PRESSION DE VAPEUR: CONCEPT, EXEMPLES ET EXERCICES RÉSOLUS - CHIMIE - 2025

La pression de vapeur est celle qui subit la surface d'un liquide ou d'un solide, comme un produit d'un équilibre thermodynamique des particules dans un système fermé. Un système fermé est compris comme un récipient, un récipient ou une bouteille qui n'est pas exposé à l'air et à la pression atmosphérique.

Par conséquent, tout liquide ou solide dans un récipient exerce sur lui-même une tension de vapeur caractéristique et caractéristique de sa nature chimique. Une bouteille d'eau non ouverte est en équilibre avec la vapeur d'eau, qui «tasse» la surface du liquide et les parois internes de la bouteille.

Les boissons gazeuses illustrent le concept de pression de vapeur. Source: Pixabay.

Tant que la température reste constante, il n'y aura aucune variation de la quantité de vapeur d'eau présente dans la bouteille. Mais s'il augmente, il arrivera un point où une pression sera créée de telle sorte qu'elle puisse tirer le couvercle vers le haut; comme cela se produit lorsque vous essayez délibérément de remplir et de fermer une bouteille d'eau bouillante.

Les boissons gazeuses, en revanche, sont un exemple plus évident (et plus sûr) de ce que l'on entend par pression de vapeur. Lorsqu'il est découvert, l'équilibre gaz-liquide à l'intérieur est interrompu, libérant la vapeur vers l'extérieur dans un son semblable à un sifflement. Cela ne se produirait pas si sa pression de vapeur était inférieure ou négligeable.

Concept de pression de vapeur

Pression de vapeur et forces intermoléculaires

Décapsuler plusieurs boissons gazeuses, dans les mêmes conditions, offre une idée qualitative de celles qui ont la pression de vapeur la plus élevée, en fonction de l'intensité du son émis.

Une bouteille d'éther se comporterait également de la même manière; ce n'est pas le cas de l'huile, du miel, du sirop ou d'un tas de café moulu. Ils ne feraient aucun bruit perceptible à moins qu'ils ne libèrent des gaz de décomposition.

En effet, leurs pressions de vapeur sont inférieures ou négligeables. Ce qui s'échappe de la bouteille, ce sont des molécules en phase gazeuse, qui doivent d'abord vaincre les forces qui les maintiennent «piégées» ou cohésives dans le liquide ou le solide; c'est-à-dire qu'ils doivent surmonter les forces intermoléculaires ou les interactions exercées par les molécules dans leur environnement.

S'il n'y avait pas de telles interactions, il n'y aurait même pas de liquide ou de solide à enfermer à l'intérieur de la bouteille. Par conséquent, plus les interactions intermoléculaires sont faibles, plus les molécules sont susceptibles de quitter le liquide désordonné ou les structures ordonnées ou amorphes du solide.

Cela s'applique non seulement aux substances ou composés purs, mais également aux mélanges, dans lesquels les boissons et spiritueux déjà mentionnés entrent en jeu. Ainsi, il est possible de prédire quelle bouteille aura une pression de vapeur plus élevée en connaissant la composition de son contenu.

Évaporation et volatilité

Le liquide ou le solide à l'intérieur de la bouteille, en supposant qu'il n'est pas bouché, s'évaporera continuellement; c'est-à-dire que les molécules à sa surface s'échappent dans la phase gazeuse, qui sont dispersées dans l'air et ses courants. C'est pourquoi l'eau finit par s'évaporer complètement si la bouteille n'est pas fermée ou si le pot est couvert.

Mais il n'en va pas de même avec les autres liquides, et encore moins avec les solides. La pression de vapeur de ces derniers est généralement si ridicule qu'il peut s'écouler des millions d'années avant qu'une diminution de taille ne soit perçue; en supposant qu'ils n'ont pas rouillé, érodé ou décomposé pendant tout ce temps.

Une substance ou un composé est alors dit volatil s'il s'évapore rapidement à température ambiante. Notez que la volatilité est un concept qualitatif: elle n'est pas quantifiée, mais est le produit de la comparaison de l'évaporation entre divers liquides et solides. Ceux qui s'évaporent plus rapidement seront considérés comme plus volatils.

En revanche, la pression de vapeur est mesurable, rassemblant par elle-même ce que l'on entend par évaporation, ébullition et volatilité.

Equilibre thermodynamique

Les molécules en phase gazeuse entrent en collision avec la surface du liquide ou du solide. Ce faisant, les forces intermoléculaires des autres molécules plus condensées peuvent les arrêter et les retenir, les empêchant ainsi de s'échapper à nouveau sous forme de vapeur. Cependant, dans le processus, d'autres molécules à la surface parviennent à s'échapper, intégrant la vapeur.

