Pression de vapeur: notions de base et exemples

Introduction : Qu'est-ce que la pression de vapeur ?

La pression de vapeur est un terme essentiel de la thermodynamique et de la chimie physique qui décrit la pression d'équilibre d'une vapeur par rapport à sa forme liquide ou solide à une température donnée. Elle nous indique simplement la facilité avec laquelle une substance s'évapore. Un liquide à évaporation rapide a une pression de vapeur élevée (par exemple, l'acétone), tandis qu'un liquide à évaporation lente a une pression de vapeur faible (par exemple, le mercure).

Comment fonctionne la pression de vapeur ?

À n'importe quelle température, certaines molécules d'un liquide ont suffisamment d'énergie cinétique pour s'évaporer et passer à la phase vapeur. De plus en plus de molécules s'évaporent et certaines d'entre elles reviennent dans le processus de condensation. Au stade où le taux d'évaporation est égal au taux de condensation, le système est en équilibre - la pression de vapeur à une température donnée est décrite par cet équilibre. La dépendance exponentielle de la pression de vapeur par rapport à la température découle de l'équation de Clausius-Clapeyron.

Facteurs influençant la pression de vapeur

1. La température

La température a l'effet le plus direct sur la pression de vapeur. Avec l'augmentation de la température, l'énergie cinétique moléculaire augmente et davantage de molécules peuvent s'échapper de la phase liquide. Par exemple, la pression de vapeur de l'eau passe de 17,5 mmHg à 20°C à 760 mmHg à 100°C, où elle bout sous la pression atmosphérique standard.

2. Forces intermoléculaires

Des forces intermoléculaires plus importantes, telles que la liaison hydrogène ou les forces de van der Waals, diminuent la pression de vapeur. L'eau qui se lie à l'hydrogène possède une pression de vapeur beaucoup plus faible que l'acétone qui interagit faiblement entre dipôles et dipôles.

3. Nature de la substance

La forme de la molécule a également son importance. Les substances dont les molécules sont plus légères et moins polaires (éther diéthylique) ont une pression de vapeur plus élevée que celles dont les molécules sont plus lourdes ou plus fortement liées (glycérol ou mercure).

Méthodes de mesure de la pression de vapeur

1. Méthode manométrique

Il s'agit de la technique classique dans laquelle le liquide est contenu dans un récipient scellé et la pression de vapeur d'équilibre est mesurée directement à l'aide d'un manomètre une fois l'équilibre atteint. Elle permet d'obtenir des mesures précises à des pressions faibles ou modérées.

2. Méthode dynamique

Cette méthode permet de quantifier la pression de vapeur à partir de la variation du volume ou du poids du liquide en fonction du temps lorsque la vapeur est libérée. Elle s'applique principalement aux substances qui s'évaporent rapidement ou aux températures élevées.

3. Méthode par effusion

Le nombre de molécules de gaz s'échappant par un petit pore (effusion) varie linéairement avec la pression de vapeur. Cette méthode convient aux échantillons minuscules et aux substances volatiles.

4. Calculs de Clausius-Clapeyron

Pour la majorité des substances, la mesure directe n'est pas possible. La pression de vapeur à différentes températures est alors déterminée à partir de l'équation de Clausius-Clapeyron sur la base des points d'ébullition et de l'enthalpie de vaporisation déterminés expérimentalement.

Importance pratique de la pression de vapeur

1. Météorologie et climatologie

Latension de vapeur est directement liée à l'humidité, un paramètre essentiel pour les prévisions météorologiques et les précipitations. Par exemple, l'humidité relative (HR) est le rapport entre la pression réelle de la vapeur d'eau et la pression de la vapeur saturante à une température donnée. Une mesure précise de la pression de vapeur permet de prévoir les points de rosée, le brouillard et les précipitations.

2. Génie industriel et chimique

Dans les domaines de la pression de vapeur, de l'évaporation et de la séparation chimique, la pression de vapeur dicte la manière dont les choses se comporteront lors du chauffage et du refroidissement. Le raffinage du pétrole, par exemple, dépend des différences de pression de vapeur pour séparer des hydrocarbures tels que l'hexane et le toluène par distillation fractionnée.

Dans le domaine de la réfrigération, les réfrigérants tels que le R134a ou l'ammoniac sont sélectionnés en partie pour leurs propriétés de pression de vapeur - ils doivent s'évaporer et se condenser facilement dans une plage de pressions sûre.

3. Applications pharmaceutiques

Les formulations de médicaments contenant des composants volatils doivent tenir compte de la pression de vapeur pour garantir leur stabilité et leur durée de conservation. Par exemple, les gels antiseptiques à base d'éthanol utilisent des formulations avec des pressions de vapeur contrôlées pour équilibrer l'efficacité et le taux d'évaporation.

4. Science de l'environnement

La pression de vapeur détermine également la manière dont les contaminants, tels que les composés organiques volatils (COV), se comportent dans l'atmosphère. Les composés à haute pression de vapeur, comme le benzène ou l'acétone, contribuent de manière significative à la formation du smog et sont fortement contrôlés dans l'environnement.

Exemples et données

Ces figures illustrent la manière dont les forces moléculaires et la température affectent la volatilité. L'éther diéthylique, par exemple, bout très rapidement à température ambiante en raison de sa pression de vapeur élevée, tandis que le mercure n'est presque pas volatil, même à des températures élevées. Pour plus d'informations, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce que la pression de vapeur ?

La pression de vapeur est la pression d'une vapeur en équilibre avec son liquide ou son solide à une température donnée.

Comment l'augmentation de la température fait-elle augmenter la pression de vapeur ?

Parce que les molécules acquièrent de l'énergie cinétique et surmontent plus facilement les forces intermoléculaires, l'évaporation est plus importante.

Pourquoi l'eau n'est-elle pas aussi volatile que l'acétone ?

Les liaisons hydrogène élevées de l'eau nécessitent plus d'énergie pour être rompues et sont donc moins volatiles.

La pression de vapeur peut-elle prédire la volatilité ?

Oui. Une pression de vapeur plus élevée indique une plus grande volatilité et une évaporation plus rapide.

Pourquoi la pression de vapeur est-elle si importante pour les prévisions météorologiques ?

Elle est utilisée pour calculer l'humidité, le point de rosée et la condensation, ce qui est essentiel pour prévoir la pluie et le développement des nuages.