Il vaporizzazione del calore oppure l'entalpia di vaporizzazione è l'energia che un grammo di sostanza liquida deve assorbire al suo punto di ebollizione a temperatura costante; cioè per completare il passaggio dalla fase liquida a quella gassosa. Di solito è espresso nelle unità j / go cal / g; e in kJ / mol, quando si parla dell'entalpia molare di vaporizzazione.
Questo concetto è più quotidiano di quanto sembri. Ad esempio, molte macchine, come i treni a vapore, funzionano con l'energia rilasciata dal vapore acqueo. Sulla superficie terrestre si possono osservare grandi masse di vapore che salgono verso il cielo, come quelle nell'immagine sottostante.
Inoltre, la vaporizzazione del sudore sulla pelle si raffredda o rinfresca a causa della perdita di energia cinetica; che si traduce in un abbassamento della temperatura. La sensazione di freschezza aumenta quando soffia la brezza, in quanto rimuove il vapore acqueo dal sudore che scende più velocemente.
Il calore di vaporizzazione dipende non solo dalla quantità di sostanza, ma dalle sue proprietà chimiche; in particolare, della struttura molecolare e del tipo di interazioni intermolecolari presenti.
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Il calore di vaporizzazione (ΔHvap) è una variabile fisica che riflette le forze coesive del liquido. Le forze di coesione sono intese come quelle che tengono insieme le molecole (o gli atomi) nella fase liquida. I liquidi volatili, ad esempio, hanno forze di coesione deboli; mentre quelle dell'acqua, sono molto forti.
Perché un liquido è più volatile di un altro e, di conseguenza, richiede più calore per evaporare completamente al suo punto di ebollizione? La risposta sta nelle interazioni intermolecolari o forze di Van der Waals.
A seconda della struttura molecolare e dell'identità chimica della sostanza, le sue interazioni intermolecolari variano, così come l'entità delle sue forze di coesione. Per capirlo, diverse sostanze devono essere analizzate con ΔHvap diverso.
Le forze di coesione all'interno di un liquido non possono essere molto forti, altrimenti le sue molecole non vibrerebbero. Qui, "vibrazione" si riferisce al movimento libero e casuale di ciascuna molecola nel liquido. Alcuni vanno più lenti o più veloci di altri; cioè, non hanno tutti la stessa energia cinetica.
Pertanto, si parla di a energia cinetica media per tutte le molecole del liquido. Quelle molecole abbastanza veloci saranno in grado di vincere le forze intermolecolari che lo trattengono nel liquido, e sfuggiranno nella fase gassosa; tanto più se sono in superficie.
Una volta che la prima molecola M ad alta energia cinetica fuoriesce, quando viene stimata nuovamente l'energia cinetica media, essa diminuisce.
Perché? Perché mentre le molecole più veloci sfuggono alla fase gassosa, quelle più lente rimangono nel liquido. Una maggiore lentezza molecolare è uguale al raffreddamento.
Quando le molecole M sfuggono nella fase gassosa, possono tornare al liquido; Tuttavia, se il liquido è esposto all'ambiente, inevitabilmente tutte le molecole tenderanno a fuoriuscire e si dice che ci sia stata un'evaporazione.
Se il liquido viene conservato in un contenitore ermeticamente chiuso, si può stabilire un equilibrio liquido-gas; cioè la velocità con cui escono le molecole gassose sarà la stessa con cui entrano.
La pressione esercitata dalle molecole di gas sulla superficie del liquido in questo equilibrio è nota come tensione di vapore. Se il contenitore è aperto, la pressione sarà inferiore rispetto a quella che agisce sul liquido nel contenitore chiuso.
Maggiore è la pressione del vapore, più volatile è il liquido. Essendo più volatile, più deboli sono le sue forze di coesione. E quindi sarà necessario meno calore per farlo evaporare fino al suo normale punto di ebollizione; cioè la temperatura alla quale la tensione di vapore e la pressione atmosferica sono uguali, 760 torr o 1atm.
