Presión de vapor: conceptos básicos y ejemplos

Introducción: ¿Qué es la presión de vapor?

La presión de vapor es un término crucial de la termodinámica y la química física que describe la presión de equilibrio de un vapor sobre su forma líquida o sólida a una temperatura dada. Nos indica la facilidad con la que se evapora una sustancia. Un líquido de evaporación rápida tiene una presión de vapor alta (por ejemplo, la acetona), mientras que un líquido de evaporación lenta tiene una presión de vapor baja (por ejemplo, el mercurio).

Cómo funciona la presión de vapor

A cualquier temperatura, algunas moléculas de un líquido tienen suficiente energía cinética para evaporarse y pasar a la fase de vapor. Cada vez se evaporan más moléculas, y algunas de ellas regresan en el proceso de condensación. Cuando la velocidad de evaporación es igual a la velocidad de condensación, el sistema está en equilibrio y la presión de vapor a una temperatura dada se describe mediante este equilibrio. La dependencia exponencial de la presión de vapor con respecto a la temperatura se deduce de la ecuación de Clausius-Clapeyron.

Factores que influyen en la presión de vapor

1. Temperatura

La temperatura tiene el efecto más directo sobre la presión de vapor. Al aumentar la temperatura, aumenta la energía cinética molecular y más moléculas pueden escapar de la fase líquida. Por ejemplo, la presión de vapor del agua aumenta de 17,5 mmHg a 20°C a 760 mmHg a 100°C, donde hierve bajo presión atmosférica estándar.

2. Fuerzas intermoleculares

Unas fuerzas intermoleculares mayores -como los enlaces de hidrógeno o las fuerzas de Van der Waals- reducen la presión de vapor. El agua con enlace de hidrógeno posee una presión de vapor mucho menor que la acetona con interacción dipolo-dipolo débil.

3. Naturaleza de la sustancia

La forma de la molécula también es importante. Las sustancias con moléculas más ligeras y menos polares (éter dietílico) tienen presiones de vapor más altas que las más pesadas o con enlaces más fuertes (glicerol o mercurio).

Métodos para medir la presión de vapor

1. Método manométrico

Esta es la técnica clásica en la que el líquido está contenido en un recipiente sellado y la presión de vapor de equilibrio se mide directamente con un manómetro después de que se haya alcanzado el equilibrio. Proporciona lecturas precisas a presiones de bajas a moderadas.

2. Método dinámico

Este método consiste en cuantificar la presión de vapor a partir de la variación del volumen o peso del líquido con el tiempo a medida que se libera vapor. Se aplica sobre todo a sustancias que se evaporan rápidamente o para temperaturas elevadas.

3. Método de efusión

El número de moléculas de gas que salen a través de un pequeño poro (efusión) varía linealmente con la presión de vapor. Es adecuado para muestras diminutas y sustancias volátiles.

4. Cálculos Clausius-Clapeyron

Para la mayoría de las sustancias, la medición directa no es posible. La presión de vapor a distintas temperaturas se determina entonces a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron sobre la base de los puntos de ebullición y la entalpía de vaporización determinados experimentalmente.

Importancia práctica de la presión de vapor

1. Meteorología y climatología

Lapresión de vapor está directamente relacionada con la humedad, un parámetro vital en la predicción meteorológica y las precipitaciones. Por ejemplo, la humedad relativa (HR) es la relación entre la presión real del vapor de agua y la presión de vapor de saturación a una temperatura determinada. La medición precisa de la presión de vapor ayuda a predecir los puntos de rocío, la niebla y las precipitaciones.

2. Ingeniería química e industrial

En la presión de vapor, la evaporación y la separación química, la presión de vapor dicta cómo actuarán las cosas al calentarse y enfriarse. El refinado del petróleo, por ejemplo, depende de las diferencias de presión de vapor para separar hidrocarburos como el hexano y el tolueno mediante destilación fraccionada.

En refrigeración, los refrigerantes como el R134a o el amoníaco se seleccionan en parte por sus propiedades de presión de vapor: tienen que evaporarse y condensarse bien dentro de un rango seguro de presiones.

3. Aplicaciones farmacéuticas

Las fórmulas de fármacos que contienen componentes volátiles deben tener en cuenta la presión de vapor para garantizar la estabilidad y la vida útil. Por ejemplo, los geles antisépticos a base de etanol utilizan formulaciones con presiones de vapor controladas para equilibrar la eficacia y la velocidad de evaporación.

4. Ciencia medioambiental

La presión de vapor también determina cómo se comportan en la atmósfera los contaminantes, como los compuestos orgánicos volátiles (COV). Los compuestos con alta presión de vapor, como el benceno o la acetona, contribuyen significativamente a la formación de smog y están muy controlados en el medio ambiente.

Ejemplos y datos

Estas cifras ilustran cómo las fuerzas moleculares y la temperatura afectan a la volatilidad. El éter dietílico, por ejemplo, hierve muy rápidamente a temperatura ambiente debido a su elevada presión de vapor, mientras que el mercurio se aproxima a la no volatilidad incluso a altas temperaturas. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

¿Qué es la presión de vapor?

La presión de vapor es la presión de un vapor en equilibrio con su líquido o sólido a una temperatura determinada.

¿Cómo aumenta la temperatura la presión de vapor?

Porque las moléculas ganan energía cinética y vencen más fácilmente las fuerzas intermoleculares, hay más evaporación.

¿Por qué el agua no es tan volátil como la acetona?

Los elevados enlaces de hidrógeno del agua requieren más energía para romperse y, por tanto, son menos volátiles.

¿Puede la presión de vapor predecir la volatilidad?

Sí. Una mayor presión de vapor indica una mayor volatilidad y una evaporación más rápida.

¿Por qué es tan importante la presión de vapor para la predicción meteorológica?

Se utiliza para calcular la humedad, el punto de rocío y la condensación, esenciales para predecir la lluvia y el desarrollo de las nubes.