Повышение температуры кипения - Boiling-point elevation

Повышение температуры кипения описывает явление, что точка кипения из жидкость (а растворитель ) будет выше при добавлении другого соединения, что означает, что решение имеет более высокую температуру 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 эбуллиоскоп.

Объяснение

Изменение химического потенциала растворителя при добавлении растворенного вещества объясняет, почему имеет место повышение точки кипения.

В повышение точки кипения это коллигативная собственность, что означает, что это зависит от присутствия растворенных частиц и их количества, но не от их идентичности. Это эффект разбавления растворителя в присутствии растворенного вещества. Это явление происходит со всеми растворенными веществами во всех растворах, даже в идеальных, и не зависит от каких-либо конкретных взаимодействий растворенного вещества и растворителя. Повышение точки кипения происходит, когда растворенное вещество электролит, такие как различные соли и неэлектролит. В термодинамический термины, происхождение повышения точки кипения энтропийный и может быть объяснено с точки зрения давление газа или же химический потенциал 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 чрезвычайно высоких температур).

С точки зрения давления пара, жидкость кипит при температуре, когда давление ее пара равно окружающему давлению. Что касается растворителя, то присутствие растворенного вещества снижает давление его пара за счет разбавления. У нелетучих растворенных веществ давление паров равно нулю, поэтому давление пара раствора меньше давления пара растворителя. Таким образом, требуется более высокая температура, чтобы давление пара достигло давления окружающей среды, а точка кипения повышается.

В терминах химического потенциала, при температуре 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 жидкая или 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 снижается 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 температуре раствора, отличной от температуры чистой жидкости, то есть температура кипения повышается.[1]

Феномен депрессия точки замерзания аналогично повышению точки кипения. Однако величина понижения точки замерзания больше, чем повышение температуры кипения для того же растворителя и той же концентрации растворенного вещества. Из-за этих двух явлений диапазон жидких веществ растворителя увеличивается в присутствии растворенного вещества.

Уравнение для расчетов при разбавленной концентрации

Степень повышения точки кипения можно рассчитать, применив Соотношение Клаузиуса – Клапейрона и Закон Рауля вместе с предположением о нелетучести растворенного вещества. В результате в разбавленных идеальных растворах степень повышения точки кипения прямо пропорциональна молярная концентрация (количество вещества на массу) решения по уравнению:[1]

ΔTб = Kб · бB

где превышение точки кипения определяется как Тб (раствор) - Тб (чистый растворитель).

  • Kб, то эбуллиоскопическая постоянная, что зависит от свойств растворителя. Его можно рассчитать как Kб = RTб2M/ΔHv, куда р это газовая постоянная, и Тб - температура кипения чистого растворителя [в К], M - молярная масса растворителя, а ΔHv это теплота испарения на моль растворителя.
  • бB это моляльность решения, рассчитанного с учетом диссоциация во внимание, поскольку повышение точки кипения является коллигативным свойством, зависящим от количества частиц в растворе. Проще всего это сделать с помощью фактор Ван 'т Гоффа я в качестве бB = брастворенное вещество · я. Фактор я учитывает количество отдельных частиц (обычно ионов), образованных соединением в растворе. Примеры:
    • я = 1 для сахар в воде
    • я = 1.9 для хлорид натрия в воде из-за почти полной диссоциации NaCl на Na+ и Cl− (часто упрощается как 2)
    • я = 2.3 для хлорид кальция в воде из-за почти полной диссоциации CaCl2 в Ca2+ и 2Cl− (часто упрощается как 3)

Не целое число я Факторы возникают из-за ионных пар в растворе, которые снижают эффективное количество частиц в растворе.

Уравнение после включения фактора Ван 'т Гоффа

ΔTб = Kб · брастворенное вещество · я

При высоких концентрациях приведенная выше формула менее точна из-за неидеальность решения. Если растворенное вещество также является летучим, одно из ключевых предположений, использованных при выводе формулы, неверно, поскольку оно получено для растворов нелетучих растворенных веществ в летучем растворителе. В случае летучих растворенных веществ более уместно говорить о смеси летучих соединений, и влияние растворенного вещества на температуру кипения должно определяться из фазовая диаграмма смеси. В таких случаях смесь может иногда иметь температуру кипения ниже, чем у любого из чистых компонентов; смесь с минимальной температурой кипения является разновидностью азеотроп.

Эбуллиоскопические константы

Значения эбуллиоскопических констант Kб для выбранных растворителей:[2]

СложныйТемпература кипения в ° CЭбуллиоскопическая постоянная Kб в единицах [(° C · кг) / моль] или [° C / моль]
Уксусная кислота118.13.07
Бензол80.12.53
Сероуглерод46.22.37
Тетрахлорметан76.84.95
Нафталин217.95.8
Фенол181.753.04
Вода1000.512

Использует

Вместе с приведенной выше формулой повышение температуры кипения в принципе можно использовать для измерения степени диссоциация или молярная масса растворенного вещества. Такой вид измерения называется эбуллиоскопия (Греческий "кипячение-просмотр"). Однако, поскольку перегрев трудно избежать, точный ΔTб измерения затруднены,[1] что частично было преодолено изобретением Термометр Бекмана. Кроме того, криоскопическая константа, определяющая депрессию точки замерзания, больше, чем эбуллиоскопическая постоянная, и, поскольку точку замерзания часто легче измерить с точностью, чаще используют криоскопия.

Среди множества городских легенд, связанных с эффектом эбуллиоскопического увеличения, одна из них приводит к добавлению соль при приготовлении макароны только после того, как вода закипела. Заблуждение состоит в том, что, поскольку вода закипает при более высокой температуре, еда готовится быстрее. Однако при приблизительной концентрации соли в воде для приготовления пищи (10 г соли на 1 кг воды или 1 чайная ложка на кварту) эбуллиоскопическое увеличение составляет примерно 0,17 ° C (0,31 ° F), что, вероятно, не будет иметь практического значения. разница для приготовления, хотя соль может добавить аромата.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c П. В. Аткинс, Физическая химия, 4-е изд., Oxford University Press, Oxford, 1994, ISBN  0-19-269042-6, п. 222-225
  2. ^ П. В. Аткинс, Физическая химия, 4-е изд., С. C17 (таблица 7.2)