Flüchtigkeit (Chemie)

In der Chemie bezeichnet Flüchtigkeit eine Materialeigenschaft, die beschreibt, wie leicht ein Stoff verdampft . Bei gegebener Temperatur und gegebenem Druck liegt ein Stoff mit hoher Flüchtigkeit eher als Dampf vor , während ein Stoff mit geringer Flüchtigkeit eher flüssig oder fest ist . Flüchtigkeit beschreibt auch die Tendenz eines Dampfes, zu einer Flüssigkeit oder einem Feststoff zu kondensieren ; weniger flüchtige Stoffe kondensieren leichter aus dem Dampf als leicht flüchtige. ^{[ 1 ]} Unterschiede in der Flüchtigkeit lassen sich beobachten, indem man vergleicht, wie schnell Stoffe innerhalb einer Gruppe verdampfen (oder im Falle von Feststoffen sublimieren ) , wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt sind. Ein leicht flüchtiger Stoff wie Isopropylalkohol verdampft schnell, während ein Stoff mit geringer Flüchtigkeit wie Pflanzenöl kondensiert bleibt. ^{[ 2 ]} Im Allgemeinen sind Feststoffe viel weniger flüchtig als Flüssigkeiten, es gibt jedoch Ausnahmen. Feststoffe, die sublimieren (direkt vom festen in den gasförmigen Zustand übergehen), wie beispielsweise Trockeneis (festes Kohlendioxid) oder Iod, können unter Standardbedingungen mit einer ähnlichen Geschwindigkeit verdampfen wie einige Flüssigkeiten. ^{[ 3 ]}

Die Flüchtigkeit selbst besitzt keinen definierten Zahlenwert, wird aber häufig anhand von Dampfdrücken oder Siedepunkten (bei Flüssigkeiten) beschrieben. Hohe Dampfdrücke deuten auf eine hohe Flüchtigkeit hin, hohe Siedepunkte hingegen auf eine geringe. Dampfdrücke und Siedepunkte werden oft in Tabellen und Diagrammen dargestellt, die zum Vergleich verschiedener Chemikalien verwendet werden können. Flüchtigkeitsdaten werden typischerweise durch Experimente über einen weiten Temperatur- und Druckbereich ermittelt.

Der Dampfdruck ist ein Maß dafür, wie schnell eine kondensierte Phase bei einer bestimmten Temperatur verdampft. Eine Substanz, die sich anfänglich in einem luftleeren, verschlossenen Gefäß befindet, füllt jeden Hohlraum schnell mit Dampf. Sobald das System ein Gleichgewicht erreicht hat und die Verdampfungsrate der Kondensationsrate entspricht, kann der Dampfdruck gemessen werden. Eine Temperaturerhöhung führt zu einer höheren Dampfmenge und damit zu einem höheren Dampfdruck. In einem Gemisch trägt jede Substanz zum Gesamtdampfdruck des Gemisches bei, wobei flüchtigere Verbindungen einen größeren Beitrag leisten.

Der Siedepunkt ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck einer Flüssigkeit dem Umgebungsdruck entspricht, wodurch die Flüssigkeit rasch verdampft oder siedet. Er steht in engem Zusammenhang mit dem Dampfdruck, ist aber druckabhängig. Der Normalsiedepunkt ist der Siedepunkt bei Atmosphärendruck , kann aber auch bei höheren und niedrigeren Drücken angegeben werden. ^{[ 3 ]}

Ein wichtiger Faktor, der die Flüchtigkeit eines Stoffes beeinflusst, ist die Stärke der Wechselwirkungen zwischen seinen Molekülen. Anziehungskräfte zwischen Molekülen halten Stoffe zusammen, und Stoffe mit stärkeren intermolekularen Kräften , wie die meisten Feststoffe, sind typischerweise nicht sehr flüchtig. Ethanol und Dimethylether , zwei Chemikalien mit der gleichen Summenformel (C₂H₆O _{) , weisen unterschiedliche Flüchtigkeiten auf ,} da in der flüssigen Phase unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen ihren Molekülen auftreten: Ethanolmoleküle können Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden , Dimethylethermoleküle hingegen nicht. ^{[ 4 ]} Dies führt zu einer insgesamt stärkeren Anziehungskraft zwischen den Ethanolmolekülen, wodurch Ethanol die weniger flüchtige der beiden Substanzen ist.

Im Allgemeinen nimmt die Flüchtigkeit mit zunehmender Molekülmasse ab , da größere Moleküle mehr intermolekulare Bindungen eingehen können ^{[ 5 ]} , obwohl auch andere Faktoren wie Struktur und Polarität eine wichtige Rolle spielen. Der Einfluss der Molekülmasse lässt sich teilweise isolieren, indem man Verbindungen mit ähnlicher Struktur (z. B. Ester , Alkane usw.) vergleicht. So weisen beispielsweise lineare Alkane eine abnehmende Flüchtigkeit auf, je mehr Kohlenstoffatome die Kette enthält.

