Ponto de ebulição

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Água fervente

O ponto de ebulição de uma substância é a temperatura na qual a pressão de vapor de um líquido é igual à pressão em torno do líquido [1] [2] e o líquido se transforma em vapor.

O ponto de ebulição de um líquido varia dependendo da pressão ambiental circundante. Um líquido em vácuo parcial tem um ponto de ebulição mais baixo do que quando esse líquido está à pressão atmosférica . Um líquido em alta pressão tem um ponto de ebulição mais alto do que quando esse líquido está na pressão atmosférica. Por exemplo, a água ferve a 100 ° C (212 ° F) ao nível do mar, mas a 93,4 ° C (200,1 ° F) a 1.905 metros (6.250 pés) [3] de altitude. Para uma determinada pressão, diferentes líquidos ferverão em diferentes temperaturas.

O ponto de ebulição normal (também chamado de ponto de ebulição atmosférica ou ponto de ebulição à pressão atmosférica ) de um líquido é o caso especial em que a pressão de vapor do líquido é igual à pressão atmosférica definida ao nível do mar, uma atmosfera . [4] [5] Nessa temperatura, a pressão de vapor do líquido torna-se suficiente para superar a pressão atmosférica e permitir que bolhas de vapor se formem dentro da massa do líquido. O ponto de ebulição padrão é definido pela IUPAC desde 1982 como a temperatura na qual ocorre a ebulição sob a pressão de um bar . [6]

O calor de vaporização é a energia necessária para transformar uma determinada quantidade (um mol, kg, libra, etc.) de uma substância de um líquido em um gás a uma determinada pressão (geralmente pressão atmosférica).

Os líquidos podem se transformar em vapor em temperaturas abaixo de seus pontos de ebulição por meio do processo de evaporação . A evaporação é um fenômeno de superfície no qual moléculas localizadas perto da borda do líquido, não contidas por pressão de líquido suficiente naquele lado, escapam para o ambiente como vapor . Por outro lado, a fervura é um processo no qual as moléculas em qualquer parte do líquido escapam, resultando na formação de bolhas de vapor dentro do líquido.

Temperatura de saturação e da pressão

Demonstração do ponto de ebulição mais baixo da água a pressão mais baixa, obtido por meio de uma bomba de vácuo .

Um líquido saturado contém tanta energia térmica quanto pode sem ferver (ou, inversamente, um vapor saturado contém tão pouca energia térmica quanto pode sem condensar ).

Temperatura de saturação significa ponto de ebulição . A temperatura de saturação é a temperatura para uma pressão de saturação correspondente na qual um líquido ferve em sua fase de vapor . Pode-se dizer que o líquido está saturado de energia térmica . Qualquer adição de energia térmica resulta em uma transição de fase .

Se a pressão em um sistema permanecer constante ( isobárica ), um vapor na temperatura de saturação começará a se condensar em sua fase líquida à medida que a energia térmica ( calor ) é removida. Da mesma forma, um líquido na temperatura de saturação e pressão irá ferver em sua fase de vapor à medida que energia térmica adicional é aplicada.

O ponto de ebulição corresponde à temperatura na qual a pressão de vapor do líquido é igual à pressão ambiental circundante. Assim, o ponto de ebulição depende da pressão. Os pontos de ebulição podem ser publicados em relação ao NIST, pressão padrão dos EUA de 101,325 kPa (ou 1 atm ), ou pressão padrão IUPAC de 100.000 kPa. Em altitudes mais elevadas, onde a pressão atmosférica é muito mais baixa, o ponto de ebulição também é menor. O ponto de ebulição aumenta com o aumento da pressão até o ponto crítico, onde as propriedades do gás e do líquido se tornam idênticas. O ponto de ebulição não pode ser aumentado além do ponto crítico. Da mesma forma, o ponto de ebulição diminui com a diminuição da pressão até que o ponto triplo seja alcançado. O ponto de ebulição não pode ser reduzido abaixo do ponto triplo.

