La toalla de papel empapada con la mezcla de isopropanol y agua quema sin dañar el papel. ¿Por qué?

Question

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=_qFN1hDZwp8

Si decide no ver el vídeo, en la primera demostración se empapa una toalla de papel en isopropanol. Como es de esperar, la toalla de papel se quema. Sin embargo, en la segunda demostración se empapa la toalla de papel en isopropanol y agua. Sorprendentemente, la toalla se quema sin sufrir daños.

Mi profesor de química me dice que tiene que ver con el coste energético de un cambio de fase $\left[\ce{H2O}\ (l) \longrightarrow \ce{H2O}\ (g)\right]$ Sin embargo, sigo estando muy confundido.

¿Podría alguien explicarlo? Gracias.

Answer 1

Creo que tu profesor es incorrecto, y tiene que ver con la termodinámica y la cinética del proceso combinado de vaporización/combustión.

El calor de vaporización del agua $\left(40.7\ \mathrm{kJ}\ \mathrm{mol}^{-1}\right)$ citar es considerablemente menor que el calor de combustión del isopropanol $\left(1830\ \mathrm{kJ}\ \mathrm{mol}^{-1}\right)$ citar . Estas cifras indican que aproximadamente $45$ moléculas de agua deben evaporarse por cada molécula de isopropanol quemada para mantener la temperatura constante. Esto corresponde a un $\sim2\%$ mol/mol de solución, lo cual (a) no es consistente con la $\sim50\%$ v/v que realmente utilizó, y (b) probablemente sería demasiado diluida para arder a temperatura ambiente como lo hace en el vídeo. (Alguien más motivado que yo probablemente podría confirmar esto usando datos del punto de inflamación .)

Creo, en cambio, que el comportamiento depende de lo siguiente:

1. Equilibrio vapor-líquido estipula que una fase líquida nunca puede estar a una temperatura superior a su punto de ebullición $^\dagger$ .
2. Lo que realmente arde es el vapor de las sustancias combustibles, no el líquido (véase, por ejemplo, este Documento de formación OSHA )
3. Hasta una concentración de aproximadamente $60\%$ la fase de vapor en equilibrio con una mezcla líquida de agua e isopropanol tiene una concentración considerablemente mayor de isopropanol en comparación con el líquido ( fuente ):

Para el presente propósito, para leer el diagrama elija una temperatura en el $y$ -eje y el seguimiento a través de la $x$ -eje, observando dónde se cruzan las líneas roja y azul. Éstas corresponden a las composiciones de equilibrio en fase líquida y gaseosa, respectivamente, a esa temperatura, dada una mezcla que no es demasiado pobre ni demasiado rica en isopropanol. Por ejemplo, tomemos $82\ ^\circ\mathrm C$ La línea roja (líquido) se encuentra a la altura de $20\%$ isopropanol, y la línea azul (vapor) a aproximadamente $53\%$ isopropanol.

Como el punto de ebullición del isopropanol es $82.6\ ^\circ\mathrm C$ , #1 significa que mientras quede líquido impregnado en el papel (incluso $100\%$ isopropanol), el papel no se puede quemar . Esto se puede ver en el vídeo: enciende el papel alrededor del minuto 0:57, pero no empieza a carbonizarse hasta el minuto 1:08, diez segundos después.

La razón por la que el papel empieza a carbonizarse en puntos es que esos puntos se han quedado sin isopropanol líquido para mantenerlos fríos. Queda una nube de isopropanol gaseoso ardiendo alrededor del papel (¡claramente!), que es más que suficiente para quemar el papel ya seco.

Sin embargo, cuando hay agua mezclada con el isopropanol, entra en juego el equilibrio vapor-líquido. Según el punto 3, basado en el diagrama de fases, al isopropanol le gusta estar en la fase gaseosa mucho más que el agua, así que una vez que el vapor se enciende y arde (punto 2), el calor producido tiende a evaporar más alcohol que agua. Esto alimenta la llama durante un tiempo, pero finalmente se apaga, con mucha agua en el papel para mantenerlo enfriado por debajo de su punto de carbonización.

_{$^\dagger$ Las mezclas de líquidos técnicamente no tienen puntos de ebullición, ya que su comportamiento es <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Phase_diagram" rel="nofollow noreferrer">más complejo </a>pero el concepto es útil para hacer el punto.}