En química , la volatilidad es una cualidad material que describe la facilidad con la que una sustancia se vaporiza . A una temperatura y presión determinadas , es más probable que una sustancia con alta volatilidad exista como vapor , mientras que una sustancia con baja volatilidad es más probable que sea un líquido o un sólido . La volatilidad también puede describir la tendencia de un vapor a condensarse en un líquido o un sólido; las sustancias menos volátiles se condensarán más fácilmente a partir de un vapor que las muy volátiles. [1] Las diferencias en la volatilidad se pueden observar comparando la rapidez con la que las sustancias dentro de un grupo se evaporan (o subliman en el caso de los sólidos) cuando se exponen a la atmósfera. Una sustancia muy volátil como el alcohol isopropílico se evaporará rápidamente, mientras que una sustancia con baja volatilidad como el aceite vegetal permanecerá condensada. [2] En general, los sólidos son mucho menos volátiles que los líquidos, pero hay algunas excepciones. Los sólidos que se subliman (pasan 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. [3]
La volatilidad en sí no tiene un valor numérico definido, pero a menudo se describe utilizando presiones de vapor o puntos de ebullición (para líquidos). Las presiones de vapor altas indican una alta volatilidad, mientras que los puntos de ebullición altos indican una baja volatilidad. Las presiones de vapor y los puntos de ebullición a menudo se presentan en tablas y gráficos que se pueden utilizar para comparar sustancias químicas de interés. Los datos de volatilidad generalmente se obtienen mediante experimentación en un rango de temperaturas y presiones.
La presión de vapor es una medida de la facilidad con la que una fase condensada forma vapor a una temperatura determinada. Una sustancia encerrada en un recipiente sellado inicialmente al vacío (sin aire en el interior) llenará rápidamente cualquier espacio vacío con vapor. Una vez que el sistema alcanza el equilibrio y la velocidad de evaporación coincide con la velocidad de condensación, se puede medir la presión de vapor. Al aumentar 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 realizan una contribución mayor.
El punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido es igual a la presión circundante, lo que hace que el líquido se evapore rápidamente o hierva. 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 registrar a presiones más altas y más bajas. [3]
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 a los materiales, y los materiales con fuerzas intermoleculares más fuertes , como la mayoría de los sólidos, normalmente no son muy volátiles. El etanol y el dimetiléter , dos sustancias químicas con la misma fórmula (C2H6O ) , tienen diferentes volatilidades debido a las diferentes interacciones que se producen entre sus moléculas en la fase líquida: las moléculas de etanol son capaces de formar enlaces de hidrógeno, mientras que las moléculas de dimetiléter no lo son. [4] El resultado es una fuerza de atracción general más fuerte entre las moléculas de etanol, lo que lo convierte en la sustancia menos volátil de las dos.
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, [5] aunque otros factores como la estructura y la polaridad desempeñan un papel importante. El efecto de la masa molecular se puede aislar parcialmente comparando sustancias químicas 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.
El conocimiento de la volatilidad suele ser útil para separar los componentes de una mezcla. Cuando una mezcla de sustancias condensadas contiene varias sustancias con diferentes niveles de volatilidad, su temperatura y presión se pueden manipular de forma que los componentes más volátiles se transformen en vapor mientras que las sustancias menos volátiles permanezcan en la fase líquida o sólida. El vapor recién formado se puede desechar o condensar en un recipiente aparte. Cuando se recogen los vapores, este proceso se conoce como destilación . [6]
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 entra en una refinería está compuesto de muchos productos químicos útiles que necesitan ser separados. 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 finalmente entran en contacto con superficies frías, lo que hace que se condensen y se recolecten. Los productos químicos más volátiles se condensan en la parte superior de la columna, mientras que los productos químicos menos volátiles que se vaporizan se condensan en la parte inferior. [1] 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 refinamiento del alcohol para beber . Para aumentar la concentración de etanol en el producto, los fabricantes de alcohol calentaban la mezcla de alcohol inicial a una temperatura en la que la mayor parte del etanol se vaporiza mientras que la mayor parte del agua permanece líquida. Luego, el vapor de etanol se recoge y se condensa en un recipiente separado, lo que da como resultado un producto mucho más concentrado. [7]
La volatilidad es un factor importante a tener en cuenta a la hora de elaborar perfumes . Los seres 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 su aplicación producirán vapores fragantes durante un breve periodo de 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 evitar estos problemas, los diseñadores de perfumes consideran cuidadosamente la volatilidad de los aceites esenciales y otros ingredientes de sus perfumes. Se consiguen tasas de evaporación adecuadas modificando la cantidad de ingredientes altamente volátiles y no volátiles utilizados. [8]