فشار بخار و فراریت متانول

مقدمه

متانول یک مایع بسیار فرار هستند که به خاطر فشار بخار قابل ملاحظه خود حتی در دمای محیط شناخته می شود. این الکل ساده (CH3OH) بی رنگ و اشتعال پذیر است و نقطه جوش پایینی (حدود ۶۵ درجه سانتی گراد) دارد که باعث می شوند به آسانی تبخیر شود. در نتیجه، متانول به طور گسترده به عنوان حلال صنعتی، افزودنی سوخت و ماده اولیه شیمیایی استفاده می شود. به‌ ویژه در بخش بازرگانی و تأمین مواد شیمیایی، موضوع خرید حواله متانول تهران به دلیل حساسیت بالا در جابجایی و ذخیره‌ سازی این ماده، ارتباط مستقیم با همین ویژگی‌ های فراریت و فشار بخار دارد. درک فشار بخار و فراریت متانول برای جابجایی و ذخیره‌ سازی ایمن این ماده شیمیایی ضروری است. در این بررسی جامع، ویژگی های فشار بخار متانول، عوامل مؤثر بر فراریت آن، مقایسه ها با سایر مواد و اثرات عملی تمایل آن به تبخیر به طور کامل بررسی خواهد شد.

مروری بر متانول و ویژگی های آن

متانول که به عنوان الکل متیلیک یا الکل چوب نیز شناخته می شود، ساده‌ ترین الکل با فرمول CH3OH است. این ماده در دمای اتاق یک مایع سبک و قطبی است. از ویژگی های فیزیکی مهم متانول می‌ توان به نقطه ذوب ۹۷٫۶- درجه سانتی گراد و نقطه جوش حدود ۶۵ درجه سانتی گراد اشاره کرد که بسیار پایین تر از نقطه جوش آب است. متانول به طور کامل در آب و اغلب حلال های آلی حل می شود. به دلیل ساختار شیمیایی خود (مولکول کوچک تک کربنه با یک گروه هیدروکسیل)، نیروهای بین مولکولی ضعیف تری نسبت به مایعات بزرگ تر یا دارای پیوند هیدروژنی گسترده دارد. در نتیجه، متانول به سرعت تبخیر می شود و به عنوان یک ترکیب آلی فرار طبقه ‌بندی می گردد. بخارات آن قابل اشتعال بوده و با شعله تقریباً نامرئی می سوزند. این ویژگی های ذاتی متانول را در صنعت بسیار مفید می کند اما به دلیل فراریت و سمی بودن آن نیاز به احتیاط نیز وجود دارد.

تعریف فشار بخار و فراریت

فشار بخار، فشاری است که توسط بخار یک مایع ایجاد می شود وقتی مایع و بخارش در یک دمای معین در حالت تعادل باشند. به بیان ساده، فشار بخار معیاری برای سرعت تبخیر یک مایع است؛ فشار بخار بالاتر یعنی ماده آسان تر به بخار تبدیل می شود. فراریت به تمایل یک ماده به تبخیر شدن اشاره دارد. یک مایع با فراریت زیاد در دمای اتاق فشار بخار بالایی دارد، به این معنی که بدون نیاز به گرم شدن مقدار قابل توجهی بخار تولید می کند. هر دو کمیت فشار بخار و فراریت با افزایش دما بیشتر می شوند، زیرا مولکول‌ های بیشتری انرژی کافی برای گریز از فاز مایع را به دست می آورند. متانول نمونه آشکاری از یک مایع فرار است: در شرایط استاندارد به سرعت بخار تولید می کند. در مقابل، یک مایع کم فرار مانند آب در همان دما فشار بخار بسیار کمتری دارد. درک این مفاهیم پایه ای است تا بفهمیم چرا متانول هنگام قرار گرفتن در معرض هوا یا نگهداری در ظروف، چنین رفتاری از خود نشان می دهد.

