Летучесть веществ: что это такое? Узнайте, как легко вещество переходит в газообразное состояние, и чем летучесть влияет на его свойства. Химия, испарение.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Склонность вещества к испарению
Tendency of a substance to vaporize
В химии летучесть – это свойство материала, описывающее, насколько легко вещество переходит в парообразное состояние. При заданной температуре и давлении вещество с высокой летучестью с большей вероятностью будет существовать в виде пара, а вещество с низкой летучестью – в виде жидкости или твердого тела. Летучесть также может описывать способность паров конденсироваться в жидкость или твердое тело; менее летучие вещества будут конденсироваться из паров легче, чем высоколетучие. Различия в летучести можно наблюдать, сравнивая скорость испарения (или сублимации в случае твердых веществ) веществ в пределах одной группы при контакте с атмосферой. Высоколетучее вещество, такое как изопропиловый спирт (медицинский спирт), быстро испаряется, в то время как вещество с низкой летучестью, например растительное масло, остается в конденсированном состоянии. В общем случае, твердые вещества гораздо менее летучи, чем жидкости, однако существуют исключения. Твердые вещества, которые сублимируют (переходят непосредственно из твердого состояния в газообразное), такие как сухой лед (твердый диоксид углерода) или йод, могут испаряться с той же скоростью, что и некоторые жидкости при стандартных условиях.
In chemistry, volatility is a material quality which describes how readily a substance vaporizes. At a given temperature and pressure, a substance with high volatility is more likely to exist as a vapour, while a substance with low volatility is more likely to be a liquid or solid. Volatility can also describe the tendency of a vapor to condense into a liquid or solid; less volatile substances will more readily condense from a vapor than highly volatile ones. Differences in volatility can be observed by comparing how fast substances within a group evaporate (or sublimate in the case of solids) when exposed to the atmosphere. A highly volatile substance such as rubbing alcohol (isopropyl alcohol) will quickly evaporate, while a substance with low volatility such as vegetable oil will remain condensed. In general, solids are much less volatile than liquids, but there are some exceptions. Solids that sublimate (change directly from solid to vapor) such as dry ice (solid carbon dioxide) or iodine can vaporize at a similar rate as some liquids under standard conditions.
Описание
Сама волатильность не имеет определенного числового значения, но часто описывается давлением паров или точками кипения (для жидкостей). Высокое давление паров свидетельствует о высокой волатильности, а высокие точки кипения – о низкой. Давление паров и точки кипения часто приводятся в таблицах и графиках, которые можно использовать для сравнения интересующих химических веществ. Данные о волатильности обычно получают экспериментальным путем в широком диапазоне температур и давлений.
Volatility itself has no defined numerical value, but it is often described using vapor pressures or boiling points (for liquids). High vapor pressures indicate a high volatility, while high boiling points indicate low volatility. Vapor pressures and boiling points are often presented in tables and charts that can be used to compare chemicals of interest. Volatility data is typically found through experimentation over a range of temperatures and pressures.
Давление пара
Давление пара – это мера способности конденсированной фазы переходить в газообразное состояние при определенной температуре. Вещество, помещенное в герметичный сосуд, изначально находящийся в вакууме (без воздуха внутри), быстро заполнит все свободное пространство паром. После достижения системой равновесия, когда скорость испарения сравняется со скоростью конденсации, давление пара можно измерить. Повышение температуры увеличивает количество образующегося пара и, следовательно, давление пара. В смеси каждое вещество вносит вклад в общее давление пара смеси, причем более летучие вещества оказывают большее влияние.
Vapor pressure is a measurement of how readily a condensed phase forms a vapor at a given temperature. A substance enclosed in a sealed vessel initially at vacuum (no air inside) will quickly fill any empty space with vapor. After the system reaches equilibrium and the rate of evaporation matches the rate of condensation, the vapor pressure can be measured. Increasing the temperature increases the amount of vapor that is formed and thus the vapor pressure. In a mixture, each substance contributes to the overall vapor pressure of the mixture, with more volatile compounds making a larger contribution.
Точка кипения
Точка кипения – это температура, при которой давление паров жидкости равно окружающему давлению, что приводит к быстрому испарению жидкости, или кипению. Она тесно связана с давлением паров, но зависит от внешнего давления. Нормальная точка кипения – это точка кипения при атмосферном давлении, однако она может быть указана и при более высоких, и при более низких давлениях. Это приводит к более сильному общему притяжению между молекулами этанола, делая его менее летучим из двух веществ.