Se o calor de vaporização e a pressão de vapor de um líquido a uma determinada temperatura são conhecidos, o ponto de ebulição pode ser calculado usando a equação de Clausius-Clapeyron , assim:

Onde:

é o ponto de ebulição na pressão de interesse,
é a constante de gás ideal ,
é a pressão de vapor do líquido na pressão de interesse,
é alguma pressão onde o correspondente é conhecido (geralmente dados disponíveis a 1 atm ou 100 kPa),
é o calor de vaporização do líquido,
é a temperatura de ebulição,
é o logaritmo natural .

A pressão de saturação é a pressão para uma temperatura de saturação correspondente na qual um líquido ferve em sua fase de vapor. A pressão de saturação e a temperatura de saturação têm uma relação direta: conforme a pressão de saturação aumenta, também aumenta a temperatura de saturação.

Se a temperatura em um sistema permanecer constante (um sistema isotérmico ), o vapor na pressão de saturação e a temperatura começarão a condensar em sua fase líquida à medida que a pressão do sistema aumenta. Da mesma forma, um líquido na pressão e temperatura de saturação tenderá a piscar em sua fase de vapor à medida que a pressão do sistema diminui.

Existem duas convenções em relação ao ponto de ebulição padrão da água : O ponto de ebulição normal é 99,97  ° C (211,9  ° F ) a uma pressão de 1 atm (ou seja, 101,325 kPa). O ponto de ebulição padrão da água recomendado pela IUPAC a uma pressão padrão de 100 kPa (1 bar) [7] é 99,61  ° C (211,3  ° F ). [6] [8] Para efeito de comparação, no topo do Monte Everest , a 8.848 m (29.029 pés) de elevação, a pressão é de cerca de 34  kPa (255  Torr ) [9] e o ponto de ebulição da água é 71  ° C (160 ° F ). A escala de temperatura Celsius foi definida até 1954 por dois pontos: 0 ° C sendo definido pelo ponto de congelamento da água e 100 ° C sendo definido pelo ponto de ebulição da água na pressão atmosférica padrão.

Relação entre o ponto de ebulição normal e a pressão de vapor de líquidos

Um gráfico de pressão de vapor log-lin para vários líquidos

Quanto mais alta a pressão de vapor de um líquido em uma determinada temperatura, menor o ponto de ebulição normal (isto é, o ponto de ebulição à pressão atmosférica) do líquido.

O gráfico de pressão de vapor à direita tem gráficos das pressões de vapor versus temperaturas para uma variedade de líquidos. [10] Como pode ser visto no gráfico, os líquidos com as pressões de vapor mais altas têm os pontos de ebulição normais mais baixos.

Por exemplo, em qualquer temperatura, o cloreto de metila tem a pressão de vapor mais alta de qualquer um dos líquidos no gráfico. Ele também tem o ponto de ebulição normal mais baixo (−24,2 ° C), que é onde a curva de pressão de vapor do cloreto de metila (a linha azul) intercepta a linha de pressão horizontal de uma atmosfera ( atm ) de pressão de vapor absoluta.

O ponto crítico de um líquido é a temperatura (e pressão) mais alta na qual ele realmente irá ferver.

Veja também Pressão de vapor da água .

Propriedades dos elementos

O elemento com o ponto de ebulição mais baixo é o hélio . Ambos os pontos de ebulição do rênio e do tungstênio excedem 5000 K na pressão padrão ; porque é difícil medir temperaturas extremas precisamente sem enviesamento, ambos foram citados na literatura como tendo o ponto de ebulição mais alto. [11]

