Presión de vapor: definición, ecuación y ejemplos
¿Qué es la presión de vapor?
El agua puede tomar la forma de un líquido, un sólido (hielo) o un gas (vapor de agua). El hielo se derrite para formar agua y el agua se evapora para formar vapor de agua. Piense en una botella de agua como la que se muestra aquí:
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¿Qué hay adentro? Puedes ver agua y aire, pero lo que quizás no te hayas dado cuenta es que también hay vapor de agua. En una botella de agua, un poco de agua se evapora constantemente y se convierte en vapor de agua. Al mismo tiempo, parte del vapor de agua se condensa constantemente para convertirse en líquido. En equilibrio, la cantidad de agua que se evapora es igual a la cantidad de vapor de agua que se condensa, por lo que las cantidades de agua y vapor de agua son constantes.
El vapor de agua ejerce presión sobre la botella de agua de la misma manera que el aire bombeado a un neumático ejerce presión sobre el neumático. La presión ejercida por el vapor de agua es la presión de vapor . En términos más generales, la presión de vapor es la presión que ejerce un gas en equilibrio con el mismo material en forma líquida o sólida. Así como la distancia se puede medir en una variedad de unidades (millas, pies, kilómetros, etc.), también podemos medir la presión de vapor con muchas unidades diferentes (kPa, atm, bar, mm Hg, torr).
La ecuación de Clausius-Clapeyron
Consideremos qué sucede si la temperatura de la botella de agua aumenta un poco. Las moléculas de agua tendrán más energía para evaporarse, por lo que habrá un poco más de vapor de agua y un poco menos de agua en la botella en equilibrio a esta temperatura más alta. La cantidad de presión ejercida por el vapor de agua también aumentará, lo que significa que aumentará la presión de vapor. La ecuación de Clausius-Clapeyron describe cómo la temperatura afecta la presión de vapor.
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En esta ecuación, P1 y P2 son las presiones de vapor de un material a las temperaturas T1 y T2, respectivamente. R es la constante de gas ideal (8.314 J / (mol · K)) y Hv es la entalpía de vaporización del material, un número que puede buscar para materiales comunes. Como era de esperar, la ecuación muestra que la presión de vapor aumenta a medida que aumenta la temperatura.
Ejemplo de ecuación de Clausius-Clapeyron
Veamos un ejemplo usando la ecuación de Clausius-Clapeyron.
Dado que la presión de vapor del agua es 1 atm en su punto de ebullición, 100 ° C (373 K), y que la entalpía de vaporización del agua es 40,700 J / mol, use la Ecuación de Clausius-Clapeyron para determinar la presión de vapor del agua. a 80 ° C (353 K).
La ecuación de Clausius-Clapeyron se puede reescribir de la siguiente forma más conveniente:
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Sabemos que T1 = 353 K, T2 = 373 K, P2 = 1 atm y Hv = 40,700 J / mol. Reemplazando estos valores en la ecuación, obtenemos la siguiente fórmula:
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Por lo tanto, la presión de vapor del agua a 80 ° C es 0.48 atm.
Ley de Raoult: comprensión de la presión de vapor en mezclas
A veces tenemos que considerar la presión de vapor en una mezcla de líquidos. En el caso ideal, la tendencia de una molécula a escapar no cambiará cuando se mezcle con otro líquido y podemos usar la Ley de Raoult para determinar la presión de vapor de los componentes.
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Aquí, Pa es la presión de vapor del líquido A en la mezcla, xa es la fracción molar del líquido A en la mezcla y P0, a es la presión de vapor del líquido A puro. La fracción molar del líquido A es igual al número de moléculas de líquido A dividido por el número total de moléculas en la mezcla. La ley de Raoult, por lo tanto, establece que para mezclas de líquidos ideales, la presión de vapor de cualquier líquido en la mezcla es igual a la presión de vapor del líquido puro multiplicada por la fracción de todas las moléculas en la mezcla que son este líquido. La presión de vapor total de una mezcla de líquidos ideales es la suma de las presiones de vapor de cada componente de la mezcla.
Ejemplo de la ley de Raoult
Veamos un ejemplo usando la ley de Raoult.
A temperatura ambiente, la presión de vapor del heptano es 5.33 kPa y la presión de vapor del hexano es 17.6 kPa. Utilice la ley de Raoult para determinar la presión de vapor del heptano, la presión de vapor del hexano y la presión de vapor total para una mezcla a temperatura ambiente de heptano y hexano con una fracción molar de heptano de 0,60.
Analicemos esto con la ley de Raoult.
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Fácil, ¿verdad?
Resumen de la lección
Algunos de los átomos o moléculas de cada sólido y líquido tienen suficiente energía para desprenderse y formar un gas. La presión ejercida por esta fase gaseosa en equilibrio con su contraparte sólida o líquida se conoce como presión de vapor. Las dos ecuaciones más importantes que describen la presión de vapor son la ecuación de Clausius-Clapeyron y la ley de Raoult.
La ecuación de Clausius-Clapeyron describe cómo aumenta la presión de vapor a medida que aumenta la temperatura debido a un aumento en la cantidad de energía disponible para que los átomos o moléculas formen un gas. Por ejemplo, la cantidad de vapor de agua aumentará y la presión aumentará si se calienta una botella de agua.
La otra ecuación que aprendimos, la ley de Raoult , se puede usar para determinar la presión de vapor de cada líquido en una mezcla ideal de líquidos. Básicamente es la suma de las presiones de vapor de los componentes que se mezclan. El conocimiento de la presión de vapor es importante para comprender muchas cosas, como la humedad y el proceso de ebullición.
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