Si la bouteille est fermée, il viendra un moment où le nombre de molécules qui entrent dans le liquide ou le solide sera égal à celles qui en sortent. Nous avons donc un équilibre, qui dépend de la température. Si la température augmente ou diminue, la pression de vapeur changera.

Plus la température est élevée, plus la pression de vapeur est élevée, car les molécules du liquide ou du solide auront plus d'énergie et pourront s'échapper plus facilement. Mais si la température reste constante, l'équilibre sera rétabli; c'est-à-dire que la pression de vapeur cessera d'augmenter.

Exemples de pression de vapeur

Supposons que vous ayez du n-butane, CH ₃ CH ₂ CH ₂ CH ₃ et du dioxyde de carbone, CO ₂, dans deux conteneurs séparés. À 20 ° C, leurs pressions de vapeur ont été mesurées. La pression de vapeur du n-butane est d'environ 2,17 atm, tandis que celle du dioxyde de carbone est de 56,25 atm.

Les pressions de vapeur peuvent également être mesurées en unités de Pa, bar, torr, mmHg et autres. Le CO ₂ a une pression de vapeur presque 30 fois supérieure à celle du n-butane, donc à première vue son contenant doit être plus résistant pour pouvoir le stocker; et s'il a des fissures, il tirera avec une plus grande violence dans les environs.

Ce CO ₂ se retrouve dissous dans les boissons gazeuses, mais en quantités suffisamment faibles pour que lors de leur échappement, les bouteilles ou canettes n'explosent pas, mais produisent seulement un son.

D'autre part, nous avons l'éther diéthylique, CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃ ou Et ₂ O, dont la pression de vapeur à 20 ºC est de 0,49 atm. Une fois découvert, un contenant de cet éther ressemblera à celui d'un soda. Sa pression de vapeur est presque 5 fois inférieure à celle du n-butane, donc en théorie, il sera plus sûr de manipuler une bouteille d'éther diéthylique qu'une bouteille de n-butane.

Exercices résolus

Exercice 1

Lequel des deux composés suivants devrait avoir une pression de vapeur supérieure à 25 ° C? Éther diéthylique ou alcool éthylique?

La formule développée de l'éther diéthylique est CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃, et celle de l'alcool éthylique, CH ₃ CH ₂ OH. En principe, l'éther diéthylique a une masse moléculaire plus élevée, il est plus grand, on pourrait donc croire que sa pression de vapeur est plus faible puisque ses molécules sont plus lourdes. Cependant, le contraire est vrai: l'éther diéthylique est plus volatil que l'alcool éthylique.

En effet, les molécules CH ₃ CH ₂ OH, comme le CH ₃ CH ₂ OCH ₂ CH ₃, interagissent par des forces dipôle-dipôle. Mais contrairement à l'éther diéthylique, l'alcool éthylique est capable de former des liaisons hydrogène, qui se caractérisent par être des dipôles particulièrement forts et directionnels: CH ₃ CH ₂ HO-HOCH ₂ CH ₃.

Par conséquent, la pression de vapeur de l'alcool éthylique (0,098 atm) est inférieure à celle de l'éther diéthylique (0,684 atm) même si ses molécules sont plus légères.

Exercice 2

Lequel des deux solides suivants est censé avoir la pression de vapeur la plus élevée à 25 ° C? Naphtalène ou iode?

La molécule de naphtalène est bicyclique, ayant deux cycles aromatiques et un point d'ébullition de 218 ° C. Pour sa part, l'iode est linéaire et homonucléaire, I ₂ ou II, ayant un point d'ébullition de 184 ºC. Ces propriétés à elles seules classent l'iode comme étant probablement le solide avec la pression de vapeur la plus élevée (il bout à la température la plus basse).

Les deux molécules, celle du naphtalène et de l'iode, sont apolaires, elles interagissent donc par les forces de dispersion de Londres.

Le naphtalène a une masse moléculaire plus élevée que l'iode, et il est donc compréhensible de supposer que ses molécules ont plus de mal à quitter le solide noir et goudronneux parfumé; tandis que pour l'iode, il sera plus facile d'échapper aux cristaux violet foncé.

Selon les données de Pubchem, les pressions de vapeur à 25 ° C pour le naphtalène et l'iode sont de: 0,085 mmHg et 0,233 mmHg, respectivement. Par conséquent, l'iode a une pression de vapeur 3 fois supérieure à celle du naphtalène.

Références

1. Whitten, Davis, Peck et Stanley. (2008). Chimie (8e éd.). Apprentissage CENGAGE.
2. La pression de vapeur. Récupéré de: chem.purdue.edu
3. Wikipédia. (2019). La pression de vapeur. Récupéré de: en.wikipedia.org
4. Les rédacteurs de l'Encyclopaedia Britannica. (03 avril 2019). La pression de vapeur. Encyclopædia Britannica. Récupéré de: britannica.com
5. Nichole Miller. (2019). Pression de vapeur: définition, équation et exemples. Étude. Récupéré de: study.com