El papel de la presión del vapor y el punto de boiling en la termodinámica química

Punto de Boiling y Fuerzas Intermoleculares

Sustancias con fuerzas intermoleculares más fuertes requieren temperaturas más altas para lograr la presión de vapor necesaria para hervir. Por lo tanto, punto de ebullición es un indicador directo de la fuerza de las fuerzas intermoleculares. Por ejemplo, helio (punto de techo −269 °C) tiene fuerzas intermoleculares insignificantes, mientras que el tungsteno (punto de techo 5,555 °C) tiene una fuerte unión metálica.

• Hidrocarburos no poliares: puntos de ebullición bajos (por ejemplo, metano −161 °C)
• Compuestos apáticos polares: puntos de ebullición moderados (por ejemplo, acetone 56 °C)
• Compuestos de hidrógeno: puntos de hirvición altos (por ejemplo, agua 100 °C, etanol 78 °C, pero el agua de nota es anómalamente alta debido a la unión de hidrógeno extensa)

El punto de boiling también correlaciona con el peso molecular dentro de una serie, por ejemplo, los puntos de cocción de los gases nobles aumentan de He a Rn a medida que las fuerzas de dispersión de Londres aumentan con el conteo de electrones.

La relación termodinámica entre presión de vapor y punto de boiling

Equilibrio de fase y Gibbs Energía libre

En la termodinámica química, la condición para el equilibrio de fase es que el potencial químico (μ) de cada componente es igual en todas las fases presentes. Para una sustancia pura, la energía libre Gibbs por topo es la misma en las fases de líquido y vapor en equilibrio. La variación del potencial químico con presión y temperatura se da por:

A lo largo de la curva de convivencia líquido-vapor, dμ_l] = dμ_v. La reorganización conduce a la ecuación de Clausius-Clapeyron, que une la presión de vapor y la temperatura. Esto muestra que la presión de vapor y el punto de ebullición están inherentemente atados: el punto de presión de vapor que se intersecta simplemente la temperatura.

Usando Presión Vapor para Predecir Punto de Boiling

Si la presión de vapor de un líquido es conocida a una temperatura, y se conoce la enthalpy de la vaporización, la ecuación de Clausius-Clapeyron puede utilizarse para estimar el punto de ebullición a una presión diferente. Por el contrario, medir el punto de ebullición a presión atmosférica inmediatamente da la presión de vapor a esa temperatura: es exactamente 760 mmHg (o la presión atmosférica predominante).

Implications in Chemical Thermodynamics

Transiciones de fase y enthalpy de la vaporización

La entálpia de la vaporización (ΔH_vap]) es la energía necesaria para convertir un mole de un líquido en vapor a temperatura y presión constantes. Está directamente relacionada con la fuerza de las fuerzas intermoleculares. La ecuación de Clausius-Clapeyron permite la determinación de ΔH[FrmoLT:2]vap

Reacción Kinetics y el Principio de Le Chatelier

En reacciones químicas que involucran líquidos y gases, la presión de vapor y el punto de ebullición influyen en la composición de la fase de vapor. Por ejemplo, en reacciones de esterificación donde se produce agua, la eliminación del agua por evaporación cambia el equilibrio hacia los productos (Principio de Le Chatelier). Entender el punto de ebullición del agua bajo condiciones de reacción ayuda a establecer temperaturas para eliminar continuamente el agua sin alejar a los reaccionarios volátiles.

Además, las tasas de reacción dependen a menudo de la temperatura a través de la ecuación de Arrienio. El punto de bobinado establece un límite práctico superior para las reacciones realizadas a presión atmosférica. Para las reacciones que requieren temperaturas superiores sin exceder el punto de ebullición del solvente, los químicos pueden usar vasos sellados o equipos de alta presión.

Aplicaciones Prácticas

Dominar la presión de vapor y el punto de ebullición permite numerosas aplicaciones prácticas:

• Destilación: La destilación fraccional separa las mezclas basadas en diferencias en puntos de ebullición. Para mezclas de cierre, los azeotropos forman ciertas composiciones donde intersecan las curvas de presión de vapor. Entendiendo la presión de vapor informa el diseño de la destilación azeotropica o la destilación extractiva.
• Diseño de reactores químicos: Los reactores deben estar diseñados para manejar la presión de vapor a temperaturas de operación para evitar la sobrepresión. Las válvulas de alivio de seguridad se establecen en función de la presión de vapor de los fluidos de proceso.
• Estabilidad Material: Al almacenar sustancias químicas volátiles, los contenedores deben soportar la presión de vapor a temperaturas ambiente esperadas. Por ejemplo, la gasolina (presión de vapor ~4-15 psi dependiendo de la mezcla) se almacena en tanques subterráneos sellados para evitar escape de vapor.
• Fato ambiental: La volatilidad de los contaminantes determina la rapidez con que se evaporan de los cuerpos de suelo o agua. La presión del vapor es una entrada clave para los modelos que predicen el transporte atmosférico.

Técnicas de medición

Ebulliometría

La ebullimetría es la medición precisa de la elevación del punto de ebullición. Mediante la medición del punto de ebullición de un líquido puro a una presión conocida, se puede determinar su presión de vapor a esa temperatura. Los ebulliómetros modernos utilizan sensores de presión diferencial y baños termostados para lograr una alta precisión. Este método se combina con frecuencia con el método Ramsay-Young para determinar puntos de ebullición normales.

Métodos estaticos y dinámicos para la presión del vapor

La presión del vapor puede medirse mediante métodos estáticos, donde el líquido se coloca en una cámara evacuada y la presión del vapor se mide directamente utilizando un manómetro o manómetro de capacitancia. El isoteniscopio es un dispositivo clásico para este propósito. Métodos dinámicos, como el método de la saturación de gas, implican pasar un gas inerte a través del líquido a una temperatura conocida y medir la masa de vapor transportada.