Точка кипения -Boiling point

Кипящая вода

Температура кипения вещества – это температура, при которой давление паров жидкости равняется давлению , окружающему жидкость, и жидкость превращается в пар.

Температура кипения жидкости зависит от давления окружающей среды. Жидкость в частичном вакууме имеет более низкую температуру кипения, чем когда эта жидкость находится при атмосферном давлении . Жидкость при высоком давлении имеет более высокую температуру кипения, чем при атмосферном давлении. Например, вода кипит при 100 ° C (212 ° F) на уровне моря, но при 93,4 ° C (200,1 ° F) на высоте 1905 метров (6250 футов). При одном и том же давлении разные жидкости будут кипеть при разных температурах.

Нормальная точка кипения (также называемая точкой кипения при атмосферном давлении или точкой кипения при атмосферном давлении ) жидкости — это особый случай, когда давление паров жидкости равно определенному атмосферному давлению на уровне моря, одной атмосфере . При этой температуре давление пара жидкости становится достаточным, чтобы преодолеть атмосферное давление и позволить пузырькам пара образоваться внутри объема жидкости. Стандартная точка кипения определяется IUPAC с 1982 года как температура, при которой происходит кипение под давлением в один бар .

Теплота парообразования — это энергия, необходимая для превращения данного количества (моль, кг, фунт и т. д.) вещества из жидкости в газ при данном давлении (часто атмосферном).

Жидкости могут превращаться в пар при температурах ниже точки их кипения в процессе испарения . Испарение — это поверхностное явление, при котором молекулы, расположенные у края жидкости и не удерживаемые достаточным давлением жидкости с этой стороны, улетучиваются в окружающую среду в виде пара . С другой стороны, кипение — это процесс, при котором молекулы в любом месте жидкости улетучиваются, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости.

Температура насыщения и давление

Демонстрация более низкой точки кипения воды при более низком давлении, достигаемой с помощью вакуумного насоса .

Насыщенная жидкость содержит столько тепловой энергии, сколько может без кипения (или, наоборот, насыщенный пар содержит столько тепловой энергии, сколько может без конденсации ).

Температура насыщения означает температуру кипения . Температура насыщения – это температура при соответствующем давлении насыщения, при котором жидкость переходит в паровую фазу . Можно сказать, что жидкость насыщена тепловой энергией . Любое добавление тепловой энергии приводит к фазовому переходу .

Если давление в системе остается постоянным ( изобарическим ), пар при температуре насыщения начнет конденсироваться в жидкую фазу по мере удаления тепловой энергии ( тепла ). Точно так же жидкость при температуре и давлении насыщения будет кипеть в свою паровую фазу при приложении дополнительной тепловой энергии.

Температура кипения соответствует температуре, при которой давление паров жидкости равно давлению окружающей среды. Таким образом, температура кипения зависит от давления. Точки кипения могут быть опубликованы по отношению к стандартному давлению NIST, США 101,325 кПа (или 1 атм ) или стандартному давлению IUPAC 100,000 кПа. На больших высотах, где атмосферное давление намного ниже, температура кипения также ниже. Температура кипения увеличивается с увеличением давления до критической точки , при которой свойства газа и жидкости становятся идентичными. Температура кипения не может быть выше критической точки. Точно так же температура кипения уменьшается с уменьшением давления, пока не будет достигнута тройная точка . Температура кипения не может быть ниже тройной точки.

Если известны теплота парообразования и давление пара жидкости при определенной температуре, температуру кипения можно рассчитать с помощью уравнения Клаузиуса – Клапейрона , таким образом:

куда:

- точка кипения при процентном давлении,
идеальная газовая постоянная ,
давление паров жидкости,
- некоторое давление, для которого известно соответствующее значение (обычно данные доступны при 1 атм или 100 кПа),
теплота парообразования жидкости ,
температура кипения,
является натуральным логарифмом .

Давление насыщения – это давление при соответствующей температуре насыщения, при которой жидкость переходит в паровую фазу. Давление насыщения и температура насыщения имеют прямую зависимость: по мере увеличения давления насыщения увеличивается и температура насыщения.

