Температура кипения жидкостей

Введение

Температура, при которой вещество переходит из жидкого состояния в газообразное – температура кипения жидкости.

Точка кипения вещества – это температура, при которой давление пара жидкости равно давлению окружающей среды, и жидкость превращается в пар. Точка кипения жидкости изменяется в зависимости от окружающего давления. Жидкость в частичном вакууме, то есть при пониженном давлении, имеет более низкую температуру кипения, чем при атмосферном давлении. Поэтому вода кипит при 100 °C (или, с научной точностью, 99,97 °C (212 °F)) при стандартном давлении на уровне моря, но при 93,4 °C (200 °F) в горах. При заданном давлении разные жидкости кипят при разных температурах. Нормальная точка кипения (также называемая атмосферной точкой кипения или температурой кипения при атмосферном давлении) жидкости – это частный случай, когда давление пара жидкости равно определенному атмосферному давлению на уровне моря, равному одной атмосфере. При этой температуре давление пара жидкости становится достаточным для преодоления атмосферного давления и образования пузырьков пара внутри жидкости. Стандартная точка кипения определяется IUPAC с 1982 года как температура, при которой происходит кипение при давлении в один бар. Теплота парообразования – это энергия, необходимая для превращения заданного количества вещества (моля, килограмма, фунта и т. д.) из жидкости в газ при заданном давлении (часто атмосферном). Жидкости могут переходить в пар при температурах ниже точки кипения в процессе испарения. Испарение – это поверхностное явление, при котором молекулы, находящиеся вблизи поверхности жидкости и не удерживаемые достаточным давлением жидкости с этой стороны, уходят в окружающую среду в виде пара. Кипение, напротив, – это процесс, при котором молекулы в любом месте жидкости переходят в газообразное состояние, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости.

Отношение между нормальной точкой кипения и давлением паров жидкости

Чем выше давление паров жидкости при заданной температуре, тем ниже её нормальная точка кипения (то есть точка кипения при атмосферном давлении). На графике давления паров, расположенном справа, представлены зависимости давления паров от температуры для различных жидкостей. Как видно из графика, жидкости с самым высоким давлением паров имеют самую низкую нормальную температуру кипения. Например, при любой заданной температуре метилхлорид обладает самым высоким давлением паров среди всех жидкостей, представленных на графике. Он также имеет самую низкую нормальную температуру кипения (−24,2 °C), которая соответствует точке пересечения кривой давления пара метилхлорида (синяя линия) с горизонтальной линией, соответствующей давлению в одну атмосферу (атм) абсолютного давления пара. Критическая точка жидкости – это максимально достижимая температура (и давление), при которой она кипит. См. также давление паров воды.

Точка кипения химических элементов

Элемент с самой низкой точкой кипения — гелий. Точки кипения рения и вольфрама превышают 5000 К при нормальном давлении; поскольку точно измерить экстремальные температуры без погрешностей сложно, в литературе оба элемента упоминаются как обладающие самой высокой точкой кипения.

Точка кипения как эталонное свойство чистого соединения

Как видно из приведенного выше графика логарифма давления паров в зависимости от температуры для любого чистого химического соединения, его нормальная точка кипения может служить индикатором общей летучести этого соединения. У данного чистого соединения есть только одна нормальная точка кипения, если таковая имеется, и нормальная точка кипения и точка плавления соединения могут служить характерными физическими свойствами для этого соединения, указанными в справочниках. Чем выше нормальная точка кипения соединения, тем менее летучее это соединение в целом, и наоборот, чем ниже нормальная точка кипения соединения, тем более летучее это соединение в целом. Некоторые соединения разлагаются при более высоких температурах до достижения нормальной точки кипения, а иногда даже и точки плавления. Для стабильного соединения температура кипения изменяется от тройной до критической точки в зависимости от внешнего давления. После тройной точки нормальная точка кипения соединения, если таковая имеется, выше его точки плавления. За критической точкой жидкая и паровая фазы соединения сливаются в одну фазу, которую можно назвать перегретым газом. При любой заданной температуре, если нормальная точка кипения соединения ниже, то это соединение обычно будет существовать в виде газа при атмосферном внешнем давлении. Если нормальная точка кипения соединения выше, то это соединение может существовать в виде жидкости или твердого вещества при данной температуре при атмосферном внешнем давлении и будет находиться в равновесии со своим паром (если летучее), если его пары ограничены. Если пары соединения не ограничены, некоторые летучие соединения могут в конечном итоге испариться, несмотря на их более высокую температуру кипения. В общем, соединения с ионными связями имеют высокую нормальную температуру кипения, если они не разлагаются до достижения таких высоких температур. Многие металлы имеют высокую температуру 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 точка кипения увеличивается. Когда размер молекулы достигает размера макромолекулы, полимера или другого очень большого вещества, соединение часто разлагается при высокой температуре до достижения точки кипения. Другим 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 с этим способность молекулы образовывать водородные связи (в жидком состоянии), что затрудняет переход молекул из жидкого состояния и, следовательно, повышает нормальную температуру кипения соединения. Простые карбоновые кислоты димеризуются, образуя водородные связи между молекулами. Незначительным фактором, влияющим на температуру кипения, является форма молекулы. Более компактная форма молекулы, как правило, немного снижает нормальную температуру кипения по сравнению с эквивалентной молекулой с большей площадью поверхности. + Сравнение точек кипения изомеров бутана (C4H10) Распространенное название n-бутан изобутан Систематическое название бутан 2-метилпропан Молекулярная формула Точка кипения (°C) −0,5 −11,7 + Сравнение точек кипения изомеров пентана Распространенное название n-пентан изопентан неопентан Систематическое название пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан Молекулярная формула Точка кипения (°C) 36,0 27,7 9,5 Большинство летучих соединений (вблизи комнатной температуры) проходят через промежуточную жидкую фазу при нагревании из твердой фазы, чтобы в конечном итоге превратиться в паровую фазу. В отличие от кипения, сублимация – это физическое превращение, при котором твердое вещество переходит непосредственно в пар, что происходит в нескольких отдельных случаях, например, с углекислым газом при атмосферном давлении. Для таких соединений точка сублимации – это температура, при которой твердое вещество, переходящее непосредственно в пар, имеет давление пара, равное внешнему давлению.

