CALORE DI VAPORIZZAZIONE: DA ACQUA, ETANOLO, ACETONE, CICLOESANO - CHIMICA - 2026

La vaporizzazione termica o entalpia di vaporizzazione è l'energia che un grammo di sostanza liquida deve assorbire al suo punto di ebollizione a temperatura costante; ovvero per completare il passaggio dalla fase liquida a quella gassosa. Di solito è espresso nelle unità j / go cal / g; e in kJ / mol, quando si parla dell'entalpia molare di vaporizzazione.

Questo concetto è più quotidiano di quanto sembri. Ad esempio, molte macchine, come i treni a vapore, lavorano sull'energia rilasciata dal vapore acqueo. Grandi masse di vapore possono essere viste salire verso il cielo sulla superficie terrestre, come quelle nell'immagine qui sotto.

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Inoltre, la vaporizzazione del sudore sulla pelle si raffredda o rinfresca a causa della perdita di energia cinetica; che si traduce in un abbassamento della temperatura. La sensazione di freschezza aumenta quando soffia la brezza, poiché rimuove più rapidamente il vapore acqueo dalle gocce di sudore.

Il calore di vaporizzazione dipende non solo dalla quantità di sostanza, ma dalle sue proprietà chimiche; in particolare, della struttura molecolare e del tipo di interazioni intermolecolari presenti.

In cosa consiste?

Il calore di vaporizzazione (ΔH _vap ) è una variabile fisica che riflette le forze di coesione del liquido. Le forze di coesione sono intese come quelle che tengono insieme le molecole (o gli atomi) nella fase liquida. I liquidi volatili, ad esempio, hanno forze di coesione deboli; mentre quelle dell'acqua sono fortissime.

Qual è il motivo per cui un liquido è più volatile di un altro e che, di conseguenza, ha bisogno di più calore per evaporare completamente al suo punto di ebollizione? La risposta sta nelle interazioni intermolecolari o forze di Van der Waals.

A seconda della struttura molecolare e dell'identità chimica della sostanza, le sue interazioni intermolecolari variano, così come l'entità delle sue forze di coesione. Per capirlo, devono essere analizzate diverse sostanze con diverso ΔH _vap .

Energia cinetica media

Le forze di coesione all'interno di un liquido non possono essere molto forti, altrimenti le sue molecole non vibrerebbero. Qui, "vibrazione" si riferisce al movimento libero e casuale di ciascuna molecola nel liquido. Alcuni vanno più lenti o più veloci di altri; cioè, non hanno tutti la stessa energia cinetica.

Parliamo quindi di un'energia cinetica media per tutte le molecole del liquido. Quelle molecole abbastanza veloci saranno in grado di vincere le forze intermolecolari che lo trattengono nel liquido, e sfuggiranno nella fase gassosa; ancor di più, se sono in superficie.

Una volta che la prima molecola M ad alta energia cinetica fuoriesce, quando viene stimata nuovamente l'energia cinetica media, essa diminuisce.

Perché? Perché mentre le molecole più veloci sfuggono alla fase gassosa, quelle più lente rimangono nel liquido. Una maggiore lentezza molecolare è uguale al raffreddamento.

Pressione del vapore

Quando le molecole M sfuggono alla fase gassosa, possono ritornare al liquido; Tuttavia, se il liquido viene esposto all'ambiente, inevitabilmente tutte le molecole tenderanno a fuoriuscire e si dice che ci sia stata un'evaporazione.

Se il liquido viene conservato in un contenitore ermeticamente chiuso, si può stabilire un equilibrio liquido-gas; cioè la velocità con cui escono le molecole gassose sarà la stessa con cui entrano.

La pressione esercitata dalle molecole di gas sulla superficie del liquido in questo equilibrio è nota come tensione di vapore. Se il contenitore è aperto, la pressione sarà inferiore rispetto a quella che agisce sul liquido nel contenitore chiuso.

Maggiore è la pressione del vapore, più volatile è il liquido. Essendo più volatile, più deboli sono le sue forze di coesione. E quindi sarà necessario meno calore per farlo evaporare fino al suo normale punto di ebollizione; cioè la temperatura alla quale la tensione di vapore e la pressione atmosferica sono uguali, 760 torr o 1atm.

Calore di vaporizzazione dell'acqua

Le molecole d'acqua possono formare i famosi legami idrogeno: H - O - H-OH ₂ . Questo particolare tipo di interazione intermolecolare, sebbene debole se si considerano tre o quattro molecole, è estremamente forte quando si tratta di milioni di esse.