Если температура в системе остается постоянной ( изотермическая система), пар при давлении насыщения и температуре начнет конденсироваться в жидкую фазу по мере увеличения давления в системе. Точно так же жидкость при давлении и температуре насыщения будет иметь тенденцию мгновенно переходить в паровую фазу при снижении давления в системе.

Есть два соглашения относительно стандартной температуры кипения воды : Нормальная температура кипения составляет 99,97  °C (211,9  °F ) при давлении 1 атм (т.е. 101,325 кПа). Рекомендуемая ИЮПАК стандартная температура кипения воды при стандартном давлении 100 кПа (1 бар) составляет 99,61  ° C (211,3  ° F ). Для сравнения, на вершине Эвереста на высоте 8 848 м (29 029 футов) давление составляет около 34  кПа (255  Торр ), а температура кипения воды составляет 71  °C (160  °F ). Температурная шкала Цельсия определялась до 1954 года двумя точками: 0 ° C определялась точкой замерзания воды, а 100 ° C определялась точкой кипения воды при стандартном атмосферном давлении.

Связь между нормальной температурой кипения и давлением паров жидкостей

Логарифмическая диаграмма давления пара для различных жидкостей

Чем выше давление паров жидкости при данной температуре, тем ниже нормальная температура кипения (т. е. температура кипения при атмосферном давлении) жидкости.

На диаграмме давления пара справа есть графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. Как видно из диаграммы, жидкости с самым высоким давлением паров имеют самые низкие нормальные температуры кипения.

Например, при любой заданной температуре хлористый метил имеет самое высокое давление паров среди всех жидкостей на диаграмме. Он также имеет самую низкую нормальную температуру кипения (-24,2 ° C), где кривая давления пара метилхлорида (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления в одну атмосферу ( атм ) абсолютного давления пара.

Критическая точка жидкости — это самая высокая температура (и давление), при которой она действительно будет кипеть.

См. также Давление паров воды .

Свойства элементов

Элемент с самой низкой температурой кипения – гелий . Обе точки кипения рения и вольфрама превышают 5000 К при нормальном давлении ; поскольку трудно точно измерить экстремальные температуры без предвзятости, оба они упоминаются в литературе как имеющие более высокую температуру кипения.

Температура кипения как эталонное свойство чистого соединения

Как видно из приведенного выше графика логарифма давления пара от температуры для любого данного чистого химического соединения , его нормальная температура кипения может служить показателем общей летучести этого соединения . Данное чистое соединение имеет только одну нормальную температуру кипения, если таковая имеется, и нормальные температуры кипения и плавления соединения могут служить характерными физическими свойствами для этого соединения, указанными в справочниках. Чем выше нормальная температура кипения соединения, тем менее летучим является это соединение в целом, и, наоборот, чем ниже нормальная температура кипения соединения, тем более летучим является это соединение в целом. Некоторые соединения разлагаются при более высоких температурах, прежде чем достигают своей нормальной точки кипения, а иногда даже точки плавления. Для стабильного соединения температура кипения колеблется от тройной точки до критической точки в зависимости от внешнего давления. За пределами тройной точки нормальная температура кипения соединения, если таковая имеется, выше, чем его точка плавления. За пределами критической точки жидкая и паровая фазы соединения сливаются в одну фазу, которую можно назвать перегретым газом. При любой заданной температуре, если нормальная температура кипения соединения ниже, то это соединение обычно существует в виде газа при атмосферном внешнем давлении. Если нормальная температура кипения соединения выше, то это соединение может существовать в виде жидкости или твердого вещества при данной температуре при атмосферном внешнем давлении и, таким образом, будет существовать в равновесии со своим паром (если оно летучее), если его пары содержатся. Если пары соединения не удерживаются, то некоторые летучие соединения могут в конечном итоге испариться, несмотря на их более высокие температуры кипения.

