Точка кипения вещества — это температура, при которой давление паров жидкости равняется давлению , окружающему жидкость [1] [2] и жидкость превращается в пар.
Температура кипения жидкости варьируется в зависимости от давления окружающей среды. Жидкость в частичном вакууме , то есть при более низком давлении, имеет более низкую температуру кипения, чем когда эта жидкость находится при атмосферном давлении . По этой причине вода кипит при температуре 99,97 °C (211,95 °F) при стандартном давлении на уровне моря, но при температуре 93,4 °C (200,1 °F) на высоте 1905 метров (6250 футов) [3] над уровнем моря. При одном и том же давлении разные жидкости будут кипеть при разных температурах.
Нормальная температура кипения (также называемая температурой кипения при атмосферном давлении или температурой кипения при атмосферном давлении ) жидкости — это особый случай, в котором давление паров жидкости равняется определенному атмосферному давлению на уровне моря, равному одной атмосфере . [4] [5] При этой температуре давление паров жидкости становится достаточным, чтобы преодолеть атмосферное давление и позволить пузырькам пара образовываться внутри основной массы жидкости. Стандартная точка кипения определяется ИЮПАК с 1982 года как температура, при которой происходит кипение под давлением в один бар . [6]
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 температуре ниже точки кипения в процессе испарения . Испарение — это поверхностное явление, при котором молекулы, расположенные вблизи края жидкости и не удерживаемые достаточным давлением жидкости на этой стороне, уходят в окружающую среду в виде пара . С другой стороны, кипение — это процесс, при котором молекулы жидкости выходят из любого места, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости.
Насыщенная жидкость содержит столько тепловой энергии, сколько может без кипения (или, наоборот, насыщенный пар содержит как можно меньше тепловой энергии без конденсации ).
Температура насыщения означает точку кипения . Температура насыщения — это температура соответствующего давления насыщения, при которой 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 ). Аналогично, жидкость при температуре и давлении насыщения перейдет в паровую фазу при приложении дополнительной тепловой энергии.
Точка кипения соответствует температуре, при которой давление паров жидкости равняется давлению окружающей среды. Таким образом, температура кипения зависит от давления. Точки кипения могут быть опубликованы относительно стандартного давления NIST, США 101,325 кПа (или 1 атм ) или стандартного давления IUPAC 100 000 кПа. На возвышенностях, 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 одинаковыми. Точка кипения не может быть повышена выше критической точки. Аналогично, температура кипения снижается с уменьшением давления, пока не будет достигнута тройная точка . Точка кипения не может опускаться 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:
где:
Давление насыщения — это давление для соответствующей температуры насыщения, при которой жидкость переходит в паровую фазу. Давление насыщения и температура насыщения имеют прямую зависимость: с увеличением давления насыщения растет и температура насыщения.
Если температура в системе остается постоянной ( изотермическая система), пар при давлении и температуре насыщения начнет конденсироваться в жидкую фазу по мере увеличения давления в системе. Аналогично, жидкость при давлении и температуре насыщения будет стремиться перейти в паровую фазу при снижении давления в системе.
Существует два условных обозначения относительно стандартной точки кипения воды : Нормальная точка кипения составляет 99,97 °C (211,9 °F ) при давлении 1 атм (т. е. 101,325 кПа). Рекомендуемая IUPAC стандартная температура кипения воды при стандартном давлении 100 кПа (1 бар) [7] составляет 99,61 °C (211,3 °F ). [6] [8] Для сравнения, на вершине Эвереста , на высоте 8848 м (29029 футов), давление составляет около 34 кПа (255 Торр ) [9] , а температура кипения воды составляет 71 °C (160 °С) . Ф ). Температурная шкала Цельсия определялась до 1954 года двумя точками: 0 °C определялась точкой замерзания воды и 100 °C определялась температурой кипения воды при стандартном атмосферном давлении.
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 представлены графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. [10] 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, представленных на диаграмме. Он также имеет самую низкую нормальную температуру кипения (-24,2 ° C), где кривая давления пара метилхлорида (синяя линия) пересекает горизонтальную линию абсолютного давления пара в одну атмосферу ( атм ).
Критическая точка жидкости — это самая высокая температура (и давление), при которой она фактически закипит.
См. также Давление пара воды .
Элемент с самой низкой температурой кипения — гелий . Точки кипения рения и вольфрама превышают 5000 К при стандартном давлении ; поскольку трудно без предвзятости точно измерить экстремальные температуры, в литературе упоминается, что оба имеют более высокую температуру кипения. [11]
Как видно из приведенного выше графика зависимости 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 нормальная температура кипения и температура плавления соединения могут служить характерными физическими свойствами этого соединения, перечисленными 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, не достигая 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 температура плавления. За критической точкой жидкая и паровая фазы соединения сливаются в одну фазу, которую можно назвать перегретым газом. Если при любой заданной температуре нормальная температура кипения соединения ниже, то это соединение обычно будет существовать 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 и атмосферном внешнем давлении и, таким образом, будет существовать в равновесии со своим паром (если оно летучее), если его пары присутствуют. Если пары соединения не удерживаются, то некоторые летучие соединения могут в конечном итоге испариться, несмотря на их более высокие температуры кипения.
Вообще соединения с ионными связями имеют высокие нормальные температуры кипения, если они не разлагаются до достижения столь высоких температур. Многие металлы имеют высокие температуры кипения, но не все. В большинстве случаев — 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 макромолекулы , полимера или иным образом очень большим, 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 способность молекулы образовывать водородные связи (в жидком состоянии), что затрудняет выход молекул из жидкого состояния и, таким образом, увеличивает нормальную температуру кипения соединения. Простые карбоновые кислоты димеризуются за счет образования водородных связей между молекулами. Незначительным фактором, влияющим на температуру кипения, является форма молекулы. Создание более компактной формы молекулы приводит к небольшому снижению нормальной температуры кипения по сравнению с эквивалентной молекулой с большей площадью поверхности.
Большинство летучих соединений (при температуре, близкой к температуре окружающей среды) при нагревании из твердой фазы проходят через промежуточную жидкую фазу и в конечном итоге переходят в паровую фазу. По сравнению с кипением, сублимация — это физическое превращение, при котором твердое вещество превращается непосредственно в пар, что происходит в некоторых случаях, например, с углекислым газом при атмосферном давлении. Для таких соединений точкой сублимации называется температура, при которой твердое вещество, превращающееся непосредственно в пар, имеет давление пара, равное внешнему давлению.
В предыдущем разделе были рассмотрены температуры кипения чистых соединений. На давление пара и температуру кипения веществ может влиять присутствие растворенных примесей ( растворенных веществ ) или других смешивающихся соединений, причем степень эффекта зависит от концентрации примесей или других соединений. Присутствие нелетучих примесей, таких как соли или соединения, летучесть которых намного ниже, чем у основного компонента, снижает его мольную долю и летучесть раствора и, таким образом, повышает нормальную температуру кипения пропорционально концентрации растворенных веществ. Этот эффект называется повышением температуры кипения . Типичный пример: соленая вода кипит при более высокой температуре, чем чистая вода.
В других смесях смешивающихся соединений (компонентов) могут присутствовать два или более компонента различной летучести, каждый из которых имеет свою температуру кипения чистого компонента при любом заданном давлении. Присутствие других летучих компонентов в смеси влияет на давление пара и, следовательно, на температуру кипения и точку росы всех компонентов смеси. Точка росы – это температура, при которой пар конденсируется в жидкость. Более того, при любой данной 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.
