Pressione di vapore: nozioni di base ed esempi

Introduzione: Che cos'è la tensione di vapore?

La tensione di vapore è un termine cruciale della termodinamica e della chimica fisica che descrive la pressione di equilibrio di un vapore rispetto alla sua forma liquida o solida a una determinata temperatura. Ci dice semplicemente quanto facilmente una sostanza evapora. Un liquido a rapida evaporazione ha un'alta pressione di vapore (ad esempio, l'acetone), mentre un liquido a lenta evaporazione ha una bassa pressione di vapore (ad esempio, il mercurio).

Come funziona la tensione di vapore

A qualsiasi temperatura, alcune molecole di un liquido hanno un'energia cinetica sufficiente per evaporare nella fase di vapore. Sempre più molecole evaporano e alcune ritornano nel processo di condensazione. Nella fase in cui il tasso di evaporazione è uguale al tasso di condensazione, il sistema è in equilibrio: la pressione di vapore alla data temperatura è descritta da questo equilibrio. La dipendenza esponenziale della pressione di vapore dalla temperatura deriva dall'equazione di Clausius-Clapeyron.

Fattori che influenzano la pressione di vapore

1. La temperatura

La temperatura ha l'effetto più diretto sulla pressione di vapore. Con l'aumento della temperatura, l'energia cinetica delle molecole aumenta e più molecole possono uscire dalla fase liquida. Ad esempio, la pressione del vapore acqueo aumenta da 17,5 mmHg a 20°C a 760 mmHg a 100°C, dove bolle alla pressione atmosferica standard.

2. Forze intermolecolari

Maggiori forze intermolecolari, come il legame a idrogeno o le forze di van der Waals, riducono la pressione del vapore. L'acqua con legame a idrogeno ha una pressione di vapore molto più bassa rispetto all'acetone con debole interazione dipolo-dipolo.

3. Natura della sostanza

Anche la forma della molecola è importante. Le sostanze con molecole più leggere e meno polari (etere dietilico) hanno pressioni di vapore più elevate di quelle più pesanti o con legami più forti (glicerolo o mercurio).

Metodi di misurazione della tensione di vapore

1. Metodo manometrico

È la tecnica classica in cui il liquido è contenuto in un recipiente sigillato e la pressione di vapore all'equilibrio viene misurata direttamente con un manometro dopo il raggiungimento dell'equilibrio. Fornisce letture accurate a pressioni da basse a moderate.

2. Metodo dinamico

Questo metodo quantifica la pressione di vapore dalla variazione del volume o del peso del liquido nel tempo, quando il vapore viene rilasciato. Si applica soprattutto a sostanze che evaporano rapidamente o a temperature elevate.

3. Metodo dell'effusione

Il numero di molecole di gas che escono attraverso un piccolo poro (effusione) varia linearmente con la pressione del vapore. È adatto a campioni minuti e a sostanze volatili.

4. Calcoli di Clausius-Clapeyron

Per la maggior parte delle sostanze, la misurazione diretta non è possibile. La pressione di vapore a varie temperature viene quindi determinata dall'equazione di Clausius-Clapeyron sulla base dei punti di ebollizione e dell'entalpia di vaporizzazione determinati sperimentalmente.

Significato pratico della tensione di vapore

1. Meteorologia e climatologia

Lapressione di vapore è direttamente correlata all'umidità, un parametro fondamentale per le previsioni meteorologiche e le precipitazioni. Ad esempio, l'umidità relativa (RH) è il rapporto tra la pressione del vapore acqueo effettivo e la pressione del vapore di saturazione a una determinata temperatura. La misurazione accurata della pressione del vapore aiuta a prevedere i punti di rugiada, la nebbia e le precipitazioni.

2. Ingegneria industriale e chimica

Nella pressione di vapore, nell'evaporazione e nella separazione chimica, la pressione di vapore determina il comportamento degli oggetti in caso di riscaldamento e raffreddamento. La raffinazione del petrolio, ad esempio, dipende dalle differenze di pressione del vapore per separare idrocarburi come l'esano e il toluene mediante distillazione frazionata.

Nella refrigerazione, i refrigeranti come l'R134a o l'ammoniaca vengono scelti in parte per le loro proprietà di pressione di vapore: devono evaporare e condensare bene entro un intervallo di pressioni sicuro.

3. Applicazioni farmaceutiche

Le formulazioni di farmaci contenenti componenti volatili devono tenere conto della pressione di vapore per garantire la stabilità e la durata di conservazione. Ad esempio, i gel antisettici a base di etanolo utilizzano formulazioni con pressioni di vapore controllate per bilanciare l'efficacia e la velocità di evaporazione.

4. Scienza ambientale

La pressione di vapore determina anche il comportamento dei contaminanti, come i composti organici volatili (COV), nell'atmosfera. I composti ad alta pressione di vapore, come il benzene o l'acetone, contribuiscono in modo significativo alla formazione dello smog e sono sottoposti a forti controlli nell'ambiente.

Esempi e dati

Queste figure illustrano come le forze molecolari e la temperatura influenzino la volatilità. L'etere dietilico, ad esempio, bolle molto rapidamente a temperatura ambiente a causa della sua elevata pressione di vapore, mentre il mercurio si avvicina alla non volatilità anche a temperature elevate. Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

Che cos'è la pressione di vapore?

La pressione di vapore è la pressione di un vapore in equilibrio con il suo liquido o solido a una determinata temperatura.

In che modo l'aumento della temperatura aumenta la tensione di vapore?

Poiché le molecole acquistano energia cinetica e superano più facilmente le forze intermolecolari, si verifica una maggiore evaporazione.

Perché l'acqua non è così volatile come l'acetone?

Gli elevati legami idrogeno dell'acqua richiedono più energia per essere spezzati e sono quindi meno volatili.

La pressione di vapore può prevedere la volatilità?

Sì. Una maggiore pressione di vapore indica una maggiore volatilità e un'evaporazione più rapida.

Perché la pressione di vapore è così importante per le previsioni meteorologiche?

Viene utilizzata per calcolare l'umidità, il punto di rugiada e la condensazione, essenziali per prevedere la pioggia e lo sviluppo delle nuvole.