Do all Liquids Evaporate at the Same Rate? Josh Lorschy ...

  1  

Do  all  Liquids  Evaporate  at  the  Same  Rate?  

Josh  Lorschy  

Acknowledgements:    Michelle  Lorschy  –  Financial  

Support    

  2  

Abstract    This  study  was  investigating  the  rate  at  which  different  liquids  evaporate.  Through  exploring  various  pieces  of  literature,  it  could  be  determined  that  the  rate  of  which  a  given  liquid  will  evaporate  largely  depends  on  the  amount  of  energy  it  requires.  The  amount  of  energy  needed  for  evaporation  to  occur  in  separate  liquids  will  vary  according  to  intermolecular  forces,  density  and  molar  mass.  By  examining  the  individual  characteristics  of  a  given  liquid,  the  rate  at  which  the  several  liquids  evaporate  could  be  theorised.  250mL  of  each  liquid  were  poured  into  separate  measuring  cups.  These  were  positioned  outdoors  for  7  days  and  the  remaining  liquid  was  recorded  daily.  This  experiment  was  repeated  3  times  simultaneously.  From  this  experiment,  it  could  be  concluded  that  all  liquids  evaporate  at  various  rates,  according  to  each  liquid's  specific  properties.  Nail  polish  remover  evaporated  the  fastest,  followed  by  water,  salt  water,  vinegar,  orange  juice  and  oil.  Following  this  investigation,  it  could  be  researched  as  to  which  external  factors  can  alter  the  rate  of  evaporation,  for  example  temperature  or  surface  area.  Another  interesting  sector  includes  how  the  salinity  of  water  can  affect  how  fast  it  evaporates.    Background  Information:  

 Evaporation  occurs  when  a  molecule  on  the  surface  of  a  liquid  escapes  into  the  air  as  it  changes  to  a  gas.  This  takes  place  in  vast  water  sources  all  over  the  world.  Almost  90%  of  the  humidity  in  Earth’s  atmosphere  is  contributed  through  evaporation  from  oceans,  lakes  and  rivers  (United  States  Geological  Survey  2014).  Evaporation  is  a  useful  tool  to  efficiently  separate  a  solute  from  a  solvent.  Table  salt,  magnesium,  potash  and  bromine  can  all  be  effortlessly  acquired  by  evaporating  seawater  in  a  controlled  environment  (United  States  Geological  Survey  2014).    For  the  process  of  evaporation  to  occur,  the  molecules  require  a  definite  amount  of  energy.  This  is  obtained  through  heat,  as  an  increased  temperate  will  allow  the  molecules  to  have  higher  energy.  However,  evaporation  is  all  about  the  energy  of  each  individual  molecule.  Although  a  thermometer  can  measure  the  temperature  of  a  system,  it  only  calculates  the  average  energy  of  the  molecules  in  the  liquid.  Not  all  molecules  have  the  same  energy,  which  is  why  evaporation  can  occur  even  if  the  liquid  isn’t  boiling.  There  would  be  trillions  of  molecules  moving  in  random  paths,  bouncing  into  each  other.  An  increase  in  temperature  raises  the  kinetic  energy  of  the  molecules  (Purdue  University  2004).  As  a  molecule  bumps  into  another,  it  transfers  energy;  so  one  molecule  ends  up  with  more  energy  than  the  other.  Single  molecules  then  build  up  enough  strength  to  become  gaseous.      The  partnership  of  electron  couples  between  atoms,  which  make  up  a  molecule,  are  known  as  intramolecular  forces  (Purdue  University  2004).  These  bonds  are  nearly  25  times  more  powerful  than  intermolecular  forces.  Intermolecular  force  is  the  attraction  

