Calculator de presiune de vapori: Estimați volatilitatea substanței

Calculatorul presiunii vaporilor

Un calculator pentru presiunea vaporilor estimează presiunea exercitată de vaporii unui lichid atunci când lichidul și vaporii se află în echilibru la o anumită temperatură. Acest instrument folosește ecuația Antoine pentru a calcula presiunea, în milimetri de mercur (mmHg), pentru opt substanțe comune: apă, metanol, etanol, acetonă, benzen, toluen, cloroform și eter dietilic.

Ce este presiunea vaporilor?

În orice lichid, moleculele se deplasează cu viteze diferite. Unele dintre cele mai rapide, aflate la suprafață, se desprind și se transformă în gaz, chiar și fără fierbere. Acest gaz care se degajă acumulează presiune deasupra lichidului, iar în cele din urmă viteza cu care moleculele părăsesc lichidul devine egală cu viteza cu care se întorc în el. Presiunea din acest punct de echilibru este presiunea vaporilor.

Un lichid cu o presiune de vapori ridicată se evaporă rapid, deoarece multe dintre moleculele sale se desprind cu ușurință. Acetona și eterul dietilic sunt exemple: se evaporă repede la temperatura camerei. Apa are o presiune a vaporilor mai scăzută la temperatura camerei și se evaporă mai lent.

Presiunea vaporilor crește odată cu temperatura. Moleculele mai calde se mișcă mai repede, astfel încât mai multe dintre ele au suficientă energie pentru a părăsi lichidul. Această relație nu este liniară; presiunea vaporilor crește din ce în ce mai repede pe măsură ce temperatura urcă.

Formula presiunii vaporilor: ecuația Antoine

Calculatorul folosește ecuația Antoine, o formulă ajustată pe baza datelor reale măsurate pentru fiecare substanță:

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

• P este presiunea vaporilor, în mmHg
• T este temperatura, în °C
• A, B și C sunt constante unice pentru fiecare substanță, determinate prin ajustarea ecuației la măsurători de laborator

Constantele fiecărei substanțe funcționează corect doar într-un anumit interval de temperatură. În afara acestui interval, ecuația poate da un răspuns greșit, astfel încât calculatorul nu va efectua calculul.

Constantele Antoine folosite de acest calculator

Cum se folosește calculatorul presiunii vaporilor

1. Selectați o substanță din meniul derulant.
2. Introduceți o temperatură în °C. Aceasta trebuie să se încadreze în intervalul valid al substanței, afișat sub câmpul de introducere.
3. Citiți rezultatul presiunii vaporilor în mmHg.
4. Verificați panoul cu formula pentru a vedea valorile exacte folosite în calcul.
5. Consultați graficul pentru a vedea cum se modifică presiunea pe întregul interval valid.
6. Apăsați „Copy” pentru a copia rezultatul sau „Reset” pentru a reveni la apă la 25 °C.

Dacă temperatura este în afara intervalului valid, calculatorul afișează un mesaj de eroare în locul unui rezultat, deoarece ecuația Antoine nu este fiabilă în acel interval.

Cum se calculează presiunea vaporilor: exemplu rezolvat

Determinați presiunea vaporilor apei la 25 °C.

Pasul 1: Obțineți constantele pentru apă. A = 8,07131, B = 1730,63, C = 233,426

Pasul 2: Introduceți-le în ecuație.

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

Pasul 3: Inversați logaritmul.

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

Presiunea vaporilor apei la 25 °C este de aproximativ 23,7 mmHg. Aceasta este mult mai mică decât presiunea atmosferică normală (760 mmHg la nivelul mării), motiv pentru care apa lichidă nu fierbe la temperatura camerei.

Ca verificare a formulei: la 100 °C, aceeași ecuație dă pentru apă o presiune a vaporilor de aproximativ 760 mmHg, în concordanță cu punctul de fierbere cunoscut al apei la nivelul mării.

Presiunea vaporilor substanțelor comune la 25 °C

Acetona și eterul dietilic au presiuni ale vaporilor mult mai mari decât apa la aceeași temperatură. De aceea se evaporă mai repede și dau o senzație de răcoare pe piele: evaporarea rapidă îndepărtează repede căldura.

Interpretarea rezultatului

• O presiune a vaporilor mai mare înseamnă că substanța se evaporă mai ușor la temperatura respectivă.
• O presiune a vaporilor mai mică înseamnă că substanța rămâne mai ușor în stare lichidă.
• Un lichid fierbe la temperatura la care presiunea vaporilor săi este egală cu presiunea din jur. La nivelul mării, această presiune este de aproximativ 760 mmHg (1 atmosferă).

