Cómo calcular la presión de vapor

Cuando se encuentra en presencia de agua que comienza a hervir, lo más probable es que su principal preocupación de seguridad sea no quemarse debido a la alta temperatura del agua y al vapor que escapa. Pero es posible que haya notado algo más sobre el vapor, o para el caso, cualquier tipo de materia en forma de gas: no le gusta estar contenido y "luchará", a menudo con bastante fuerza, para escapar. Los relatos de accidentes relacionados con la explosión de calderas de vapor escuchan esta amenaza.

Cuando el agua u otro líquido hierve, en términos físicos, está experimentando una transición de fase o cambio de estado de líquido a gas. Dicho de otra manera, el presión de vapor del líquido ha comenzado a exceder al del gas por encima de él, generalmente la atmósfera de la Tierra. ("Vapor" es un término impreciso que significa gas, por ejemplo, "vapor de agua" es H₂O en estado gaseoso.)

El sólido también puede entrar al estado gaseoso directamente, "pasando por alto" el estado líquido por completo en un proceso conocido como

En la Tierra, en condiciones naturales, la materia existe en uno de tres estados: sólido, líquido o gaseoso. Para cualquier sustancia, estas fases representan aumentos secuenciales en la energía cinética promedio de las moléculas de la sustancia, reflejados en el aumento de temperatura. Algunas sustancias, sin embargo, existen como gases a temperatura ambiente, mientras que otras son líquidas y otras son sólidas; este es el resultado de que algunas moléculas se separan más fácilmente dentro de una sustancia por una determinada entrada de energía térmica (calor).

Cada elemento y molécula existe como un sólido a 0 K, o cero absoluto (alrededor de –273 ° C). La estructura de la materia a muy bajas temperaturas es una red cristalina sólida. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas, efectivamente bloqueadas en su lugar, pueden vibrar con suficiente energía para liberarse de la red, y cuando esto sucede en toda la sustancia, la sustancia está en el líquido Expresar.

En estado líquido, la materia asume la forma de su recipiente, pero dentro de los límites de la gravedad. Cuando la energía cinética aumenta aún más, las moléculas comienzan a escapar del interfaz aire-líquido y entrar en estado gaseoso, donde lo único que limita la forma del gas es el contenedor que limita el movimiento de las moléculas de alta energía.

Cuando observa una olla con agua a temperatura ambiente, puede que no sea evidente, pero algunas moléculas de agua están revoloteando. aproximadamente por encima de la superficie del agua, con un número igual (y muy pequeño) que regresa a la fase acuosa al mismo hora. Por lo tanto, el sistema está en equilibrio y la presión de vapor creada por el escape mínimo de H₂O moléculas es la presión de vapor de equilibrio del agua.

Como verá, diferentes sustancias en estado líquido tienen diferentes niveles característicos de presión de vapor P_vapor a temperatura ambiente, con este valor dependiendo de la naturaleza de las fuerzas intermoleculares entre moléculas en el líquido. Por ejemplo, las sustancias que tienen fuerzas intermoleculares más débiles, como los enlaces de hidrógeno, tendrán niveles más altos de equilibrio P_vapor porque es más fácil para las moléculas liberarse del líquido.

Sin embargo, si las condiciones de equilibrio se ven perturbadas por la adición de calor, la presión de vapor del líquido aumenta hacia la presión atmosférica (101,3 kilopascales, 1 atm o 762 torr). Si el valor de la presión de vapor no dependiera de la temperatura, sería difícil hacer que cualquier líquido (o sólido) hierva o se evapore, especialmente aquellos con altos valores inherentes de presión de vapor.

Una vez que se agrega suficiente calor a un líquido para llevar su presión de vapor al nivel de la presión atmosférica, el líquido comienza a hervir. La cantidad de calor que se debe agregar depende de las características de la sustancia. Pero, ¿qué pasa si la sustancia no es agua pura, sino una solución en la que una sustancia sólida se disuelve en un líquido como el agua?

La adición de soluto normalmente tiene efectos sobre muchos de los parámetros de un líquido, incluidos sus puntos de ebullición y fusión (es decir, congelación). Los parámetros afectados por la concentración de soluto se conocen como propiedades coligativas ("relacionadas con la conexión"). La presión de vapor se reduce mediante la adición de soluto, y la medida en que esto ocurre depende de la cantidad de soluto añadida y, en última instancia, de la relación molar de soluto a disolvente.

• ¿Qué hace bajar la presión de vapor al punto de ebullición de una solución? Cuando piensa en las matemáticas, significa que el líquido tendrá un espacio mayor entre su propia presión de vapor y la presión atmosférica, y necesitará más calor para que hierva. Por lo tanto, su punto de ebullición aumenta en cierta cantidad.

La ecuación de interés en estas situaciones, que verá demostrada a continuación, es una forma de lo que se conoce como Ley de Raoult: PAG_total= ∑P_IX_I. Aquí P_total es la presión de vapor de la solución en su conjunto, y el lado derecho representa la suma de los productos de las presiones de vapor individuales y fracciones molares del soluto y el solvente.

Dado que el agua es un líquido y un solvente omnipresente, vale la pena investigar los factores que determinan su ecuación de presión de vapor con más detalle.

El agua tiene una P_vapor de 0,031 atm, o menos de 1/30 de la presión atmosférica. Esto ayuda a explicar su punto de ebullición relativamente alto para una molécula tan simple; este bajo valor a su vez se explica por los enlaces de hidrógeno entre los átomos de oxígeno y los átomos de hidrógeno en las moléculas adyacentes (estas son fuerzas intermoleculares, no verdaderos enlaces químicos).

Cuando se calienta desde la temperatura ambiente (aproximadamente 25 ° C) hasta aproximadamente 60 ° C, la presión de vapor del agua aumenta solo ligeramente. Luego comienza a aumentar más bruscamente antes de alcanzar un valor de 1 atm a 100 ° C (por definición).

Ahora es el momento de que veas la ley de Raoult en acción. Sepa al abordar estos problemas que siempre puede buscar valores para P_vapor para sustancias particulares.

Una solución contiene una mezcla de 1 mol (mol) H₂O, 2 moles de etanol (C₂H₅OH) y 1 mol de acetaldehído (CH₃CHO) a 293 K. ¿Cuál es la presión de vapor total de esta solución? Nota: Las presiones parciales de estas sustancias a temperatura ambiente son de 18 torr, 67,5 torr y 740 torr, respectivamente.

Primero, configure su ecuación. Desde arriba tienes

PAG_total = P_WatX_Wat + P_ethX_eth + P_asX_as

Las fracciones molares de las respectivas sustancias son el número de moles de cada una dividido por el total de moles de sustancia en la solución, que es 1 + 2 + 1 = 4. Entonces tienes X_Wat = 1/4 - 0,25, X_eth = 2/4 = 0.5 y X_as = 1/4 = 0.25. (Tenga en cuenta que la suma de las fracciones molares siempre debe ser exactamente 1.) Ahora, ya está listo para introducir el valor dado valores para las presiones de vapor individuales y resuelva para la presión de vapor total de la mezcla de soluciones:

PAG_total = (0,25) (18 torr) + (0,5) (67,5 torr) + (0,25) (740 torr) = 223,25 torr.