  3  

between  adjacent  molecules  (Purdue  University  2004).  To  evaporate,  the  molecules  in  a  liquid  need  to  build  up  enough  energy  to  “overcome  the  attraction  of  neighboring  molecules”  (University  of  Wisconsin-­‐Madison).  Molecules  in  a  liquid  are  always  continually  moving,  so  as  they  are  in  motion  the  intermolecular  bonds  consistently  fracture  and  repair  (Dr.  Mabel  Rodrigues  2012).  The  build  up  of  energy  neutralises  the  intermolecular  forces,  as  the  molecules  begin  to  travel  too  fast  to  form  the  bonds  (Purdue  University).  This  allows  the  molecules  to  separate,  so  that  individual  molecules  may  vaporize  (University  of  Wisconsin-­‐Madison).  As  a  result,  moisture  in  the  atmosphere  is  made  up  of  molecules,  which  have  used  kinetic  energy  to  escape  the  liquid  (Helen  Schember,  PhD).      As  explained  above,  the  rate  of  evaporation  is  dependent  on  the  amount  of  energy  of  individual  molecules  in  the  liquid.  The  volume  of  power  needed  to  vaporize  a  liquid  comes  down  to  the  physical  characteristics  of  the  liquid  (Dr.  Mabel  Rodrigues  2012).  This  is  because  different  molecules  require  varying  quantities  of  energy  to  evaporate.  Heavier  molecules  need  more  energy  than  lighter  molecules,  as  more  mass  requires  more  power.  Similarly,  the  density  of  a  given  liquid  will  affect  the  rate  at  which  liquids  can  heat  up,  and  therefore  evaporate.  Finally,  liquids  in  which  the  forces  between  molecules  are  more  powerful  will  take  longer  to  build  up  the  energy  to  break  free  of  the  liquid.    

Characteristics  of  Liquids  Liquid   Density  (g/cm3)   Boiling  Point  (°c)   Molar  Mass  (g/mol)  Water   1   98.8   18  

Orange  Juice   1.1   100   n/a  Nail  Polish  Remover  (main  component  is  

acetone)  

0.788   56   58  

Vinegar   1.05   118   60.05  Salt  Water   1.02   100.5   n/a  Olive  Oil   0.92   191   346  

  4  

Aim:  To  determine  if  the  type  of  liquid  affects  the  rate  at  which  it  evaporates  into  the  atmosphere.    Hypothesis:  That  liquids  evaporate  at  different  rates  according  to  their  physical  characteristics.  In  this  experiment,  liquids  will  evaporate  from  fastest  to  slowest  in  the  following  order:  nail  polish  remover,  water,  salt  water,  vinegar,  orange  juice  and  oil.    Materials:  

• 18  x  50mL  plastic  measuring  cups  with  a  10cm  diameter  -­‐  $1  from  Hot  Dollar  • 750mL  water    • 750mL  salt  water  (please  see  appendix)  • 750mL  white  vinegar  -­‐  $3.17  from  Coles  • 750mL  nail  polish  remover  -­‐  $18.42  from  Coles  • 750mL  orange  juice  -­‐  $2.41  from  Coles  • 750mL  vegetable  oil  -­‐  $4.21  from  Coles  • Table  

 Method:    

1. 3  separate  measuring  cups  were  filled  with  250mL  of  water  each  2. Step  1  was  repeated  with  nail  polish  remover,  vinegar,  salt  water,  orange  juice  

and  oil  3. All  the  measuring  cups  were  positioned  on  a  table,  outside  but  undercover  for  7  

days  4. The  remaining  liquid  in  each  measuring  cup  was  noted  daily  and  recorded  in  a  

table              

SAFETY:  1. Liquids  may  be  harmful  to  ingest  –  they  were  kept  out  of  reach  from  small  

children  and  animals  by  being  placed  on  a  table  2. Liquids  could  be  damaging  to  eyes  –  glasses  were  worn  to  protect  eyes  

from  potentially  splashing  liquid  3. Spilt  liquid  could  pose  a  hazard  –  any  spilt  or  excess  liquid  was  wiped  up  

and  disposed  of  in  a  bin  

  5  

  6  

Results:    

Remaining  Liquid  Over  7  Days       Remaining  Liquid  (mL)  

Days   Water   Salt  Water   Vinegar   NPR   OJ   Oil  

1   250   250   250   250   250   250  

2   244   248   249   148   249   250  

3   239   244   247   86   248   250  

4   234   238   246   56   248   250  

5   227   236   242   38   246   250  

6   219   231   240   21   244   250  

7   215   228   237   9   243   250    *The  above  graph  is  made  up  of  averages  from  a  repeated  experiment;  to  see  all  the  raw  data  please  refer  to  the  appendix    *In  the  above  table,  NPR  stands  for  Nail  Polish  Remover    *In  the  above  table,  OJ  stands  for  Orange  Juice

  7  

  8  

Discussion:    The  hypothesis  in  this  experiment  was  supported,  as  the  liquids  were  found  to  evaporate  at  different  rates.  The  nail  polish  remover  evaporated  at  the  quickest  rate,  on  average  241mL  over  the  7  days.  The  next  fastest  was  water,  which  evaporated  85mL  over  the  course  of  the  experiment.  This  was  closely  followed  by  salt  water  at  72mL,  vinegar  at  63mL  and  orange  juice  at  57mL  over  the  week.  Finally,  the  oil  didn’t  vaporize  at  all  over  the  study  of  this  experiment.      These  results  were  obtained  because  the  characteristics  of  each  liquid  affects  the  efficiency  of  its  ability  to  evaporate.  For  vaporisation  to  take  place,  the  molecules  in  each  liquid  must  build  up  a  certain  amount  of  energy,  which  is  largely  dependent  on  the  properties  of  the  liquid  (Purdue  University).  Evaporation  is  when  a  molecule  escapes  from  the  surface  of  a  liquid  as  it  vaporizes.  This  occurs  when  an  individual  molecule  builds  up  enough  energy,  so  that  it  moves  too  fast  to  form  bonds,  and  therefore  becomes  gaseous  (Dr.  Mabel  Rodrigues  2012).  As  a  result,  the  rate  at  which  a  liquid  evaporates  comes  down  to  the  weight  of  each  molecule,  the  forces  between  each  molecule,  and  the  density  of  the  liquid.    Nail  polish  remover  is  primarily  made  up  of  a  chemical  known  as  acetone.  It  has  an  extremely  low  density  of  0.788g/cm,  a  low  boiling  point  of  56°c  and  a  molar  mass  of  58g/mol.  This  means  that  the  liquid  has  fewer  molecules,  with  weak  intermolecular  bonds  and  molecules  that  have  a  low  mass  (Helen  Schember,  PhD).  These  properties  were  significantly  less  than  the  various  liquids,  which  is  why  compared  to  the  other  substances,  nail  polish  remover  evaporated  at  such  as  fast  rate.    Water  has  a  lower  molar  mass  at  18g/mol,  however  has  much  stronger  intermolecular  forces,  with  a  boiling  point  of  98.8°c.  Consequently,  water  requires  a  considerable  amount  of  energy,  significantly  larger  than  for  nail  polish  remover,  to  evaporate.  Salt  water  has  a  slightly  higher  density  and  boiling  point,  but  not  enough  to  make  a  difference.  Despite  this,  it  still  evaporates  at  a  noticeably  slower  rate,  which  is  due  to  the  impurities  in  the  liquid,  bringing  the  molar  mass  to  76g/mol.  The  salt  creates  inconsistencies  in  the  liquid,  which  means  it  takes  longer  to  evaporate  as  the  air  pressure  is  lower.  Additionally,  only  the  H2O  evaporates  and  the  salt  is  left  behind  as  residue,  which  became  noticeable  by  day  3,  requiring  more  energy  to  evaporate  the  water  molecules  (United  States  Geological  Survey  2014).    Vinegar  has  a  higher  density  of  1.05g/cm3  and  a  much  higher  boiling  point.  The  makeup  of  vinegar  is  acetic  acid  diluted  in  water.  This  means  that  the  water  is  vaporized,  and  left  behind  tiny  crystals,  which  became  visible  by  day  4.  Similarly  to  the  salt  water,  these  impurities  cause  the  evaporation  rate  to  lengthen  (Purdue  University  2004).  Furthermore,  the  strong  intermolecular  forces  caused  the  need  for  more  energy  for  molecules  to  escape.  Similarly,  the  orange  juice,  also  primarily  water,  leaves  behind  pulp  when  evaporated.  It  has  an  extremely  higher  molar  mass  of  180g/mol.  This  means  the  molecules  require  a  greater  amount  of  energy  to  vaporize.    Finally,  the  oil  didn’t  evaporate  at  all.  This  is  largely  due  to  the  incredible  rise  in  boiling  point  of  91°c  and  molar  mass  of  346g/mol,  both  almost  double  the  properties  of  other  liquids.  Oil  has  large  molecules  and  strong  intermolecular  forces.  As  a  result,  the  energy  

