Pressão de vapor: noções básicas e exemplos

Introdução: O que é pressão de vapor?

A pressão de vapor é um termo termodinâmico e físico-químico fundamental que descreve a pressão de equilíbrio de um vapor sobre sua forma líquida ou sólida em uma determinada temperatura. Ele simplesmente nos informa a facilidade com que uma substância evapora. Um líquido de evaporação rápida tem alta pressão de vapor (por exemplo, acetona), enquanto um líquido de evaporação lenta tem baixa pressão de vapor (por exemplo, mercúrio).

Como funciona a pressão de vapor

Em qualquer temperatura, algumas moléculas em um líquido têm energia cinética suficiente para evaporar na fase de vapor. Cada vez mais moléculas evaporam, e algumas delas retornam no processo de condensação. No estágio em que a taxa de evaporação é igual à taxa de condensação, o sistema está em equilíbrio - a pressão de vapor em uma determinada temperatura é descrita por esse equilíbrio. A dependência exponencial da pressão de vapor em relação à temperatura decorre da equação de Clausius-Clapeyron.

Fatores que influenciam a pressão de vapor

1. Temperatura

A temperatura tem o efeito mais direto sobre a pressão de vapor. Com o aumento da temperatura, a energia cinética molecular aumenta e mais moléculas podem escapar da fase líquida. Por exemplo, a pressão de vapor da água aumenta de 17,5 mmHg a 20°C para 760 mmHg a 100°C, onde ela ferve sob a pressão atmosférica padrão.

2. Forças intermoleculares

Forças intermoleculares maiores, como a ligação de hidrogênio ou as forças de van der Waals, diminuem a pressão de vapor. A água com ligação de hidrogênio possui uma pressão de vapor muito menor em comparação com a acetona com fraca interação dipolo-dipolo.

3. Natureza da substância

O formato da molécula também é importante. As substâncias com moléculas mais leves e menos polares (éter dietílico) têm pressões de vapor mais altas do que as mais pesadas ou com ligações mais fortes (glicerol ou mercúrio).

Métodos de medição da pressão de vapor

1. Método manométrico

Essa é a técnica clássica na qual o líquido está contido em um recipiente selado e a pressão de vapor de equilíbrio é medida diretamente com um manômetro após o equilíbrio ter sido atingido. Ele fornece leituras precisas em pressões baixas a moderadas.

2. Método dinâmico

Esse método quantifica a pressão de vapor a partir da variação do volume ou do peso do líquido com o tempo à medida que o vapor é liberado. É aplicado principalmente a substâncias que evaporam rapidamente ou a temperaturas elevadas.

3. Método de efusão

O número de moléculas de gás que saem por um pequeno poro (efusão) varia linearmente com a pressão de vapor. É adequado para amostras minúsculas e substâncias voláteis.

4. Cálculos de Clausius-Clapeyron

Para a maioria das substâncias, a medição direta não é possível. A pressão de vapor em várias temperaturas é então determinada pela equação de Clausius-Clapeyron com base nos pontos de ebulição e na entalpia de vaporização determinados experimentalmente.

Significado prático da pressão de vapor

1. Meteorologia e climatologia

A pressão de vapor está diretamente relacionada à umidade - um parâmetro vital na previsão do tempo e na precipitação. Por exemplo, a umidade relativa (UR) é a relação entre a pressão real do vapor de água e a pressão do vapor de saturação em uma determinada temperatura. A medição precisa da pressão de vapor ajuda a prever pontos de orvalho, neblina e precipitação.

2. Engenharia química e industrial

Na pressão de vapor, na evaporação e na separação química, a pressão de vapor determina como as coisas agirão no aquecimento e no resfriamento. O refino de petróleo, por exemplo, depende das diferenças de pressão de vapor para separar hidrocarbonetos como o hexano e o tolueno por destilação fracionada.

Na refrigeração, o refrigerante, como o R134a ou a amônia, é selecionado em parte por suas propriedades de pressão de vapor - eles precisam evaporar e condensar bem dentro de uma faixa segura de pressões.

3. Aplicações farmacêuticas

As formulações de medicamentos que contêm componentes voláteis devem considerar a pressão de vapor para garantir a estabilidade e o prazo de validade. Por exemplo, os géis antissépticos à base de etanol usam formulações com pressões de vapor controladas para equilibrar a eficácia e a taxa de evaporação.

4. Ciência ambiental

A pressão de vapor também determina como os contaminantes, como os compostos orgânicos voláteis (VOCs), se comportam na atmosfera. Compostos com alta pressão de vapor, como o benzeno ou a acetona, contribuem significativamente para a formação de poluição atmosférica e são fortemente controlados no meio ambiente.

Exemplos e dados

Esses números ilustram como as forças moleculares e a temperatura afetam a volatilidade. O éter dietílico, por exemplo, ferve muito rapidamente em temperatura ambiente devido à sua alta pressão de vapor, enquanto o mercúrio se aproxima da não volatilidade mesmo em altas temperaturas. Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

O que é pressão de vapor?

A pressão de vapor é a pressão de um vapor em equilíbrio com seu líquido ou sólido em uma determinada temperatura.

Como o aumento da temperatura aumenta a pressão de vapor?

Como as moléculas ganham energia cinética e superam mais facilmente as forças intermoleculares, há mais evaporação.

Por que a água não é tão volátil quanto a acetona?

As altas ligações de hidrogênio da água requerem mais energia para serem quebradas e, portanto, são menos voláteis.

A pressão de vapor pode prever a volatilidade?

Sim. Uma pressão de vapor maior indica maior volatilidade e evaporação mais rápida.

Por que a pressão de vapor é tão importante para a previsão do tempo?

Ela é usada para calcular a umidade, o ponto de orvalho e a condensação - essenciais para prever a chuva e o desenvolvimento de nuvens.