Повышение температуры кипения
Повышение температуры кипения — это явление, при котором температура кипения жидкости . ( растворителя ) становится выше при добавлении другого соединения, а это означает, что раствор 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 эбуллиоскопа .
Объяснение
[ редактировать ]
является Повышение температуры кипения 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 растворенного вещества между растворителями. Повышение температуры кипения происходит как в том случае, когда растворенное вещество является электролитом , например, различными солями, так и неэлектролитом. С термодинамической точки зрения причина повышения температуры кипения является энтропийной и может быть объяснена с точки зрения давления пара 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 чрезвычайно высоких температур).
Говоря языком давления пара, жидкость кипит при температуре, при которой давление ее пара равно окружающему давлению. Что касается растворителя, то присутствие растворенного вещества снижает давление его пара за счет разбавления. Нелетучее растворенное вещество имеет давление пара, равное нулю, поэтому давление пара раствора меньше давления пара растворителя. Таким образом, необходима более высокая температура, чтобы давление пара достигло окружающего давления, и температура кипения повышается.
Говоря языком 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, а 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 раствора, чем чистая жидкость, т. е. температура кипения повышена. [1]
Явление понижения температуры замерзания аналогично повышению температуры кипения. Однако величина понижения температуры замерзания больше, чем повышение температуры кипения для того же растворителя и той же концентрации растворенного вещества. Из-за этих двух явлений диапазон жидкости растворителя увеличивается в присутствии растворенного вещества.
Уравнение для расчетов при разбавленной концентрации
[ редактировать ]Степень повышения температуры 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 температуры кипения прямо пропорциональна моляльной концентрации (количеству вещества на массу) раствора согласно уравнению: [1]
- Δ T b = K b · b c
где повышение температуры кипения определяется как T b (раствор) − T b (чистый растворитель) .
- K b , эбуллиоскопическая константа , зависящая от свойств растворителя. Его можно рассчитать как K b = RT b 2 M / ΔH v , где R — газовая постоянная , а T b — температура кипения чистого растворителя [в К], M — молярная масса растворителя, а ΔH v — теплота испарения на моль растворителя. .
- b c — коллигативная моляльность , рассчитанная с учетом диссоциации , поскольку повышение температуры кипения является коллигативным свойством, зависящим от количества частиц в растворе. Это легче всего сделать, используя коэффициент Ван 'т-Гоффа i, как b c = b растворенного вещества · i , где b растворенного вещества - моляльность раствора. [2] Коэффициент i учитывает количество отдельных частиц (обычно ионов), образованных соединением в растворе. Примеры:
- i = 1 для сахара в воде
- i = 1,9 для хлорида натрия в воде из-за почти полной диссоциации NaCl на Na. + и Cl − (часто упрощается как 2)
- i = 2,3 для хлорида кальция в воде из-за почти полной диссоциации CaCl 2 на Ca 2+ и 2Cl − (часто упрощается до 3)
Нецелые i- факторы возникают из-за пар ионов в растворе, которые уменьшают эффективное количество частиц в растворе.
Уравнение после включения фактора Ван 'т-Гоффа
- Δ T b = K b · b растворенное вещество · i
При высоких концентрациях приведенная формула менее точна из-за неидеальности раствора. Если растворенное вещество также является летучим, одно из ключевых допущений, 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 необходимо определять по фазовой диаграмме смеси. В таких случаях смесь иногда может иметь температуру кипения ниже, чем у любого из чистых компонентов; Смесь с минимальной температурой кипения является разновидностью азеотропа .
Эбуллиоскопические константы
[ редактировать ]Значения эбуллиоскопических констант К б для выбранных растворителей: [3]
| Сложный | Точка кипения в °C | Эбуллиоскопическая константа K b в единицах [(°С·кг)/моль] или [°С/моль] |
|---|---|---|
| Уксусная кислота | 118.1 | 3.07 |
| Бензол | 80.1 | 2.53 |
| Сероуглерод | 46.2 | 2.37 |
| Четыреххлористый углерод | 76.8 | 4.95 |
| Нафталин | 217.9 | 5.8 |
| Фенол | 181.75 | 3.04 |
| Вода | 100 | 0.512 |
Использование
[ редактировать ]Вместе с приведенной выше формулой повышение температуры кипения в принципе можно использовать для измерения степени диссоциации или молярной массы растворенного вещества. Такой вид измерения называется эбуллиоскопией ( латино - греческое «кипение-просмотр»). Однако, поскольку перегрева трудно избежать, точные измерения ΔT b провести сложно. [1] которое было частично преодолено изобретением термометра Бекмана . Кроме того, криоскопическая константа, определяющая депрессию точки замерзания, больше, чем эбуллиоскопическая константа, и, поскольку точку замерзания часто легче измерить с точностью, чаще используют криоскопию .
См. также
[ редактировать ]- Коллигативные свойства
- Депрессия точки замерзания
- Правило Дюринга
- Список информации о кипячении и замерзании растворителей
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с П. В. Аткинс, Физическая химия , 4-е изд., Издательство Оксфордского университета, Оксфорд, 1994 г., ISBN 0-19-269042-6 , с. 222-225
- ^ «Коллигативные свойства и моляльность — UBC Wiki» .
- ^ П. В. Аткинс, Физическая химия , 4-е изд., стр. С17 (табл. 7.2)