Volatilidad (química)

En química, la volatilidad es una cualidad material que describe la facilidad con la que una sustancia se vaporiza. A una temperatura y presión dadas, es más probable que una sustancia con alta volatilidad exista como vapor, mientras que una sustancia con baja volatilidad es más probable que sea líquida o sólida. La volatilidad también puede describir la tendencia de un vapor a condensarse en líquido o sólido; las sustancias menos volátiles se condensarán más fácilmente a partir de un vapor que las altamente volátiles.Las diferencias en la volatilidad se pueden observar comparando qué tan rápido se evaporan las sustancias dentro de un grupo (o se sublima en el caso de los sólidos) cuando se exponen a la atmósfera. Una sustancia altamente volátil, como el alcohol isopropílico, se evaporará rápidamente, mientras que una sustancia con baja volatilidad, como el aceite vegetal, permanecerá condensada. En general, los sólidos son mucho menos volátiles que los líquidos, pero hay algunas excepciones. Los sólidos que se subliman (cambian directamente de sólido a vapor), como el hielo seco (dióxido de carbono sólido) o el yodo, pueden vaporizarse a una velocidad similar a la de algunos líquidos en condiciones estándar.

Descripción

La volatilidad en sí misma no tiene un valor numérico definido, pero a menudo se describe usando presiones de vapor o puntos de ebullición (para líquidos). Las altas presiones de vapor indican una alta volatilidad, mientras que los altos puntos de ebullición indican una baja volatilidad. Las presiones de vapor y los puntos de ebullición a menudo se presentan en tablas y gráficos que se pueden usar para comparar productos químicos de interés. Los datos de volatilidad generalmente se encuentran a través de la experimentación en un rango de temperaturas y presiones.

Presión de vapor

La presión de vapor es una medida de la rapidez con que una fase condensada forma vapor a una temperatura dada. Una sustancia encerrada en un recipiente sellado inicialmente al vacío (sin aire dentro) llenará rápidamente cualquier espacio vacío con vapor. Una vez que el sistema alcanza el equilibrio y no se forma más vapor, se puede medir esta presión de vapor. El aumento de la temperatura aumenta la cantidad de vapor que se forma y, por lo tanto, la presión de vapor. En una mezcla, cada sustancia contribuye a la presión de vapor general de la mezcla, y los compuestos más volátiles contribuyen en mayor medida.

Punto de ebullición

El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión circundante, lo que hace que el líquido se evapore o hierva rápidamente. Está estrechamente relacionado con la presión de vapor, pero depende de la presión. El punto de ebullición normal es el punto de ebullición a presión atmosférica, pero también se puede informar a presiones más altas y más bajas.

Factores contribuyentes

Fuerzas intermoleculares

Un factor importante que influye en la volatilidad de una sustancia es la fuerza de las interacciones entre sus moléculas. Las fuerzas de atracción entre las moléculas son lo que mantiene unidos los materiales, y los materiales con fuerzas intermoleculares más fuertes, como la mayoría de los sólidos, no suelen ser muy volátiles. El etanol y el dimetil éter, dos sustancias químicas con la misma fórmula (C ₂ H ₆ O), tienen diferentes volatilidades debido a las diferentes interacciones que ocurren entre sus moléculas en la fase líquida: las moléculas de etanol son capaces de formar puentes de hidrógeno mientras que las moléculas de dimetil éter no lo son.. El resultado es una fuerza de atracción más fuerte en general entre las moléculas de etanol, lo que la convierte en la sustancia menos volátil de las dos.

Peso molecular

En general, la volatilidad tiende a disminuir con el aumento de la masa molecular porque las moléculas más grandes pueden participar en más enlaces intermoleculares, aunque otros factores como la estructura y la polaridad juegan un papel importante. El efecto de la masa molecular se puede aislar parcialmente comparando productos químicos de estructura similar (es decir, ésteres, alcanos, etc.). Por ejemplo, los alcanos lineales exhiben una volatilidad decreciente a medida que aumenta el número de carbonos en la cadena.

Aplicaciones

Destilación

El conocimiento de la volatilidad suele ser útil en la separación de componentes de una mezcla. Cuando una mezcla de sustancias condensadas contiene múltiples sustancias con diferentes niveles de volatilidad, su temperatura y presión pueden manipularse de manera que los componentes más volátiles se conviertan en vapor mientras que las sustancias menos volátiles permanecen en la fase líquida o sólida. El vapor recién formado se puede desechar o condensar en un recipiente separado. Cuando se recogen los vapores, este proceso se conoce como destilación.

El proceso de refinación del petróleo utiliza una técnica conocida como destilación fraccionada, que permite separar varios productos químicos de volatilidad variable en un solo paso. El petróleo crudo que ingresa a una refinería está compuesto de muchas sustancias químicas útiles que deben separarse. El petróleo crudo fluye hacia una torre de destilación y se calienta, lo que permite que los componentes más volátiles, como el butano y el queroseno, se vaporicen. Estos vapores suben por la torre y eventualmente entran en contacto con superficies frías, lo que hace que se condensen y se recolecten. Los químicos más volátiles se condensan en la parte superior de la columna, mientras que los químicos menos volátiles para vaporizarse se condensan en la porción más baja. A la derecha hay una imagen que ilustra el diseño de una torre de destilación.

La diferencia de volatilidad entre el agua y el etanol se ha utilizado tradicionalmente en el refinado del alcohol para beber. Para aumentar la concentración de etanol en el producto, los fabricantes de alcohol calentarían la mezcla de alcohol inicial a una temperatura en la que la mayor parte del etanol se evapora mientras que la mayor parte del agua permanece líquida. Luego, el vapor de etanol se recolecta y se condensa en un recipiente separado, lo que da como resultado un producto mucho más concentrado.

Perfume

La volatilidad es una consideración importante al elaborar perfumes. Los humanos detectan los olores cuando los vapores aromáticos entran en contacto con los receptores de la nariz. Los ingredientes que se vaporizan rápidamente después de ser aplicados producirán vapores fragantes por un corto tiempo antes de que los aceites se evaporen. Los ingredientes de evaporación lenta pueden permanecer en la piel durante semanas o incluso meses, pero es posible que no produzcan suficientes vapores para producir un aroma fuerte. Para prevenir estos problemas, los diseñadores de perfumes consideran cuidadosamente la volatilidad de los aceites esenciales y otros ingredientes en sus perfumes. Las tasas de evaporación adecuadas se logran modificando la cantidad de ingredientes altamente volátiles y no volátiles utilizados.