В химии летучесть – это качество материала, которое описывает , насколько легко вещество испаряется . При данной температуре и давлении вещество с высокой летучестью с большей вероятностью будет существовать в виде пара , тогда как вещество с низкой летучестью с большей вероятностью будет находиться в жидком или твердом состоянии . Летучесть также может описывать тенденцию пара конденсироваться в жидкость или твердое вещество; менее летучие вещества легче конденсируются из пара, чем легколетучие. [1] Различия в летучести можно наблюдать, сравнивая скорость испарения веществ внутри группы (или сублимации в случае твердых веществ) при воздействии атмосферы. Легколетучие вещества, такие как медицинский спирт ( изопропиловый спирт ), быстро испаряются, тогда как вещества с низкой летучестью, такие как растительное масло, остаются конденсированными. [2] В целом твердые вещества гораздо менее летучие, чем жидкости, но есть и некоторые исключения. Твердые вещества, которые сублимируются (переходят непосредственно из твердого состояния в пар), такие как сухой лед (твердый углекислый газ ) или йод , могут испаряться с той же скоростью, что и некоторые жидкости при стандартных условиях. [3]
Летучесть сама по себе не имеет определенного числового значения, но ее часто описывают с помощью давления пара или температуры кипения (для жидкостей). Высокое давление пара указывает на высокую летучесть, а высокие температуры кипения указывают на низкую летучесть. Давление паров и точки кипения часто представлены в таблицах и диаграммах, которые можно использовать для сравнения представляющих интерес химических веществ. Данные о волатильности обычно получают путем экспериментов в диапазоне температур и давлений.
Давление пара — это показатель того, насколько легко конденсированная фаза образует пар при данной температуре. Вещество, заключенное в герметичный сосуд, изначально находящееся в вакууме (без воздуха внутри), быстро заполнит паром любое пустое пространство. После того, как система достигнет равновесия и скорость испарения совпадет со скоростью конденсации, можно измерить давление пара. Повышение температуры увеличивает количество образующегося пара и, следовательно, давление пара. В смеси каждое вещество вносит свой вклад в общее давление паров смеси, при этом более летучие соединения вносят больший вклад.
Точка кипения — это температура, при которой давление пара жидкости равно окружающему давлению, что приводит к быстрому испарению или кипению жидкости. Оно тесно связано с давлением пара, но зависит от давления. Нормальной точкой кипения является точка кипения при атмосферном давлении, но ее также можно указать 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 тел, обычно не очень летучи. Этанол и диметиловый эфир , два химических вещества с одинаковой формулой (C 2 H 6 O), имеют разную летучесть из-за различных взаимодействий, которые происходят между их молекулами в жидкой фазе: молекулы этанола способны образовывать водородные связи , а молекулы диметилового эфира - нет. . [4] В результате общая сила притяжения между молекулами этанола становится более сильной, что делает его менее летучим веществом из этих двух.
В целом летучесть имеет тенденцию уменьшаться 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 можно частично выделить путем сравнения химических веществ схожей структуры (т.е. сложных эфиров, алканов и т. д.). Например, линейные алканы демонстрируют снижение летучести по мере увеличения числа атомов углерода в цепи.
Знание летучести часто бывает полезно при разделении компонентов из смеси. Когда смесь конденсированных веществ содержит несколько веществ с разным уровнем летучести, ее температурой и давлением можно управлять таким образом, чтобы более летучие компоненты превращались в пар, в то время как менее летучие вещества оставались в жидкой или твердой фазе. Вновь образовавшийся пар затем можно выбросить или конденсировать в отдельный контейнер. Когда пары собираются, этот процесс известен как дистилляция . [6]
В процессе очистки нефти используется метод, известный как фракционная перегонка , который позволяет разделить несколько химических веществ различной летучести за один этап. Сырая нефть, поступающая на нефтеперерабатывающий завод, состоит из множества полезных химикатов, которые необходимо отделять. Сырая нефть поступает в дистилляционную колонну и нагревается, что позволяет испаряться более летучим компонентам, таким как бутан и керосин . Эти пары поднимаются вверх по башне и в конечном итоге вступают в контакт с холодными поверхностями, что приводит к их конденсации и сбору. Наиболее летучие химические вещества конденсируются в верхней части колонны, а наименее летучие химические вещества, подлежащие испарению, конденсируются в самой нижней части. [1] Справа — рисунок, иллюстрирующий конструкцию перегонной башни .
Разница в летучести воды и этанола традиционно использовалась при очистке питьевого алкоголя . Чтобы увеличить концентрацию этанола в продукте, производители спирта нагревают исходную спиртовую смесь до температуры, при которой большая часть этанола испаряется, а большая часть воды остается жидкой. Затем пары этанола собираются и конденсируются в отдельном контейнере, в результате чего получается гораздо более концентрированный продукт. [7]
Летучесть является важным фактором при создании духов . Люди улавливают запахи , когда ароматические пары вступают в контакт с рецепторами носа. Ингредиенты, которые быстро испаряются после нанесения, на короткое время образуют ароматные пары, прежде чем испарятся масла. Медленно испаряющиеся ингредиенты могут оставаться на коже неделями или даже месяцами, но могут не выделять достаточно паров для создания сильного аромата. Чтобы предотвратить эти проблемы, дизайнеры парфюмерии тщательно учитывают летучесть эфирных масел и других ингредиентов своих духов. Соответствующие скорости испарения достигаются за счет изменения количества используемых легколетучих и нелетучих ингредиентов. [8]