Ponto de ebulição como uma propriedade de referência de um composto puro

Como pode ser visto no gráfico acima do logaritmo da pressão de vapor versus a temperatura para qualquer composto químico puro , seu ponto de ebulição normal pode servir como uma indicação da volatilidade geral desse composto . Um determinado composto puro tem apenas um ponto de ebulição normal, se houver, e o ponto de ebulição normal de um composto e o ponto de fusão podem servir como propriedades físicas característicaspara esse composto, listado nos livros de referência. Quanto mais alto o ponto de ebulição normal de um composto, menos volátil ele é em geral e, inversamente, quanto mais baixo o ponto de ebulição normal de um composto, mais volátil esse composto é em geral. Alguns compostos se decompõem em temperaturas mais altas antes de atingirem seu ponto de ebulição normal, ou às vezes até mesmo seu ponto de fusão. Para um composto estável, o ponto de ebulição varia de seu ponto triplo a seu ponto crítico, dependendo da pressão externa. Além de seu ponto triplo, o ponto de ebulição normal de um composto, se houver, é maior do que seu ponto de fusão. Além do ponto crítico, as fases de líquido e vapor de um composto se fundem em uma fase, que pode ser chamada de gás superaquecido. Em qualquer temperatura, se o ponto de ebulição normal de um composto for mais baixo, esse composto geralmente existirá como um gás à pressão atmosférica externa. Se o ponto de ebulição normal do composto for mais alto, então esse composto pode existir como um líquido ou sólido naquela dada temperatura na pressão atmosférica externa, e existirá em equilíbrio com seu vapor (se volátil) se seus vapores estiverem contidos. Se os vapores de um composto não forem contidos, alguns compostos voláteis podem eventualmente evaporar, apesar de seus pontos de ebulição mais elevados.

Pontos de ebulição de alcanos , alcenos , éteres , halogenoalcanos , aldeídos , cetonas , álcoois e ácidos carboxílicos em função da massa molar

Em geral, os compostos com ligações iônicas têm pontos de ebulição normais elevados, se eles não se decomporem antes de atingir tais altas temperaturas. Muitos metais têm alto ponto de ebulição, mas não todos. Muito geralmente - com outros fatores sendo iguais - em compostos com moléculas ligadas covalentemente , conforme o tamanho da molécula (ou massa molecular ) aumenta, o ponto de ebulição normal aumenta. Quando o tamanho molecular se torna o de uma macromolécula , polímero ou de outra forma muito grande, o composto freqüentemente se decompõe em alta temperatura antes que o ponto de ebulição seja atingido. Outro fator que afeta o ponto de ebulição normal de um composto é a polaridadede suas moléculas. À medida que a polaridade das moléculas de um composto aumenta, seu ponto de ebulição normal aumenta, sendo os outros fatores iguais. Intimamente relacionado está a capacidade de uma molécula de formar ligações de hidrogênio (no estado líquido), o que torna mais difícil para as moléculas saírem do estado líquido e, portanto, aumenta o ponto de ebulição normal do composto. Os ácidos carboxílicos simples se dimerizam formando ligações de hidrogênio entre as moléculas. Um fator menor que afeta os pontos de ebulição é a forma de uma molécula. Tornar a forma de uma molécula mais compacta tende a diminuir ligeiramente o ponto de ebulição normal em comparação com uma molécula equivalente com mais área de superfície.

Comparação dos pontos de ebulição do isômero de butano ( C 4 H 10 )
Nome comum n - butano isobutano
Nome IUPAC butano 2-metilpropano

Forma molecular
Butane-3D-balls.png Isobutane-3D-balls.png

Ponto de ebulição (° C)
-0,5 -11,7
Comparação dos pontos de ebulição do isômero de pentano
Nome comum n - pentano isopentano neopentano
Nome IUPAC pentano 2-metilbutano 2,2-dimetilpropano

Forma molecular
Pentane-3D-balls.png Isopentane-3D-balls.png Neopentane-3D-balls.png

Ponto de ebulição (° C)
36,0 27,7 9,5
Diagrama de ponto de ebulição binário de dois componentes hipotéticos apenas fracamente interagindo sem um azeótropo

A maioria dos compostos voláteis (em qualquer lugar próximo à temperatura ambiente) passam por uma fase líquida intermediária enquanto se aquecem de uma fase sólida para eventualmente se transformar em uma fase de vapor. Em comparação com a ebulição, uma sublimação é uma transformação física na qual um sólido se transforma diretamente em vapor, o que acontece em alguns casos selecionados, como o dióxido de carbono à pressão atmosférica. Para tais compostos, um ponto de sublimação é uma temperatura na qual um sólido que se transforma diretamente em vapor tem uma pressão de vapor igual à pressão externa.