Unde contează presiunea vaporilor

Presiunea vaporilor este utilă în multe activități practice. Inginerii chimiști o folosesc pentru proiectarea coloanelor de distilare, care separă lichidele prin evaporarea mai întâi a celui mai volatil. Ea influențează modul în care sunt construite rezervoarele de depozitare pentru solvenți și combustibili, deoarece un lichid cu presiune a vaporilor ridicată poate acumula o presiune periculoasă într-un recipient închis. Specialiștii în știința mediului o folosesc pentru a prezice dacă un poluant se va evapora din apă în aer. Farmaciștii o folosesc pentru a evalua comportamentul unui medicament lichid în ambalajul său. Personalul de laborator o folosește pentru alegerea condițiilor sigure de distilare în vid și evaporare rotativă, precum și pentru evaluarea modului sigur de depozitare a substanțelor chimice volatile.

Alte metode de determinare a presiunii vaporilor

Ecuația Antoine este una dintre mai multe metode:

• Ecuația Clausius-Clapeyron este o formulă mai fundamentală care leagă presiunea vaporilor de temperatură și de căldura necesară pentru vaporizarea substanței.
• Ecuația Wagner acoperă intervale de temperatură mai largi, dar necesită mai multe constante de intrare.
• Măsurarea directă în laborator, cu dispozitive precum un izoteniscop, oferă cel mai fiabil punct de date individual.
• Metodele contribuțiilor de grup estimează presiunea vaporilor pe baza structurii moleculei atunci când nu există date experimentale.

Istoric

Presiunea vaporilor, ca idee formală, s-a dezvoltat pornind de la lucrările din secolul al 19-lea despre căldură și gaze. Benoît Paul Émile Clapeyron și Rudolf Clausius au dezvoltat ecuația Clausius-Clapeyron în anii 1830, legând presiunea vaporilor de temperatură și căldura latentă. În 1888, inginerul francez Louis Charles Antoine a publicat corelația mai simplă care îi poartă numele. Aceasta sacrifică o parte din fundamentarea teoretică pentru ușurința utilizării, motiv pentru care rămâne frecvent întâlnită în manuale și calculatoare și astăzi.

Întrebări frecvente

Ce este presiunea vaporilor, pe scurt? Este presiunea gazului care se formează deasupra unui lichid atunci când lichidul și gazul său se află în echilibru la o temperatură stabilită. O substanță cu presiune a vaporilor ridicată se evaporă ușor.

Cum influențează temperatura presiunea vaporilor? Presiunea vaporilor crește odată cu temperatura și crește din ce în ce mai repede, nu liniar. Moleculele mai calde se mișcă mai repede, iar mai multe dintre ele pot părăsi suprafața lichidului.

Care este diferența dintre presiunea vaporilor și presiunea atmosferică? Presiunea vaporilor provine de la moleculele unei singure substanțe care trec în stare gazoasă. Presiunea atmosferică este presiunea combinată a tuturor gazelor din aerul de deasupra unui loc. Un lichid fierbe atunci când presiunea vaporilor săi ajunge egală cu presiunea atmosferică din jur.

De ce contează presiunea vaporilor pentru distilare? Distilarea separă lichidele pe baza presiunilor diferite ale vaporilor lor. Substanța cu presiunea vaporilor mai mare se evaporă prima și poate fi colectată separat.

Cât de precisă este ecuația Antoine? În apropierea temperaturilor pentru care au fost ajustate constantele, ecuația reproduce de obicei presiunea vaporilor măsurată cu o abatere de câteva procente. Două verificări pentru acest calculator: apa la 100 °C dă 760,1 mmHg față de valoarea reală 760 mmHg, iar eterul dietilic la 20 °C dă 440,1 mmHg față de valoarea măsurată 439,8 mmHg. Precizia scade mult în afara intervalului ajustat, astfel încât calculatorul refuză temperaturile din afara intervalului listat pentru fiecare substanță. Rezultatele mult peste punctul de fierbere al unei substanțe sunt extrapolări și trebuie tratate ca estimări.

Funcționează acest calculator pentru amestecuri? Nu. El calculează presiunea vaporilor doar pentru substanțe pure. Amestecurile urmează legea lui Raoult, conform căreia presiunea parțială a vaporilor fiecărei componente depinde de proporția sa în amestec, iar amestecurile neideale necesită factori de corecție suplimentari.

Referințe

1. Poling, B. E., Prausnitz, J. M. și O'Connell, J. P. (2001). The Properties of Gases and Liquids (ediția a 5-a). McGraw-Hill.
2. Smith, J. M., Van Ness, H. C. și Abbott, M. M. (2017). Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics (ediția a 8-a). 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-ul de chimie al NIST, SRD 69. Institutul Național de Standarde și Tehnologie.