WikiDer > 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)