  9  

required  for  oil  to  evaporate  is  too  high  for  the  liquid  to  obtain  from  the  surrounding  environment.  If  the  experiment  had  been  over  a  longer  period  of  time,  perhaps  a  noticeable  change  may  have  been  identified.    This  experiment  was  fairly  reliable,  however  it  did  have  its  limitations.  Firstly,  the  measuring  cups  were  located  outside,  but  undercover.  Although  this  was  to  prevent  rain  from  contaminating  the  experiment,  it  meant  the  liquids  didn’t  have  direct  access  to  the  sun  or  sky.  The  experiment  was  also  subject  to  other  elements  of  the  surrounding  environment,  including  dust  and  bacteria  in  the  air.  The  orange  juice  started  to  grow  a  thin  layer  of  mold  over  parts  of  the  surface  of  the  liquid,  which  may  have  affected  the  results.  Likewise,  the  weather  also  altered  every  day  and  so  affected  the  amount  of  liquid  that  vaporized.  These  sources  of  error  could  have  been  eliminated  by  placing  the  test  substances  in  a  controlled  environment,  whereby  the  temperature  is  always  the  same  and  the  air  is  purified.    Secondly,  the  markings  on  the  measuring  cups  weren’t  as  detailed  as  would  have  been  ideal.  Although  the  results  would  have  only  been  marginally  different,  they  could  have  been  more  reliable  if  the  markings  were  more  detailed.    For  future  research,  it  may  be  interesting  to  investigate  the  affect  of  the  surrounding  environment  on  evaporation.  For  example,  surface  area,  temperature,  weather  and  the  material  the  liquid  is  in  could  be  examined.  It  would  also  be  worthwhile  to  study  how  salinity  alters  the  evaporation  rate.    Conclusion:  It  was  concluded  that  different  liquids  do  evaporate  at  different  rates,  according  to  the  physical  properties  of  the  given  substance.  Nail  polish  remover  vaporized  the  quickest,  followed  by  water,  salt  water,  vinegar,  orange  juice  and  oil.                                                

  10  

 Appendix:    Salt  Water:    The  salinity  of  water  in  the  ocean  is  on  average  35%.  As  a  result,  35  grams  of  sea  salt  was  mixed  into  1  liter  of  water  until  there  were  no  remaining  visible  crystals.  250mL  was  then  poured  into  each  of  the  three  cups  as  described  in  the  ‘Method’.    Raw  Results:    

        Day  Remaining  Liquid  (mL)       1   2   3   4   5   6   7  

Water    Cup  1   250   246   241   237   230   223   217    Cup  2   250   241   237   230   224   217   215    Cup  3   250   245   240   234   226   218   213  

Salt  Water    Cup  1   250   249   246   241   238   234   230    Cup  2   250   248   243   236   235   231   228    Cup  3   250   247   243   238   234   229   225  

Vinegar    Cup  1   250   249   249   248   245   242   239    Cup  2   250   250   247   246   241   239   235    Cup  3   250   247   246   245   242   240   237  

Nail  Polish  Remover    Cup  1   250   149   85   59   41   23   10    Cup  2   250   145   76   53   34   19   7    Cup  3   250   150   97   55   38   22   9  

Orange  Juice    Cup  1   250   250   249   249   247   246   245    Cup  2   250   249   247   246   244   243   243    Cup  3   250   249   249   248   247   245   243  

Oil    Cup  1   250   250   250   250   250   250   250    Cup  2   250   250   250   250   250   250   250    Cup  3   250   250   250   250   250   250   250  

  11  

 Reference  List:    Computational Knowledge Engine, 2014 Wolfram Alpha, accessed 4 May 2014, <https://www.wolframalpha.com>.    Evaporation of Liquids, n.d., Chem4Kids, accessed 8 March 2014, <http://www.chem4kids.com/files/matter_evap.html>    Intermolecular  Forces,  n.d.,  Purdue  University,  accessed  1  March  2014,  <http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/intermol/intermol.html>    Physical  Properties  of  Liquids,  2000,  University  of  Wisconsin-­‐Madison,  accessed  26  February  2014,  <http://chem.wisc.edu/deptfiles/genchem/sstutorial/Text10/Tx103/tx103.htm>    Rofrigues,  M  2012,  Evaporation  Rate,  Newton,  accessed  26  February  2014,  <http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/chem99/chem99539.htm>    Schember,  H  2001,  Water  is  not  the  only  Liquid  that  Evaporates,  Cornell  Center  for  Materials  Research,  accessed  26  February  2014,  <http://www.ccmr.cornell.edu/education/ask/?quid=564>    The  Water  Cycle:  Evaporation,  2014,  U.S.  Geological  Survey,  accessed  26  February  2014,  <http://ga.water.usgs.gov/edu/watercycleevaporation.html>