Kenntnisse über die Flüchtigkeit von Stoffen sind oft hilfreich bei der Trennung von Komponenten aus einem Gemisch. Enthält ein Gemisch kondensierter Stoffe mehrere Substanzen mit unterschiedlicher Flüchtigkeit, lassen sich Temperatur und Druck so einstellen, dass die flüchtigeren Komponenten verdampfen, während die weniger flüchtigen Substanzen flüssig oder fest bleiben. Der entstehende Dampf kann dann entweder verworfen oder in einem separaten Behälter kondensiert werden. Das Auffangen der Dämpfe wird als Destillation bezeichnet . ^{[ 6 ]}

Bei der Erdölraffination wird ein Verfahren namens fraktionierte Destillation eingesetzt , mit dem sich verschiedene chemische Verbindungen unterschiedlicher Flüchtigkeit in einem einzigen Schritt trennen lassen. Das in eine Raffinerie gelangende Rohöl besteht aus vielen wertvollen chemischen Verbindungen, die getrennt werden müssen. Das Rohöl fließt in einen Destillationsturm und wird erhitzt, wodurch die flüchtigeren Komponenten wie Butan und Kerosin verdampfen. Diese Dämpfe steigen im Turm nach oben und kondensieren schließlich an kalten Oberflächen, um aufgefangen zu werden. Die flüchtigsten chemischen Verbindungen kondensieren am Kopf der Kolonne, während die weniger flüchtigen Verbindungen im unteren Bereich kondensieren. ^{[ 1 ]}

Der Unterschied in der Flüchtigkeit von Wasser und Ethanol wird seit Langem zur Herstellung konzentrierter alkoholischer Getränke (viele davon werden als „ Liköre “ bezeichnet) genutzt. Um die Ethanolkonzentration im Produkt zu erhöhen, erhitzen Getränkehersteller die Ausgangsmischung auf eine Temperatur, bei der der größte Teil des Ethanols verdampft, während der größte Teil des Wassers flüssig bleibt. Der Ethanoldampf wird anschließend aufgefangen und in einem separaten Behälter kondensiert, wodurch ein deutlich konzentrierteres Produkt entsteht. ^{[ 7 ]}

Die Flüchtigkeit spielt bei der Parfümherstellung eine wichtige Rolle . Menschen nehmen Gerüche wahr , wenn aromatische Dämpfe mit den Rezeptoren in der Nase in Kontakt kommen. Inhaltsstoffe, die nach dem Auftragen schnell verdunsten, erzeugen kurzzeitig Duftdämpfe, bevor die Öle verdunsten. Langsam verdunstende Inhaltsstoffe können wochen- oder sogar monatelang auf der Haut verbleiben, produzieren aber möglicherweise nicht genügend Dämpfe für einen intensiven Duft. Um diese Probleme zu vermeiden, achten Parfümeure sorgfältig auf die Flüchtigkeit der ätherischen Öle und anderer Inhaltsstoffe ihrer Parfüms. Angemessene Verdunstungsraten werden durch die Anpassung der Mengen an leichtflüchtigen und nichtflüchtigen Inhaltsstoffen erreicht. ^{[ 8 ]}

Chemische Waffen lassen sich je nach ihrer Flüchtigkeit in persistente und nicht-persistente Kampfstoffe einteilen . Je flüchtiger ein Kampfstoff ist, desto schneller verdunstet und verteilt er sich und stellt möglicherweise nur für einen begrenzten Zeitraum eine Gefahr dar. Persistente Kampfstoffe verursachen eine großflächige Kontamination und können zur Gebietsverweigerung eingesetzt werden, indem Engpässe oder das Hinterland des Schlachtfelds verseucht werden . Zu den flüchtigen und nicht-persistenten chemischen Waffen zählen die frühen Nervenkampfstoffe der G-Serie , darunter Tabun , Sarin und Soman . Weniger flüchtige und persistentere chemische Waffen sind Senfgas , die Nervenkampfstoffe der V-Serie , darunter VX und VR , sowie die Nervenkampfstoffe der Nowitschok- Serie. ^{[ 9 ]}

• Clausius-Clapeyron-Gleichung  – Zusammenhang zwischen Dampfdruck und Temperatur
• Destillation  – Verfahren zur Trennung von Gemischen
• Fraktionierte Destillation  – Trennung eines Gemisches in seine Bestandteile
• Partialdruck  – Druck eines Gasbestandteils in einem Gemisch
• Raoultsches Gesetz  – Gesetz der Thermodynamik für den Dampfdruck eines Gemisches
• Relative Volatilität  – Vergleich der Volatilität von Komponenten in einer Lösung
• Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht  – Konzentration eines Dampfes im Kontakt mit seiner Flüssigkeit
• Flüchtige organische Verbindungen  – Organische Chemikalien mit hohem Dampfdruck bei Raumtemperatur

• Volatilitätsdaten von ilpi.com