Le molecole d'acqua possono formare i famosi legami idrogeno: H-O-H-OHDue. Questo tipo speciale di interazione intermolecolare, sebbene debole se si considerano tre o quattro molecole, è estremamente forte quando si tratta di milioni di esse..
Il calore di vaporizzazione dell'acqua al suo punto di ebollizione è 2260 J / go 40,7 kJ / mol. Cosa significa? Che per far evaporare un grammo di acqua a 100 ° C occorrono 2260J (o 40,7kJ per evaporare una mole di acqua, cioè circa 18g).
L'acqua alla temperatura del corpo umano, 37ºC, ha un ΔHvap più alto. Perché? Perché, come dice la sua definizione, l'acqua deve essere riscaldata a 37ºC fino a raggiungere il punto di ebollizione ed evapora completamente; quindi, ΔHvap è più alto (e ancora di più quando si parla di basse temperature).
Il ΔHvap di etanolo al suo punto di ebollizione è 855 J / go 39,3 kJ / mol. Si noti che è inferiore a quella dell'acqua, perché la sua struttura, CH3CHDueOH, riesce a malapena a formare un legame idrogeno. Tuttavia, continua a essere tra i liquidi con i punti di ebollizione più alti..
Il ΔHvap di acetone è 521 J / go 29,1 kJ / mol. Poiché riflette il suo calore di vaporizzazione, è un liquido molto più volatile dell'acqua o dell'etanolo e quindi bolle a una temperatura inferiore (56 ° C)..
Perché? Perché le sue molecole CH3OCH3 non può formare legami idrogeno e può interagire solo attraverso forze dipolo-dipolo.
Per il cicloesano, il suo ΔHvap è 358 J / go 30 kJ / mol. Consiste in un anello esagonale con formula C6H12. Le sue molecole interagiscono attraverso le forze di dispersione di Londra, a causa del fatto che sono apolari e prive di momento di dipolo..
Si noti che sebbene sia più pesante dell'acqua (84 g / mol contro 18 g / mol), le sue forze di coesione sono inferiori.
Il ΔHvap di benzene, anello esagonale aromatico con formula C6H6, è 395 J / go 30,8 kJ / mol. Come il cicloesano, interagisce attraverso le forze di dispersione; ma è anche in grado di formare dipoli e riposizionare la superficie degli anelli (dove i loro doppi legami sono delocalizzati) su altri.
Questo spiega perché essendo apolare, e non molto pesante, ha un ΔHvap relativamente alto.
Il ΔHvap il toluene è addirittura superiore al benzene (33,18 kJ / mol). Questo perché, oltre ai suddetti, i suoi gruppi metilici, -CH3 collaborano al momento di dipolo del toluene; poiché a loro volta possono interagire mediante forze di dispersione.
E infine, il ΔHvap dell'esano è 335 J / go 28,78 kJ / mol. La sua struttura è CH3CHDueCHDueCHDueCHDueCH3, vale a dire lineare, a differenza di quello del cicloesano, che è esagonale.
Sebbene le loro masse molecolari differiscano molto poco (86 g / mol vs 84 g / mol), la struttura ciclica influenza direttamente il modo in cui le molecole interagiscono. Essendo un anello, le forze di dispersione sono più efficaci; d'altra parte, nella struttura lineare dell'esano, sono più "vaganti".
I valori di ΔHvap per l'esano sono in conflitto con quelli per l'acetone. In linea di principio, poiché l'esano ha un punto di ebollizione più alto (81 ° C), dovrebbe avere un ΔHvap più grande dell'acetone, che bolle a 56ºC.
La differenza è che l'acetone ha a capacità termica superiore a quello dell'esano. Ciò significa che per riscaldare un grammo di acetone da 30ºC a 56ºC ed evaporarlo, è necessario più calore di quello utilizzato per riscaldare un grammo di esano da 30ºC alla sua temperatura di ebollizione di 68ºC..
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