Температуры кипения алканов , алкенов , простых эфиров , галогеналканов , альдегидов , кетонов , спиртов и карбоновых кислот в зависимости от молярной массы

Обычно соединения с ионными связями имеют высокие нормальные температуры кипения, если они не разлагаются до достижения таких высоких температур. Многие металлы имеют высокие температуры кипения, но не все. В общем случае — при прочих равных условиях — в соединениях с ковалентно связанными молекулами по мере увеличения размера молекулы (или молекулярной массы ) нормальная температура кипения увеличивается. Когда размер молекулы становится размером с макромолекулу , полимер или что-то еще очень большое, соединение часто разлагается при высокой температуре до достижения точки кипения. Еще одним фактором, влияющим на нормальную температуру кипения соединения, является полярность его молекул. По мере увеличения полярности молекул соединения его нормальная температура кипения увеличивается при прочих равных условиях. Тесно связана способность молекулы образовывать водородные связи (в жидком состоянии), что затрудняет выход молекул из жидкого состояния и, таким образом, повышает нормальную температуру кипения соединения. Простые карбоновые кислоты димеризуются, образуя водородные связи между молекулами. Незначительным фактором, влияющим на температуру кипения, является форма молекулы. Создание более компактной формы молекулы имеет тенденцию немного снижать нормальную температуру кипения по сравнению с эквивалентной молекулой с большей площадью поверхности.

Сравнение температур кипения изомера бутана ( C 4 H 10 )
Распространенное имя н - бутан изобутан
название ИЮПАК бутан 2-метилпропан
Молекулярная
форма
Бутан-3D-balls.png Изобутан-3D-balls.png
Температура кипения
(°С)
−0,5 −11,7
Сравнение температур кипения изомеров пентана
Распространенное имя н - пентан изопентан неопентан
название ИЮПАК пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан
Молекулярная
форма
Пентан-3D-balls.png Изопентан-3D-balls.png Неопентан-3D-balls.png
Температура кипения
(°С)
36,0 27,7 9,5
Бинарная диаграмма температур кипения двух гипотетических слабо взаимодействующих компонентов без азеотропа

Большинство летучих соединений (при температурах, близких к температуре окружающей среды) проходят через промежуточную жидкую фазу, нагреваясь от твердой фазы, чтобы в конечном итоге перейти в паровую фазу. По сравнению с кипячением сублимация — это физическое превращение, при котором твердое вещество превращается непосредственно в пар, что происходит в некоторых избранных случаях, например, с диоксидом углерода при атмосферном давлении. Для таких соединений точкой сублимации называется температура, при которой твердое тело, превращающееся непосредственно в пар, имеет давление паров, равное внешнему давлению.

Примеси и смеси

В предыдущем разделе были рассмотрены температуры кипения чистых соединений. На давление паров и температуру кипения веществ может влиять присутствие растворенных примесей ( растворенных веществ ) или других смешивающихся соединений, причем степень влияния зависит от концентрации примесей или других соединений. Присутствие нелетучих примесей, таких как соли или соединения, летучесть которых намного ниже, чем у основного компонента соединения, снижает его мольную долю и летучесть раствора и , таким образом, повышает нормальную температуру кипения пропорционально концентрации растворенных веществ. Этот эффект называется повышением точки кипения . Например, соленая вода кипит при более высокой температуре, чем чистая вода.

В других смесях смешивающихся соединений (компонентов) могут быть два или более компонентов с различной летучестью, каждый из которых имеет свою точку кипения чистого компонента при любом заданном давлении. Присутствие других летучих компонентов в смеси влияет на давление паров и, следовательно, на точки кипения и точки росы всех компонентов смеси. Точка росы – это температура, при которой пар конденсируется в жидкость. Кроме того, при любой заданной температуре состав пара в большинстве таких случаев отличается от состава жидкости. Чтобы проиллюстрировать эти эффекты между летучими компонентами в смеси, обычно используется диаграмма температуры кипения . Дистилляция — это процесс кипения и [обычно] конденсации, в котором используются различия в составе жидкой и паровой фаз.

Таблица

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки