La volatilizzazione è il processo di conversione di una sostanza chimica da un liquido o solido a uno stato gassoso o allo stato di vapore. Altri termini usati per descrivere lo stesso processo sono vaporizzazione, distillazione e sublimazione.
Una sostanza può spesso essere separata da un'altra mediante volatilizzazione e può quindi essere recuperata mediante condensazione del vapore.
La sostanza può essere volatilizzata più rapidamente riscaldandola per aumentare la sua pressione di vapore o rimuovendo il vapore utilizzando un flusso di gas inerte o una pompa a vuoto.
Le procedure di riscaldamento includono la volatilizzazione di acqua, mercurio o tricloruro di arsenico per separare queste sostanze dagli elementi interferenti.
Le reazioni chimiche sono talvolta utilizzate per produrre prodotti volatili come nel rilascio di anidride carbonica dai carbonati, ammoniaca nel metodo Kjeldahl per la determinazione dell'azoto e anidride solforosa nella determinazione dello zolfo nell'acciaio.
I metodi di volatilizzazione sono generalmente caratterizzati da grande semplicità e facilità di funzionamento, tranne quando sono necessarie alte temperature o materiali altamente resistenti alla corrosione (Louis Gordon, 2014).
Volatilizzazione a pressione di vapore
Sapendo che la temperatura di ebollizione dell'acqua è di 100 ° C, ti sei mai chiesto perché l'acqua piovana evapora?
Sono 100 ° C? Se è così, perché non mi riscaldo? Vi siete mai chiesti cosa conferisce il caratteristico aroma ad alcool, aceto, legno o plastica? (Pressione di vapore, SF)
Responsabile di tutto ciò è una proprietà nota come tensione di vapore, ovvero la pressione esercitata da un vapore in equilibrio con la fase solida o liquida della stessa sostanza.
Inoltre, la pressione parziale della sostanza nell'atmosfera sul solido o sul liquido (Anne Marie Helmenstine, 2014).
La pressione del vapore è una misura della tendenza di un materiale a passare allo stato gassoso o di vapore, cioè una misura della volatilità delle sostanze.
All'aumentare della tensione di vapore, maggiore è la capacità del liquido o solido di evaporare, risultando così più volatile.
La pressione del vapore aumenterà con la temperatura. La temperatura alla quale la pressione del vapore sulla superficie di un liquido è uguale alla pressione esercitata dall'ambiente è chiamata punto di ebollizione del liquido (Encyclopædia Britannica, 2017).
La tensione di vapore dipenderà dal soluto disciolto in soluzione (è una proprietà colligativa). Sulla superficie della soluzione (interfaccia aria-gas) le molecole più superficiali tendono ad evaporare, scambiandosi tra le fasi e generando una tensione di vapore.
La presenza di soluto riduce il numero di molecole di solvente all'interfaccia, riducendo la tensione di vapore.
Figura 1: diminuzione della pressione del vapore quando si ha un soluto disciolto.
La variazione della tensione di vapore può essere calcolata con la legge di Raoult per i soluti non volatili che è data da:
Dove X2 è la frazione molare del solvente. Se moltiplichiamo entrambi i lati dell'equazione per P °, rimane:
Sostituire (1) in (3) è:
(4)
Questa è la variazione della pressione del vapore quando un soluto si dissolve (Jim Clark, 2017).
Analisi gravimetrica
L'analisi gravimetrica è una classe di tecniche di laboratorio utilizzate per determinare la massa o la concentrazione di una sostanza misurando una variazione di massa.
La sostanza chimica che stiamo cercando di quantificare è talvolta chiamata analita. Potremmo usare l'analisi gravimetrica per rispondere a domande come:
- Qual è la concentrazione dell'analita in una soluzione?
- Quanto è puro il nostro campione? Il campione qui potrebbe essere solido o in soluzione.
Esistono due tipi comuni di analisi gravimetrica. Entrambi comportano la modifica della fase dell'analita per separarlo dal resto di una miscela, determinando una variazione di massa.
Uno di questi metodi è la gravimetria delle precipitazioni, ma quello che ci interessa davvero è la gravimetria della volatilizzazione.
La gravimetria per volatilizzazione si basa sulla decomposizione termica o chimica del campione e sulla misurazione del cambiamento risultante nella sua massa.
In alternativa, possiamo catturare e pesare un prodotto di decomposizione volatile. Poiché il rilascio di una specie volatile è una parte essenziale di questi metodi, li classifichiamo collettivamente come metodi di analisi gravimetrica della volatilizzazione (Harvey, 2016).
I problemi di analisi gravimetrica sono semplicemente problemi di stechiometria con pochi passaggi aggiuntivi.
Per eseguire qualsiasi calcolo stechiometrico, abbiamo bisogno dei coefficienti dell'equazione chimica bilanciata.
Ad esempio, se un campione contiene impurità di cloruro di bario diidrato (BaCl 2 H 2 O), la quantità di impurità può essere ottenuta riscaldando il campione per far evaporare l'acqua.
La differenza di massa tra il campione originale e il campione riscaldato ci darà, in grammi, la quantità di acqua contenuta nel cloruro di bario.
Con un semplice calcolo stechiometrico si otterrà la quantità di impurità nel campione (Khan, 2009).
Distillazione frazionata
La distillazione frazionata è un processo mediante il quale i componenti di una miscela liquida vengono separati in diverse parti (chiamate frazioni) in base ai loro diversi punti di ebollizione.
La differenza di volatilità dei composti nella miscela gioca un ruolo fondamentale nella loro separazione.
La distillazione frazionata viene utilizzata per purificare le sostanze chimiche e anche per separare le miscele per ottenere i loro componenti. Viene utilizzato come tecnica di laboratorio e nell'industria, dove il processo è di grande importanza commerciale.
I vapori di una soluzione bollente vengono fatti passare attraverso una colonna alta, chiamata colonna di frazionamento.
La colonna è riempita con perle di plastica o di vetro per migliorare la separazione fornendo più area superficiale per la condensazione e l'evaporazione.
Figura 2: configurazione per la distillazione frazionata in laboratorio.
La temperatura della colonna diminuisce gradualmente lungo la sua lunghezza. I componenti con un punto di ebollizione più elevato si condensano sulla colonna e tornano alla soluzione.
I componenti con punti di ebollizione inferiori (più volatili) passano attraverso la colonna e vengono raccolti vicino alla sommità.
Teoricamente, avere più perle o piastre migliora la separazione, ma l'aggiunta di piastre aumenta anche il tempo e l'energia necessari per completare una distillazione (Helmenstine, 2016).
Riferimenti
- Anne Marie Helmenstine. (2014, 16 maggio). Definizione della pressione di vapore. Recupero da thoughtco.com.
- Encyclopædia Britannica. (2017, 10 febbraio). Pressione del vapore. Recuperato da britannica.com.
- Harvey, D. (2016, 25 marzo). Gravimetria per volatilizzazione. Recupero da chem.libretexts.
- Helmenstine, AM (2016, 8 novembre). Definizione ed esempi di distillazione frazionata. Recupero da thoughtco.com.
- Jim Clark, IL (2017, 3 marzo). Legge di Raoult. Recupero da chem.libretexts.
- Khan, S. (2009, 27 agosto). Introduzione all'analisi gravimetrica: Gravimetria per volatilizzazione. Recuperato da khanacademy.
- Louis Gordon, RW (2014). Recuperato da accessscience.com.
- Pressione del vapore. (SF). Recupero da chem.purdue.edu.