Повышение точки кипения — это явление, при котором точка кипения жидкости ( растворителя ) будет выше при добавлении другого соединения, что означает, что раствор имеет более высокую точку кипения, чем чистый растворитель. Это происходит всякий раз, когда нелетучее растворенное вещество, например соль, добавляется к чистому растворителю, например воде. Точку кипения можно точно измерить с помощью эбуллиоскопа .
Повышение температуры кипения является коллигативным свойством , что означает, что оно зависит от присутствия растворенных частиц и их количества, но не от их идентичности. Это эффект разбавления растворителя в присутствии растворенного вещества. Это явление происходит для всех растворенных веществ во всех растворах, даже в идеальных растворах, и не зависит от каких-либо конкретных взаимодействий растворенное вещество-растворитель. Повышение температуры кипения происходит как тогда, когда растворенное вещество является электролитом , таким как различные соли, так и неэлектролитом. В термодинамических терминах происхождение повышения температуры кипения является энтропийным и может быть объяснено с точки зрения давления паров или химического потенциала растворителя. В обоих случаях объяснение зависит от того факта, что многие растворенные вещества присутствуют только в жидкой фазе и не переходят в газовую фазу (за исключением случаев чрезвычайно высоких температур).
В терминах давления пара жидкость кипит при температуре, когда ее давление пара равно давлению окружающей среды. Для растворителя присутствие растворенного вещества уменьшает его давление пара путем разбавления. Нелетучее растворенное вещество имеет давление пара, равное нулю, поэтому давление пара раствора меньше давления пара растворителя. Таким образом, для того, чтобы давление пара достигло давления окружающей среды, необходима более высокая температура, и точка кипения повышается.
Выражаясь в терминах химического потенциала, в точке кипения жидкая фаза и газовая (или паровая) фаза имеют одинаковый химический потенциал (или давление пара), что означает, что они энергетически эквивалентны. Химический потенциал зависит от температуры, и при других температурах либо жидкая, либо газовая фаза имеет более низкий химический потенциал и более энергетически выгодна, чем другая фаза. Это означает, что при добавлении нелетучего растворенного вещества химический потенциал растворителя в жидкой фазе уменьшается за счет разбавления, но химический потенциал растворителя в газовой фазе не изменяется. Это, в свою очередь, означает, что равновесие между жидкой и газовой фазами устанавливается при другой температуре для раствора, чем для чистой жидкости, т. е. температура кипения повышается. [1]
Явление понижения точки замерзания аналогично повышению точки кипения. Однако величина понижения точки замерзания больше, чем повышение точки кипения для того же растворителя и той же концентрации растворенного вещества. Из-за этих двух явлений диапазон жидкости растворителя увеличивается в присутствии растворенного вещества.
Степень повышения температуры кипения можно рассчитать, применив соотношение Клаузиуса–Клапейрона и закон Рауля вместе с предположением о нелетучести растворенного вещества. Результатом является то, что в разбавленных идеальных растворах степень повышения температуры кипения прямо пропорциональна моляльной концентрации (количество вещества на массу) раствора согласно уравнению: [1]
где повышение температуры кипения определяется как T b (раствор) − T b (чистый растворитель) .
Нецелые коэффициенты i возникают из-за ионных пар в растворе, которые снижают эффективное число частиц в растворе.
Уравнение после включения фактора Вант-Гоффа
При высоких концентрациях приведенная выше формула менее точна из-за неидеальности раствора. Если растворенное вещество также летучее, одно из ключевых предположений, использованных при выводе формулы, неверно, поскольку она выведена для растворов нелетучих растворенных веществ в летучем растворителе. В случае летучих растворенных веществ уместнее говорить о смеси летучих соединений, а влияние растворенного вещества на температуру кипения должно определяться по фазовой диаграмме смеси. В таких случаях смесь иногда может иметь температуру кипения ниже, чем любой из чистых компонентов; смесь с минимальной температурой кипения является типом азеотропа .
Значения эбуллиоскопических констант K b для выбранных растворителей: [3]
Вместе с приведенной выше формулой повышение точки кипения в принципе может быть использовано для измерения степени диссоциации или молярной массы растворенного вещества. Этот вид измерения называется эбуллиоскопией ( лат. - греч. «кипение-наблюдение»). Однако, поскольку перегрева трудно избежать, точные измерения ΔT b выполнить трудно, [1] что было частично преодолено изобретением термометра Бекмана . Кроме того, криоскопическая константа, определяющая понижение точки замерзания, больше эбуллиоскопической константы, и поскольку точку замерзания часто легче измерить с точностью, более распространено использование криоскопии .