratório

As constantes de cada substância só funcionam corretamente dentro de uma faixa de temperatura específica. Fora dessa faixa, a equação pode produzir uma resposta incorreta, portanto a calculadora não fará o cálculo.

Constantes de Antoine usadas por esta calculadora

Como usar a calculadora de pressão de vapor

1. Escolha uma substância no menu suspenso.
2. Insira uma temperatura em °C. Ela deve estar dentro da faixa válida da substância, exibida abaixo do campo de entrada.
3. Leia o resultado da pressão de vapor em mmHg.
4. Consulte o painel da fórmula para ver os valores exatos usados no cálculo.
5. Consulte o gráfico para ver como a pressão muda em toda a faixa válida.
6. Pressione "Copiar" para copiar o resultado ou "Redefinir" para voltar à água a 25 °C.

Se a temperatura estiver fora da faixa válida, a calculadora exibirá uma mensagem de erro em vez de um resultado, porque a equação de Antoine não é confiável nesse intervalo.

Como calcular a pressão de vapor: exemplo resolvido

Determine a pressão de vapor da água a 25 °C.

Etapa 1: obtenha as constantes da água. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Etapa 2: substitua os valores na equação.

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

Etapa 3: desfaça o logaritmo.

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

A pressão de vapor da água a 25 °C é de aproximadamente 23,7 mmHg. Esse valor é muito menor que a pressão atmosférica normal (760 mmHg ao nível do mar), razão pela qual a água líquida não entra em ebulição à temperatura ambiente.

Como verificação da fórmula: a 100 °C, a mesma equação fornece uma pressão de vapor de aproximadamente 760 mmHg para a água, correspondendo ao seu ponto de ebulição conhecido ao nível do mar.

Pressão de vapor de substâncias comuns a 25 °C

A acetona e o éter dietílico têm pressões de vapor muito mais altas que a água à mesma temperatura. Por isso evaporam mais rapidamente e dão uma sensação mais fria na pele: a evaporação rápida remove calor rapidamente.

Interpretação do resultado

• Uma pressão de vapor mais alta significa que a substância evapora mais facilmente nessa temperatura.
• Uma pressão de vapor mais baixa significa que a substância tende a permanecer líquida com mais facilidade.
• Um líquido entra em ebulição à temperatura em que sua pressão de vapor se iguala à pressão ao redor. Ao nível do mar, essa pressão é de aproximadamente 760 mmHg (1 atmosfera).

Onde a pressão de vapor é importante

A pressão de vapor orienta muitas atividades práticas. Engenheiros químicos a utilizam para projetar colunas de destilação, que separam líquidos vaporizando primeiro o mais volátil. Ela influencia a construção de tanques de armazenamento de solventes e combustíveis, pois um líquido com alta pressão de vapor pode acumular uma pressão perigosa em um recipiente fechado. Cientistas ambientais a utilizam para prever se um poluente evaporará da água para o ar. Farmacêuticos a utilizam para avaliar como um medicamento líquido se comportará em sua embalagem. Profissionais de laboratório a utilizam para escolher condições seguras para a destilação a vácuo e a evaporação rotativa, além de avaliar como armazenar produtos químicos voláteis com segurança.

Outras formas de determinar a pressão de vapor

A equação de Antoine é um dos vários métodos:

• A equação de Clausius-Clapeyron é uma fórmula mais fundamental que relaciona a pressão de vapor à temperatura e ao calor necessário para vaporizar a substância.
• A equação de Wagner abrange faixas de temperatura mais amplas, mas exige mais constantes de entrada.
• A medição direta em laboratório, usando dispositivos como um isoteniscópio, fornece o ponto de dado individual mais confiável.
• Os métodos de contribuição de grupos estimam a pressão de vapor a partir da estrutura de uma molécula quando não existem dados experimentais.

História

A pressão de vapor como conceito formal surgiu do trabalho realizado no século 19 sobre calor e gases. Benoît Paul Émile Clapeyron e Rudolf Clausius desenvolveram a equação de Clausius-Clapeyron na década de 1830, relacionando a pressão de vapor à temperatura e ao calor latente. Em 1888, o engenheiro francês Louis Charles Antoine publicou a correlação mais simples que leva seu nome. Ela sacrifica parte da fundamentação teórica em favor da facilidade de uso, razão pela qual continua comum em livros didáticos e calculadoras atuais.

Perguntas frequentes

O que é pressão de vapor em termos simples? É a pressão do gás que se forma acima de um líquido quando o líquido e seu gás estão em equilíbrio, a uma temperatura definida. Uma substância com alta pressão de vapor evapora facilmente.

Como a temperatura afeta a pressão de vapor? A pressão de vapor aumenta à medida que a temperatura sobe, e aumenta cada vez mais rápido, em vez de seguir uma linha reta. Moléculas mais quentes se movem mais rapidamente, e uma quantidade maior delas consegue escapar da superfície do líquido.

Qual é a diferença entre pressão de vapor e pressão atmosférica? A pressão de vapor vem das próprias moléculas de uma substância que escapam e passam à forma gasosa. A pressão atmosférica é a pressão combinada de todos os gases no ar acima de um local. Um líquido entra em ebulição quando sua pressão de vapor alcança a pressão atmosférica ao seu redor.

Por que a pressão de vapor é importante para a destilação? A destilação separa líquidos com base em suas diferentes pressões de vapor. A substância com maior pressão de vapor evapora primeiro e pode ser coletada separadamente.

Qual é a precisão da equação de Antoine? Próxima das temperaturas usadas para ajustar as constantes, ela geralmente corresponde à pressão de vapor medida com diferença de poucos por cento. Duas verificações desta calculadora: a água a 100 °C fornece 760,1 mmHg, em comparação com 760 mmHg reais, e o éter dietílico a 20 °C fornece 440,1 mmHg, em comparação com 439,8 mmHg medidos. A precisão diminui muito fora da faixa de ajuste, portanto a calculadora recusa temperaturas fora da faixa indicada para cada substância. Resultados muito acima do ponto de ebulição de uma substância são extrapolações e devem ser tratados como estimativas.

Esta calculadora funciona para misturas? Não. Ela calcula a pressão de vapor apenas para substâncias puras. As misturas seguem a lei de Raoult, segundo a qual a pressão parcial de vapor de cada componente depende de sua proporção na mistura; misturas não ideais exigem fatores de correção adicionais.

Referências

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. e O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (5.ª ed.). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. e Abbott, M. M. (2017). Introdução à termodinâmica da engenharia química (8.ª ed.). McGraw-Hill Education.
3. Antoine, C. (1888). "Pressões de vapor: nova relação entre as pressões e as temperaturas." Comptes Rendus des Séances de l'Académie des Sciences, 107, 681-684.
4. NIST Chemistry WebBook, SRD 69. Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.