As can be seen from the above plot of the logarithm of the vapor pressure vs. the temperature for any given pure chemical compound, its normal boiling point can serve as an indication of that compound's overall volatility. A given pure compound has only one normal boiling point, if any, and a compound's normal boiling point and melting point can serve as characteristic physical properties for that compound, listed in reference books. The higher a compound's normal boiling point, the less volatile that compound is overall, and conversely, the lower a compound's normal boiling point, the more volatile that compound is overall. Some compounds decompose at higher temperatures before reaching their normal boiling point, or sometimes even their melting point. For a stable compound, the boiling point ranges from its triple point to its critical point, depending on the external pressure. Beyond its triple point, a compound's normal boiling point, if any, is higher than its melting point. Beyond the critical point, a compound's liquid and vapor phases merge into one phase, which may be called a superheated gas. At any given temperature, if a compound's normal boiling point is lower, then that compound will generally exist as a gas at atmospheric external pressure. If the compound's normal boiling point is higher, then that compound can exist as a liquid or solid at that given temperature at atmospheric external pressure, and will so exist in equilibrium with its vapor (if volatile) if its vapors are contained. If a compound's vapors are not contained, then some volatile compounds can eventually evaporate away in spite of their higher boiling points. In general, compounds with ionic bonds have high normal boiling points, if they do not decompose before reaching such high temperatures. Many metals have high boiling points, but not all. Very generally—with other factors being equal—in compounds with covalently bonded molecules, as the size of the molecule (or molecular mass) increases, the normal boiling point increases. When the molecular size becomes that of a macromolecule, polymer, or otherwise very large, the compound often decomposes at high temperature before the boiling point is reached. Another factor that affects the normal boiling point of a compound is the polarity of its molecules. As the polarity of a compound's molecules increases, its normal boiling point increases, other factors being equal. Closely related is the ability of a molecule to form hydrogen bonds (in the liquid state), which makes it harder for molecules to leave the liquid state and thus increases the normal boiling point of the compound. Simple carboxylic acids dimerize by forming hydrogen bonds between molecules. A minor factor affecting boiling points is the shape of a molecule. Making the shape of a molecule more compact tends to lower the normal boiling point slightly compared to an equivalent molecule with more surface area. + Comparison of butane (C4H10) isomer boiling points Common name n butane isobutane IUPAC name butane 2 methylpropane Molecularform Boilingpoint (°C) −0.5 −11.7

+ Comparison of pentane isomer boiling points Common name n pentane isopentane neopentane IUPAC name pentane 2 methylbutane 2,2 dimethylpropane Molecularform Boilingpoint (°C) 36.0 27.7 9.5

Most volatile compounds (anywhere near ambient temperatures) go through an intermediate liquid phase while warming up from a solid phase to eventually transform to a vapor phase. By comparison to boiling, a sublimation is a physical transformation in which a solid turns directly into vapor, which happens in a few select cases such as with carbon dioxide at atmospheric pressure. For such compounds, a sublimation point is a temperature at which a solid turning directly into vapor has a vapor pressure equal to the external pressure.

Нечистоты и смеси

В предыдущем разделе были рассмотрены точки кипения чистых соединений. На давление паров и температуру кипения веществ может влиять наличие растворенных примесей (растворенных веществ) или других смешивающихся соединений, при этом степень влияния зависит от концентрации примесей или других соединений. Присутствие нелетучих примесей, таких как соли или соединений с существенно более низкой летучестью, чем у основного компонента, уменьшает его мольную долю и летучесть раствора, что приводит к повышению нормальной температуры кипения пропорционально концентрации растворенных веществ. Этот эффект называется повышением температуры кипения. Типичным примером является то, что соленая вода кипит при более высокой температуре, чем чистая вода. В других смесях смешивающихся соединений (компонентов) может присутствовать два или более компонентов с различной летучестью, каждый из которых имеет свою собственную точку кипения чистого компонента при заданном давлении. Присутствие других летучих компонентов в смеси влияет на давление паров и, следовательно, на температуры кипения и точки росы всех компонентов смеси. Точка росы – это температура, при которой пар конденсируется в жидкость. Более того, при любой заданной температуре состав пара обычно отличается от состава жидкости. Для иллюстрации этих эффектов между летучими компонентами в смеси обычно используется диаграмма «температура кипения – состав». Дистилляция – это процесс кипения и [обычно] конденсации, который использует эти различия в составе между жидкой и паровой фазами.