فشار بخار متانول در شرایط استاندارد

در دمای معمول اتاق (حدود ۲۰ درجه سانتی گراد)، متانول فشار بخاری در حدود ۱۲ تا ۱۳ کیلوپاسکال (معادل ۹۰ تا ۱۰۰ میلی‌متر جیوه) ایجاد می کند. این فشار بخار نسبت به بسیاری از مایعات رایج، رقم بالایی به شمار می آید. به عنوان مقایسه، فشار بخار آب در ۲۰ درجه سانتی گراد حدود ۲٫۳ کیلوپاسکال است که نشان می دهد متانول به مراتب راحت تر از آب بخار تولید می کند. فشار بخار قابل توجه متانول در دمای محیط به این معنی است که اگر ظرف محتوی متانول باز بماند، مایع آن به سرعت در هوا تبخیر خواهد شد. حتی در دمای ۰ درجه سانتی گراد نیز متانول فشار بخار محسوسی دارد که نشان می دهد می تواند در شرایط سرد هم بخارات قابل اشتعال ایجاد کند. فشار بخار بالای متانول در شرایط استاندارد مستقیماً با نقطه جوش پایین آن مرتبط است. در واقع، در دمای اتاق تعداد زیادی از مولکول ‌های متانول انرژی کافی برای فرار به فاز گاز را دارند و این باعث حضور چشمگیر بخار بالای سطح مایع می شود. این ویژگی اساس بسیاری از کاربردهای عملی متانول و همچنین مخاطرات آن است، زیرا به راحتی بخاری تشکیل می دهد که می تواند مشتعل شود یا استنشاق گردد.

تأثیر دما بر فشار بخار متانول

دما تأثیر چشمگیری بر فشار بخار متانول دارد. با افزایش دما، فشار بخار متانول به صورت نمایی بالا می رود. برای مثال در ۱۰ درجه سانتی گراد فشار بخار حدود ۱۰ کیلوپاسکال است؛ در ۳۰ درجه سانتی گراد به حدود ۲۵ کیلوپاسکال می رسد؛ و در ۵۰ درجه سانتی گراد فشار بخار متانول به تقریبا ۵۳ کیلوپاسکال جهش می کند که بیش از نصف فشار جو نرمال است. هنگامی که دما به نقطه جوش متانول (حدود ۶۴٫۷ درجه سانتی گراد در ۱ اتمسفر) می رسد، فشار بخار آن معادل فشار محیط (حدود ۱۰۱ کیلوپاسکال) می شود و مایع به شدت شروع به جوشیدن می کند. این افزایش نمایی را می توان با رابطه کلازیوس-کلپیرون یا معادله آنتوان توصیف کرد که وابستگی فشار بخار به دما را مدل سازی می کنند. به زبان ساده، حتی اندکی گرم شدن می تواند تبخیر متانول را به طور قابل توجهی بیشتر کند. یک مخزن متانول در زیر آفتاب یا یک اتاق گرم فشار درون خود را بسیار سریع تر افزایش می دهد و بخار بیشتری آزاد می کند نسبت به حالتی که در محیط خنک تری باشد. دانستن وابستگی فشار بخار به دما برای ذخیره‌ سازی و استفاده از متانول مهم است: سرد نگه داشتن می تواند تبخیر را سرکوب کند، در حالی که گرما دادن آن را تسریع خواهد کرد.

نقطه جوش متانول و تبخیر

نقطه جوش نرمال متانول تقریباً ۶۴٫۷ درجه سانتی گراد است که نسبت به بسیاری از حلال‌ های دیگر بسیار پایین است. نقطه جوش دمایی است که در آن فشار بخار مایع با فشار اتمسفر برابر می شود و در نتیجه تغییر فاز (جوشیدن) در سراسر مایع رخ می دهد. نقطه جوش پایین متانول به این معنی است که برای به جوش آمدن نیازی به گرمای زیادی ندارد؛ در واقع، در دماهای معمولی نیز اختلاف چندانی با آستانه جوش خود ندارد. در مقابل، آب (با نقطه جوش ۱۰۰ درجه سانتی گراد) برای جوشیدن به گرمای بسیار بیشتری نیاز دارد. به همین دلیل، چون متانول در دمای نسبتاً کمی می جوشد، تبخیر سطحی آن (تبخیر در دماهای زیر نقطه جوش) نیز در دمای اتاق به شدت انجام می شود. در هوای آزاد، حجم معینی از متانول حتی بدون رسیدن به جوش، به سرعت کاهش می یابد زیرا به بخار تبدیل می شود. همین رفتار حرارتی، اهمیت بررسی نقطه جوش و نقطه انجماد متانول و مقایسه آن با اتانول را دوچندان می‌ کند، زیرا اختلاف این پارامترها بین دو الکل مستقیماً تعیین می‌ کند که کدام‌ یک در فرآیندهای تبخیر، تقطیر یا شرایط محیطی ناپایدار، واکنش‌ پذیری یا فراریت بیشتری نشان می‌ دهد. نقطه جوش پایین مستقیماً نتیجه ویژگی‌ های مولکولی متانول و نیروهای بین مولکولی آن است برای تبدیل متانول مایع به بخار به انرژی کمتری نسبت به مواد کم تر فرار نیاز است. این امر باعث می شود متانول در فرآیندهایی مثل تقطیر (می توان آن را در دماهای پایین تری تقطیر کرد) بسیار کاربردی باشد و همچنین توضیح می دهد چرا باید با دقت با متانول رفتار کرد: حتی گرمای متوسط یا کاهش جزئی فشار می تواند باعث جوشیدن یا تبدیل ناگهانی آن به بخار شود.

عوامل مولکولی مؤثر بر فراریت متانول

فراریت متانول ریشه در ویژگی‌ های مولکولی و نیروهای بین مولکولی آن دارد. از نظر شیمیایی، متانول از یک گروه متیل متصل به یک گروه هیدروکسیل تشکیل شده است. این ساختار بدان معنی است که متانول می تواند پیوند هیدروژنی برقرار کند از طریق گروه –OH، اما تنها به میزان محدودی در مقایسه با مولکول‌هایی مثل آب. آب می تواند شبکه متراکمی از پیوندهای هیدروژنی ایجاد کند (هر مولکول آب می تواند چهار پیوند هیدروژنی تشکیل دهد)، در حالی که مولکول‌های متانول معمولاً تعداد کمتری پیوند هیدروژنی به ازای هر مولکول تشکیل می دهند. گروه متیل (CH3) در متانول غیرقطبی است و در پیوند هیدروژنی شرکت نمی کند که این امر نیز جاذبه بین مولکولی کلی را بیشتر کاهش می دهد. در نتیجه، نیروهایی که مولکول ‌های متانول را در حالت مایع کنار هم نگه می دارند ضعیف ‌تر از نیروهای در آب یا الکل‌ های زنجیره بلندتر هستند. متانول همچنین جرم مولکولی کمی دارد (۳۲ گرم/مول) بنابراین مولکول ‌های آن به سرعت حرکت می کنند و به راحتی از مایع می گریزند. این عوامل باعث می شوند که متانول گرمای تبخیر نسبتاً پایینی داشته باشد (حدود ۳۵ تا ۳۷ کیلوژول بر مول که به طور قابل توجهی کمتر از حدود ۴۰٫۷ کیلوژول بر مول آب است). خلاصه اینکه ترکیب قابلیت اندک در پیوند هیدروژنی و جرم مولی پایین باعث می شود مولکول ‌های متانول تمایل زیادی به ورود به فاز بخار داشته باشند. متانول فقط یک –OH برای پیوند هیدروژنی دارد، بنابراین نمی توانند به اندازه آب پیوند هیدروژنی گسترده تشکیل دهند و همین مسئله منجر به فراریت بسیار بیشتر آن شده است.

متانول در برابر اتانول: مقایسه فراریت

اتانول (C2H5OH) الکل بزرگ تر بعد از متانول است و مقایسه این دو درک بهتری از میزان فراریت ‌شان می دهد. به طور کلی متانول از اتانول فرارتر است. نقطه جوش اتانول حدود ۷۸٫۳ درجه سانتی گراد است که به طور قابل توجهی بالاتر از نقطه جوش ۶۴٫۷ درجه سانتی گراد متانول می باشد. در دمای ۲۰ درجه سانتی گراد، فشار بخار اتانول در حدود ۵٫۹ کیلوپاسکال (نزدیک ۴۴ میلی‌متر جیوه) است که تنها تقریباً نصف فشار بخار متانول در همان دما است. این بدان معناست که تحت شرایط یکسان، متانول سریع تر از اتانول تبخیر می شود. علت این اختلاف به اندازه مولکولی و نوع پیوندها برمی گردد: مولکول اتانول ساختار بزرگ‌تری دارد (دو اتم کربن) و نیروهای پراکندگی کمی قوی ‌تری دارد؛ اتانول نیز مانند متانول یک گروه –OH برای پیوند هیدروژنی دارد، اما اضافه شدن کربن اضافی به مولکول باعث افزایش برهم ‌کنش‌ های بین مولکولی می شود. در نتیجه، تبخیر اتانول به انرژی بیشتری نیاز دارد و به همین دلیل در یک دمای مشخص فشار بخار کمتری نسبت به متانول دارد. به بیان عملی، مخلوطی از متانول و اتانول تمایل خواهد داشت بخش متانولی خود را سریع ‌تر به فاز بخار از دست بدهد زیرا مولکول‌ های متانول آسان تر می گریزند. هر دو این مواد کاملاً با هم امتزاج پذیرند و خواص مشابهی دارند (هر دو الکل قطبی و قابل اشتعال هستند)، اما تفاوت در فراریت آن‌ ها به اندازه‌ ای است که وجود متانول می تواند ترکیب بخار را تحت سلطه خود قرار دهد. این یکی از دلایلی است که مخاطرات اشتعال متانول اندکی بیشتر است بخار آن راحت تر تجمع می یابد. برای مثال نقطه اشتعال متانول حدود ۱۱ تا ۱۲ درجه سانتی گراد است در حالی که برای اتانول حدود ۱۳ درجه سانتی گراد می باشد که بازتاب دهنده تمایل بیشتر متانول به تشکیل بخار قابل اشتعال است.

متانول و آب: تفاوت‌های فشار بخار

آب و متانول از نظر میزان فراریت تفاوت ‌های چشمگیری دارند. با وجود اینکه جرم مولکولی آب (۱۸ گرم/مول) کمتر از متانول (۳۲ گرم/مول) است، آب به مراتب کم فرارتر است. در ۲۰ درجه سانتی گراد فشار بخار آب (حدود ۲٫۳ کیلوپاسکال) تنها حدود یک پنجم فشار بخار متانول (حدود ۱۲ کیلوپاسکال) می باشد. دلیل اصلی این تفاوت پیوندهای هیدروژنی است: مولکول ‌های آب می توانند پیوندهای هیدروژنی قوی و متعددی با یکدیگر تشکیل دهند و ساختار مایع به هم پیوسته ای ایجاد کنند. متانول همان طور که بحث شد، ظرفیت بسیار محدودتری در پیوند هیدروژنی دارد. نقطه جوش آب (۱۰۰ درجه سانتی گراد) نیز بسیار بالاتر از نقطه جوش ۶۵ درجه سانتی گراد متانول است که گویای قدرت بیشتر نیروهای بین مولکولی در آب می باشد. به طور عملی این یعنی یک قطره متانول خیلی سریع تر از همان مقدار آب در شرایط یکسان تبخیر می شود. اگر حجم برابری آب و متانول در معرض هوا قرار گیرند، متانول تحت آن شرایط خیلی زودتر ناپدید خواهد شد. پیامد دیگر این وضعیت، غلظت بخار است: متانول می تواند در یک دمای مشخص تعداد مولکول‌های بیشتری در هوا ایجاد کند در مقایسه با آب. جالب اینکه وقتی متانول و آب با هم مخلوط می شوند، فشار بخار محلول حاصل پایین تر از فشار بخار متانول خالص (و بالاتر از فشار بخار آب خالص) خواهد بود و این به دلیل تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین دو مولکول متفاوت است. به طور کلی، فراریت کم آب باعث می شود که از نظر تشکیل بخار نسبتاً ایمن تر باشد (آب قابل اشتعال نیست و به راحتی فشار ایجاد نمی کند)، در حالی که فشار بخار بالای متانول ایجاب می کند که برای جلوگیری از تجمع بخارات آن، کنترل دقیقی اعمال شود.

مقایسه فراریت متانول با مایعات متداول دیگر

با مقایسه فراریت متانول با چند مایع معمول دیگر می توان درک بهتری از جایگاه آن داشت. استون به عنوان نمونه، حلالی حتی فرارتر از متانول است که نقطه جوش ۵۶ درجه سانتی گراد و فشار بخار بسیار بالایی (حدود ۲۴ کیلوپاسکال در ۲۰ درجه سانتی گراد) دارد. از سوی دیگر، آب دارای فشار بخار اندک و نقطه جوش بالا است. جدول زیر مشخصات کلیدی مرتبط با فراریت را برای متانول و چند مایع دیگر نشان می دهد:

از داده ‌های بالا می بینیم که استون بالاترین فراریت را دارد (پایین‌ ترین نقطه جوش و بالاترین فشار بخار)، آب کمترین فراریت را دارد و دو الکل مورد بحث در حد وسط قرار می گیرند. ویژگی‌ های مقایسه شده نشان می دهند که متانول از جمله مایعات بسیار فرار به شمار می رود و فقط کمی نسبت به استون فشار بخار کمتری دارد. نقاط اشتعال مقایسه شده نشان می دهند که استون در دماهای بسیار پایین تری نسبت به متانول یا اتانول مشتعل می شود که با تولید بخار فراوان آن سازگار است. این مقایسه‌ ها روشن می سازد که چرا در هنگام کار با متانول (که رفتاری شبیه حلال‌ های سریع التبخیر آلی دارد) باید احتیاط ‌هایی مشابه با کار با موادی مثل استون رعایت کرد، نه مانند آب چون متانول از نظر بخاردهی بیشتر شبیه مایعات آلی فرار است تا آب.

کاربردهای صنعتی مبتنی بر فراریت متانول

فراریت بالای متانول در بسیاری از کاربردهای صنعتی و تجاری مزیت محسوب می شود. یکی از کاربردهای مهم متانول به عنوان سوخت یا اجزای سوخت است: متانول در موتورهای مسابقه ‌ای خاص استفاده شده و در مخلوط سوخت‌ های پاک تر مورد توجه قرار گرفته است. فراریت آن باعث می شود که در کاربراتور ها و انژکتور ها به راحتی تبخیر شود و احتراق کارآمدی داشته باشد (هرچند در شرایط بسیار سرد، فشار بخار کمتر آن نسبت به بنزین خالص می تواند روشن کردن موتور را سخت تر کند). متانول همچنین به عنوان حلال در فرآیندهای شیمیایی و آزمایشگاهی به کار می رود؛ چون به سرعت تبخیر می شود و باقی مانده کمی بر جا می گذارد، برای تمیزکاری و استخراج بسیار مفید است. در صنایع رنگ و پوشش، فراریت سریع متانول می تواند به خشک شدن سریع جوهر ها یا رنگ ها کمک کند (هرچند غالباً اتانول یا حلال‌ های دیگر نیز به همراه آن استفاده می شوند). حوزه دیگر استفاده از متانول به عنوان عامل ضد یخ در شیشه شوی خودروها و خطوط انتقال گاز طبیعی است فراریت و نقطه انجماد پایین متانول باعث می شود که بدون باقی گذاشتن یخ، تبخیر شود و رطوبت را از سیستم خارج کند. علاوه بر این تمایل متانول به ایجاد فشار بخار در فرآیندهایی مثل تقطیر و جداسازی نیز به کار گرفته می شود: می توان آن را در دماهای نسبتاً پایین از مخلوط‌ ها جدا کرد. البته صنایع باید ویژگی فرار متانول را با دقت مدیریت کنند؛ با استفاده از سیستم‌ های بسته و تهویه مناسب از انباشت بخارات جلوگیری می کنند تا از هدررفت و خطرات احتمالی جلوگیری شود. به طور خلاصه بسیاری از کاربردهای متانول بر این واقعیت استوار است که این مایع به راحتی به بخار تبدیل می شود، خواه برای سوزاندن به عنوان سوخت، خواه برای استفاده به عنوان حلال خشک شونده سریع یا عامل ضد یخ.