Il calore di vaporizzazione dell'acqua al suo punto di ebollizione è 2260 J / go 40,7 kJ / mol . Cosa significa? Che per far evaporare un grammo di acqua a 100 ° C occorrono 2260J (o 40,7kJ per far evaporare una mole d'acqua, cioè circa 18g).

L'acqua alla temperatura del corpo umano, 37 ° C, ha un ΔH di _vapore più _alto . Perché? Perché, come dice la sua definizione, l'acqua deve essere riscaldata a 37ºC finché non raggiunge il punto di ebollizione ed evapora completamente; quindi il ΔH _vap è più alto (e anche più alto quando si parla di basse temperature).

Dall'etanolo

Il ΔH _vap dell'etanolo al suo punto di ebollizione è 855 J / _go 39,3 kJ / mol. Si noti che è inferiore a quella dell'acqua, perché la sua struttura, CH ₃ CH ₂ OH, difficilmente può formare un legame idrogeno. Tuttavia, continua a classificarsi tra i liquidi con i punti di ebollizione più alti.

Dall'acetone

Il ΔH _vap dell'acetone è 521 J / _go 29,1 kJ / mol. Poiché riflette il suo calore di vaporizzazione, è un liquido molto più volatile dell'acqua o dell'etanolo e quindi bolle a una temperatura inferiore (56 ° C).

Perché? Perché le sue molecole CH ₃ OCH ₃ non possono formare legami idrogeno e possono interagire solo attraverso forze dipolo-dipolo.

Di cicloesano

Per il cicloesano, il suo ΔH _vap è 358 J / _go 30 kJ / mol. È costituito da un anello esagonale con la formula C ₆ H ₁₂ . Le sue molecole interagiscono attraverso le forze di diffusione di Londra, perché sono apolari e mancano di un momento di dipolo.

Si noti che sebbene sia più pesante dell'acqua (84 g / mol contro 18 g / mol), le sue forze di coesione sono inferiori.

Di benzene

Il ΔH _vap del benzene, un anello esagonale aromatico con formula C ₆ H ₆ , è 395 J / go 30,8 kJ / mol. Come il cicloesano, interagisce attraverso le forze di dispersione; ma è anche in grado di formare dipoli e riposizionare la superficie degli anelli (dove i loro doppi legami sono delocalizzati) su altri.

Questo spiega perché, essendo apolare e non molto pesante, ha un ΔH _vap relativamente alto.

Dal toluene

Il ΔH _vap del toluene è addirittura superiore a quello del benzene (33,18 kJ / mol). Ciò è dovuto al fatto che, oltre ai suddetti, i suoi gruppi metilici –CH ₃ collaborano al momento di dipolo del toluene; inoltre, possono interagire mediante forze di dispersione.

Di esano

E infine, il ΔH _vap dell'esano è 335 J / go 28,78 kJ / mol. La sua struttura è CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₂ CH ₃ , cioè lineare, a differenza di quella del cicloesano, che è esagonale.

Sebbene le loro masse molecolari differiscano molto poco (86 g / mol vs 84 g / mol), la struttura ciclica influenza direttamente il modo in cui le molecole interagiscono. Essendo un anello, le forze di dispersione sono più efficaci; d'altra parte, sono più "erranti" nella struttura lineare dell'esano.

I valori di ΔH _vap per l'esano sono in conflitto con quelli per l'acetone. In linea di principio, l'esano, poiché ha un punto di ebollizione più alto (81 ° C), dovrebbe avere un ΔH di _vapore maggiore dell'acetone, che bolle a 56 ° C.

La differenza è che l'acetone ha una capacità termica maggiore dell'esano. Ciò significa che per riscaldare un grammo di acetone da 30 ° C a 56 ° C ed evaporarlo, è necessario più calore di quello utilizzato per riscaldare un grammo di esano da 30 ° C al suo punto di ebollizione di 68 ° C.

Riferimenti

1. TutorVista. (2018). Entalpia di vaporizzazione. Estratto da: chemistry.tutorvista.com
2. Chemistry LibreTexts. (3 aprile 2018). Calore di vaporizzazione. Recupero da: chem.libretexts.org
3. Banca dati di Dortmund. (Sf). Calore standard di vaporizzazione del cicloesano. Recupero da: ddbst.com
4. Chickos JS & Acree WE (2003). Entalpie di vaporizzazione di composti organici e organometallici, 1880-2002. J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 32, No. 2.
5. Whitten, Davis, Peck e Stanley. Chimica. (8 ° ed.). CENGAGE Learning, p 461-464.
6. Khan Academy. (2018). Capacità termica, calore di vaporizzazione e densità dell'acqua. Estratto da: es.khanacademy.org