Impurezas e misturas

Na seção anterior, os pontos de ebulição de compostos puros foram abordados. As pressões de vapor e os pontos de ebulição das substâncias podem ser afetados pela presença de impurezas dissolvidas ( solutos ) ou outros compostos miscíveis, dependendo o grau de efeito da concentração das impurezas ou outros compostos. A presença de impurezas não voláteis, como sais ou compostos de volatilidade muito menor do que o composto do componente principal, diminui sua fração molar e a volatilidade da solução e, portanto, aumenta o ponto de ebulição normal em proporção à concentração dos solutos. Este efeito é denominado elevação do ponto de ebulição . Como um exemplo comum,a água salgada ferve a uma temperatura mais alta do que a água pura.

Em outras misturas de compostos (componentes) miscíveis, pode haver dois ou mais componentes de volatilidade variável, cada um tendo seu próprio ponto de ebulição de componente puro a qualquer pressão. A presença de outros componentes voláteis em uma mistura afeta as pressões de vapor e, portanto, os pontos de ebulição e os pontos de orvalho de todos os componentes da mistura. O ponto de orvalho é uma temperatura na qual um vapor se condensa em um líquido. Além disso, a qualquer temperatura, a composição do vapor é diferente da composição do líquido na maioria desses casos. Para ilustrar esses efeitos entre os componentes voláteis em uma mistura, um diagrama de ponto de ebulição é comumente usado. Destilação é um processo de ebulição e [geralmente] condensação que tira vantagem dessas diferenças de composição entre as fases líquida e vapor.

Tabela

Veja também

Referências

  1. ^ Goldberg, David E. (1988). 3.000 Solved Problems in Chemistry (1ª ed.). McGraw-Hill. seção 17.43, p. 321. ISBN 0-07-023684-4.
  2. ^ Theodore, Louis; Dupont, R. Ryan; Ganesan, Kumar, eds. (1999). Prevenção da poluição: a abordagem de gerenciamento de resíduos para o século 21 . CRC Press. seção 27, p. 15. ISBN 1-56670-495-2.
  3. ^ "Ponto de ebulição da água e altitude" . www.engineeringtoolbox.com .
  4. ^ Glossário de Química Geral Página do site da Purdue University
  5. ^ Carretel, Kevin R .; Fikar, RM; Dumas, PE; Templin, Jay M. e Van Arnum, Patricia (2006). AP Chemistry (REA) - The Best Test Prep para o Advanced Placement Exam (9ª ed.). Associação de Pesquisa e Educação. seção 71, p. 224. ISBN 0-7386-0221-3.
  6. ^ a b Cox, JD (1982). "Notação para estados e processos, significado da palavra padrão em termodinâmica química e observações sobre formas comumente tabuladas de funções termodinâmicas" . Química pura e aplicada . 54 (6): 1239–1250. doi : 10.1351 / pac198254061239 .
  7. ^ Pressão padrão IUPAC define a "pressão padrão" como sendo 10 5 Pa (o que equivale a 1 bar).
  8. ^ Apêndice 1: Tabelas e gráficos de propriedades (unidades SI) , role para baixo até a Tabela A-5 e leia o valor de temperatura de 99,61 ° C a uma pressão de 100 kPa (1 bar). Obtido no site de Ensino Superior da McGraw-Hill.
  9. ^ West, JB (1999). ″ Pressões barométricas no Monte Everest: Novos dados e significado fisiológico ″. Journal of Applied Physiology . 86 (3): 1062–6. doi : 10.1152 / jappl.1999.86.3.1062 . PMID 10066724 . 
  10. ^ Perry, RH; Green, DW, eds. (1997). Perry's Chemical Engineers 'Handbook (7ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049841-5.
  11. ^ DeVoe, Howard (2000). Thermodynamics and Chemistry (1ª ed.). Prentice-Hall. ISBN 0-02-328741-1.

Ligações externas