فشار بخار متانول در مخلوط ها و محلول ها

در شرایط واقعی متانول اغلب با مایعات دیگر مخلوط می شود و فشار بخار مؤثر آن در نتیجه این اختلاط می تواند تغییر کند. زمانی که متانول با آب ترکیب شود، فشار بخار مخلوط حاصل کمتر از فشار بخار متانول خالص در همان دما است، این پدیده تا حدی به دلیل تشکیل پیوند هیدروژنی و تابع قانون رائولت در مورد فشار بخار جزئی است. قانون رائولت بیان می کند که فشار بخار جزئی یک جز در محلول ایده آل برابر است با حاصل ضرب فشار بخار آن در حالت خالص در جزء مولی آن در محلول. برای محلول‌های متانول-آب، انحراف‌هایی از حالت ایده آل مشاهده می شود (این دو یک آزئوتروپ خفیف تشکیل می دهند)، اما به طور کلی افزودن آب فراریت متانول را کاهش می دهد. به زبان ساده یک محلول ۵۰/۵۰ متانول-آب نسبت به متانول خالص با سرعت کمتری تبخیر می شود و بخار بالای چنین محلولی مخلوطی از متانول و آب خواهد بود (در این بخار نیز متانول غالب است چون فشار بخار ذاتی آن بالاتر است). به همین ترتیب وقتی متانول به بنزین یا سایر هیدروکربن ‌ها افزوده می شود، فشار بخار مخلوط تحت تأثیر همه اجزا تغییر می کند. افزودن مقدار کمی متانول به بنزین ممکن است بسته به درصد و دما فشار بخار مخلوط را بالا یا پایین ببرد، هرچند یک چالش این است که متانول ممکن است جدا شود و رطوبت را به خود جذب کند. در فرایندهای صنعتی مانند استخراج حلال یا واکنش‌ های شیمیایی نیز استفاده از متانول در یک مخلوط نیازمند درک رفتار فراریت آن است برای مثال، بازیابی متانول از یک محلول با تقطیر، نیازمند توجه به افزایش نقطه جوش یا تشکیل آزئوتروپ است. در مجموع هرچند متانول در مخلوط‌ ها همچنان فرار باقی می ماند، فشار بخار آن در حضور مواد دیگر تعدیل می شود. مهندسان و شیمیدانان این تغییرات را با استفاده از داده ‌ها و مدل ‌های تعادل بخار-مایع محاسبه می کنند تا رفتار مخلوط ‌های حاوی متانول را پیش ‌بینی کنند.

اهمیت فشار بخار و فراریت متانول

فشار بخار و فراریت متانول بخش عمده ای از ویژگی های کاربردی این ماده را تعیین می کند. از یک سو، تبخیر آسان آن را بسیار مفید کرده است: می توان آن را به سرعت به گاز تبدیل کرد تا در احتراق به کار رود یا در فرآیند خشک کردن از یک محصول جدا شود. این ویژگی ها منجر به استفاده از متانول به عنوان سوخت در زمینه‌ های خاص و به عنوان حلال پاک کننده یا استخراج کننده شده است. از سوی دیگر، همین ویژگی ها مخاطراتی مانند اشتعال پذیری و سمی بودن را به همراه دارند که باید مدیریت شوند. درک فراریت متانول برای هر کسی که با آن کار می کند ضروری است، از تکنسین آزمایشگاه گرفته تا مسئول حمل و نقل سوخت زیرا این ویژگی، پروتکل ‌های ایمنی مورد نیاز (تهویه، کنترل منابع جرقه، تجهیزات حفاظتی) را تعیین می کند. تعادل میان سودمندی و خطر نمونه کلاسیکی از نقش خصوصیات شیمیایی در کاربرد یک ماده است. فشار بخار بالای متانول نسبت به بسیاری از مایعات به این معنی است که این ماده در صورت عدم نگهداری در شرایط در بسته و خنک، مهار نشده باقی نخواهد ماند. خلاصه اینکه، فشار بخار و فراریت متانول اساس رفتار این ماده را تشکیل می دهد. این خصوصیات توضیح می دهد که چرا متانول می تواند هم یک ماده ارزشمند و هم بالقوه خطرناک باشد. چه در تولید بیودیزل، چه در راه ‌اندازی یک پیل سوختی متانولی مستقیم یا حتی استفاده به عنوان حلال، درک این ویژگی ها تضمین می کند که متانول به شکل مؤثر و ایمن به کار گرفته شود. با احترام به این واقعیت که این الکل ساده به راحتی تبدیل به بخار می شود، صنایع و افراد می توانند از مزایای آن بهره ببرند در حالی که ریسک ‌های ناشی از طبیعت بسیار فرار آن را به حداقل می رسانند.