В химии летучесть — это качество материала, которое описывает , насколько легко вещество испаряется . При заданной температуре и давлении вещество с высокой летучестью, скорее всего, будет существовать в виде пара , в то время как вещество с низкой летучестью, скорее всего, будет жидкостью или твердым телом . Летучесть также может описывать тенденцию пара конденсироваться в жидкость или твердое тело; менее летучие вещества будут легче конденсироваться из пара, чем высоколетучие. [1] Различия в летучести можно наблюдать, сравнивая, как быстро вещества в пределах группы испаряются (или сублимируются в случае твердых веществ) при воздействии атмосферы. Высоколетучее вещество, такое как медицинский спирт ( изопропиловый спирт ), быстро испаряется, в то время как вещество с низкой летучестью, такое как растительное масло , останется конденсированным. [2] В целом, твердые вещества гораздо менее летучи, чем жидкости, но есть некоторые исключения. Твердые вещества, которые сублимируются (переходят из твердого состояния непосредственно в пар), такие как сухой лед (твердый диоксид углерода ) или йод, могут испаряться с такой же скоростью, как некоторые жидкости при стандартных условиях. [3]
Летучесть сама по себе не имеет определенного числового значения, но ее часто описывают с помощью давления паров или точек кипения (для жидкостей). Высокое давление паров указывает на высокую летучесть, в то время как высокие точки кипения указывают на низкую летучесть. Давление паров и точки кипения часто представлены в таблицах и диаграммах, которые можно использовать для сравнения интересующих химических веществ. Данные о летучести обычно находятся путем экспериментов в диапазоне температур и давлений.
Давление пара — это мера того, насколько легко конденсированная фаза образует пар при заданной температуре. Вещество, заключенное в герметичный сосуд, изначально находящийся в вакууме (без воздуха внутри), быстро заполнит любое пустое пространство паром. После того, как система достигнет равновесия и скорость испарения сравняется со скоростью конденсации, можно измерить давление пара. Повышение температуры увеличивает количество образующегося пара и, следовательно, давление пара. В смеси каждое вещество вносит вклад в общее давление пара смеси, причем более летучие соединения вносят больший вклад.
Температура кипения — это температура, при которой давление паров жидкости равно окружающему давлению, заставляя жидкость быстро испаряться или кипеть. Она тесно связана с давлением паров, но зависит от давления. Нормальная точка кипения — это точка кипения при атмосферном давлении, но ее также можно определить при более высоких и более низких давлениях. [3]
Важным фактором, влияющим на летучесть вещества, является сила взаимодействия между его молекулами. Силы притяжения между молекулами — это то, что удерживает материалы вместе, а материалы с более сильными межмолекулярными силами , такие как большинство твердых веществ, обычно не очень летучи. Этанол и диметиловый эфир , два химических вещества с одинаковой формулой (C2H6O ) , имеют разную летучесть из-за разных взаимодействий, которые происходят между их молекулами в жидкой фазе : молекулы этанола способны образовывать водородные связи , а молекулы диметилового эфира — нет. [4] Результатом является общая более сильная сила притяжения между молекулами этанола, что делает его менее летучим веществом из двух.
В целом, летучесть имеет тенденцию к снижению с увеличением молекулярной массы , поскольку более крупные молекулы могут участвовать в большем количестве межмолекулярных связей, [5] хотя другие факторы, такие как структура и полярность, играют значительную роль. Влияние молекулярной массы может быть частично изолировано путем сравнения химических веществ с похожей структурой (т. е. эфиров, алканов и т. д.). Например, линейные алканы демонстрируют снижение летучести по мере увеличения числа атомов углерода в цепи.
Знание летучести часто полезно при разделении компонентов из смеси. Когда смесь конденсированных веществ содержит несколько веществ с разным уровнем летучести, ее температуру и давление можно изменять таким образом, чтобы более летучие компоненты переходили в пар, а менее летучие вещества оставались в жидкой или твердой фазе. Затем вновь образованный пар можно выбросить или сконденсировать в отдельный контейнер. Когда пары собираются, этот процесс называется дистилляцией . [6]
Процесс переработки нефти использует технологию, известную как фракционная перегонка , которая позволяет разделять несколько химических веществ с различной летучестью за один шаг. Сырая нефть, поступающая на нефтеперерабатывающий завод, состоит из множества полезных химических веществ, которые необходимо разделить. Сырая нефть поступает в дистилляционную колонну и нагревается, что позволяет более летучим компонентам, таким как бутан и керосин, испаряться. Эти пары движутся вверх по колонне и в конечном итоге вступают в контакт с холодными поверхностями, что заставляет их конденсироваться и собираться. Наиболее летучие химические вещества конденсируются в верхней части колонны, в то время как наименее летучие химические вещества, которые нужно испарять, конденсируются в самой нижней части. [1] Справа находится изображение, иллюстрирующее конструкцию дистилляционной колонны .
Разница в летучести между водой и этанолом традиционно использовалась при очистке питьевого алкоголя . Чтобы увеличить концентрацию этанола в продукте, производители алкоголя нагревали исходную спиртовую смесь до температуры, при которой большая часть этанола испарялась, а большая часть воды оставалась жидкой. Затем пары этанола собирались и конденсировались в отдельной емкости, в результате чего получался гораздо более концентрированный продукт. [7]
Летучесть является важным фактором при создании духов . Люди чувствуют запахи , когда ароматические пары контактируют с рецепторами в носу. Ингредиенты, которые быстро испаряются после нанесения, будут производить ароматные пары в течение короткого времени, прежде чем масла испарятся. Медленно испаряющиеся ингредиенты могут оставаться на коже в течение недель или даже месяцев, но могут не производить достаточно паров для создания сильного аромата. Чтобы предотвратить эти проблемы, дизайнеры духов тщательно учитывают летучесть эфирных масел и других ингредиентов в своих духах. Соответствующие скорости испарения достигаются путем изменения количества используемых высоколетучих и нелетучих ингредиентов. [8]