Boiling point is the temperature at which the vapor pressure of a liquid is equal to the surrounding pressure, causing the liquid to rapidly evaporate, or boil. It is closely related to vapor pressure, but is dependent on pressure. The normal boiling point is the boiling point at atmospheric pressure, but it can also be reported at higher and lower pressures. The result in an overall stronger attractive force between the ethanol molecules, making it the less volatile substance of the two.
Молекулярная масса
В целом, летучесть обычно снижается с увеличением молекулярной массы, поскольку более крупные молекулы способны образовывать больше межмолекулярных связей, хотя другие факторы, такие как структура и полярность, также играют важную роль. Влияние молекулярной массы можно частично отделить, сравнивая вещества с похожей структурой (например, сложные эфиры, алканы и т.д.). Например, у линейных алканов летучесть уменьшается с увеличением числа атомов углерода в цепи.
In general, volatility tends to decrease with increasing molecular mass because larger molecules can participate in more intermolecular bonding, although other factors such as structure and polarity play a significant role. The effect of molecular mass can be partially isolated by comparing chemicals of similar structure (i. e. esters, alkanes, etc.). For instance, linear alkanes exhibit decreasing volatility as the number of carbons in the chain increases.
Дестилляция
Знание о летучести часто полезно при разделении компонентов из смеси. Когда смесь сконденсированных веществ содержит несколько веществ с различной степенью летучести, температуру и давление можно регулировать таким образом, чтобы более летучие компоненты переходили в газообразное состояние, а менее летучие оставались в жидкой или твердой фазе. Образовавшийся пар можно затем удалить или сконденсировать в отдельную емкость. Если пары собираются, этот процесс называется дистилляцией. В процессе переработки нефти используется метод, известный как фракционная дистилляция, позволяющий разделить несколько химических веществ с разной летучестью за один этап. Сырая нефть, поступающая на нефтеперерабатывающий завод, состоит из множества полезных химических веществ, которые необходимо разделить. Сырая нефть подается в дистилляционную колонну и нагревается, что позволяет более летучим компонентам, таким как бутан и керосин, испаряться. Эти пары поднимаются вверх по колонне и в конечном итоге контактируют с холодными поверхностями, что приводит к их конденсации и сбору. Наиболее летучие химические вещества конденсируются в верхней части колонны, а наименее летучие – в нижней.
Knowledge of volatility is often useful in the separation of components from a mixture. When a mixture of condensed substances contains multiple substances with different levels of volatility, its temperature and pressure can be manipulated such that the more volatile components change to a vapor while the less volatile substances remain in the liquid or solid phase. The newly formed vapor can then be discarded or condensed into a separate container. When the vapors are collected, this process is known as distillation. The process of petroleum refinement utilizes a technique known as fractional distillation, which allows several chemicals of varying volatility to be separated in a single step. Crude oil entering a refinery is composed of many useful chemicals that need to be separated. The crude oil flows into a distillation tower and is heated up, which allows the more volatile components such as butane and kerosene to vaporize. These vapors move up the tower and eventually come in contact with cold surfaces, which causes them to condense and be collected. The most volatile chemical condense at the top of the column while the least volatile chemicals to vaporize condense in the lowest portion.
Парфюм
Волатильность – важный фактор, который необходимо учитывать при создании парфюмерии. Человек ощущает запахи, когда ароматические пары контактируют с рецепторами в носу. Ингредиенты, которые быстро испаряются после нанесения, будут создавать ароматные пары непродолжительное время, прежде чем масла полностью испарятся. Медленно испаряющиеся ингредиенты могут оставаться на коже неделями или даже месяцами, но при этом могут не выделять достаточно паров для формирования сильного аромата. Чтобы избежать этих проблем, парфюмеры тщательно учитывают волатильность эфирных масел и других компонентов в составе парфюма. Оптимальная скорость испарения достигается путем регулирования количества используемых легколетучих и нелетучих ингредиентов.
Volatility is an important consideration when crafting perfumes. Humans detect odors when aromatic vapors come in contact with receptors in the nose. Ingredients that vaporize quickly after being applied will produce fragrant vapors for a short time before the oils evaporate. Slow evaporating ingredients can stay on the skin for weeks or even months, but may not produce enough vapors to produce a strong aroma. To prevent these problems, perfume designers carefully consider the volatility of essential oils and other ingredients in their perfumes. Appropriate evaporation rates are achieved by modifying the amount of highly volatile and non volatile ingredients used.