Punctul de fierbere al unui lichid este mai mic decât. De ce este diferit punctul de fierbere al apei în diferite condiții? Cum să crești un cristal
Acasă
Vaporizarea poate apărea nu numai ca urmare a evaporării, ci și în timpul fierberii. Să luăm în considerare fierberea din punct de vedere energetic. Există întotdeauna puțin aer dizolvat într-un lichid. Când un lichid este încălzit, cantitatea de gaz dizolvată în el scade, drept urmare o parte din acesta este eliberată sub formă de bule mici pe fundul și pereții vasului și pe particulele solide nedizolvate suspendate în lichid. Lichidul se evaporă în aceste bule de aer. În timp, vaporii din ele devin saturați. Odată cu încălzirea suplimentară, presiunea crește abur saturat în interiorul bulelor și volumul acestora. Când presiunea vaporilor din interiorul bulelor devine egală cu presiunea atmosferică, acestea se ridică la suprafața lichidului sub influența forței de plutire a lui Arhimede, izbucnesc și iese abur din ele. Vaporizarea care are loc simultan atât de la suprafața lichidului, cât și din interiorul lichidului însuși în bule de aer se numește fierbere. Se numește temperatura la care presiunea vaporilor saturați din bule devine egală cu presiunea exterioară.
punct de fierbere Deoarece la aceleași temperaturi presiunile vaporilor saturați ai diferitelor lichide sunt diferite, atunci la temperaturi diferite devin egale cu presiunea atmosferică. Acest lucru face ca diferite lichide să fiarbă la temperaturi diferite. Această proprietate
Din faptul că fierberea are loc atunci când presiunea vaporilor saturați este egală cu presiunea exterioară asupra lichidului, rezultă că punctul de fierbere al lichidului depinde de presiunea exterioară. Dacă este crescută, lichidul fierbe la o temperatură mai mare, deoarece vaporii saturati necesită o temperatură mai mare pentru a atinge această presiune. Dimpotrivă, la presiune redusă lichidul fierbe la o temperatură mai scăzută. Acest lucru poate fi verificat prin experiență. Se încălzește apa din balon până la fierbere și se scoate lampa cu alcool (Fig. 37, a). Apa nu mai fierbe. După ce a închis balonul cu un dop, vom începe să scoatem aerul și vaporii de apă din acesta cu o pompă, reducând astfel presiunea asupra apei, care, ca urmare, a forțat să fiarbă în balonul deschis, prin pomparea aerului în balon vom crește presiunea asupra apei (Fig. 37, b) Se oprește fierberea sub presiune. 1 atm apa fierbe la 100°C, iar la 10 atm- la 180° C. Această dependență este folosită, de exemplu, în autoclave, în medicina pentru sterilizare, în gătit pentru a grăbi gătirea produselor alimentare.
Pentru ca un lichid să înceapă să fiarbă, trebuie să fie încălzit la temperatura de fierbere. Pentru a face acest lucru, trebuie să distribuiți energie lichidului, de exemplu, cantitatea de căldură Q = cm(t° până la - t° 0). La fierbere, temperatura lichidului rămâne constantă. Acest lucru se întâmplă deoarece cantitatea de căldură raportată în timpul fierberii este cheltuită nu pentru creșterea energiei cinetice a moleculelor lichide, ci pentru munca de rupere a legăturilor moleculare, adică pentru vaporizare. La condensare, se eliberează aburul, conform legii conservării energiei mediu cantitatea de căldură care a fost consumată pentru vaporizare. Condensul are loc la punctul de fierbere, care rămâne constant în timpul procesului de condensare. (Explicați de ce).
Să creăm o ecuație de echilibru termic pentru vaporizare și condensare. Aburul, preluat la punctul de fierbere al lichidului, intră în apă în calorimetru prin tubul A (Fig. 38, a), se condensează în acesta, dându-i cantitatea de căldură cheltuită pentru producerea lui. Apa și calorimetrul primesc o cantitate de căldură nu numai din condensarea aburului, ci și din lichidul care se obține din acesta. Datele mărimilor fizice sunt date în tabel. 3.
Aburul de condensare degaja cantitatea de căldură Q p = rm 3(Fig. 38, b). Lichidul obținut din abur, răcit de la t° 3 la θ°, a cedat o cantitate de căldură Q 3 = c 2 m 3 (t 3° - θ°).
Calorimetrul și apa, încălzite de la t° 2 la θ° (Fig. 38, c), au primit cantitatea de căldură
Q1 = c1 m1 (θ° - t°2); Q2 = c2m2 (θ° - t°2).
Pe baza legii conservării și transformării energiei
Q p + Q 3 = Q 1 + Q 2,
Una dintre legile de bază este descoperită de chimistul francez F. M. Raoul în 1887. un model care determină anumite proprietăți ale soluțiilor care depind de concentrație, dar nu de natura substanței dizolvate.
Francois Marie Raoult(1830 - 1901) - chimist și fizician francez, membru corespondent al Academiei de Științe din Paris (1890).
Din 1867 - la Universitatea din Grenoble (profesor din 1870).
Membru corespondent al Academiei de Științe din Sankt Petersburg (1899).
Deasupra oricărei faze lichide există întotdeauna o anumită cantitate (în funcție de condițiile externe) de fază gazoasă constând din aceeași substanță. Astfel, există întotdeauna vapori de apă deasupra apei din atmosferă. Cantitatea acestei faze de vapori se exprimă printr-o presiune parțială (concentrație de gaz) egală cu totalul, cu condiția ca gazul să ocupe volumul total de gaz. Proprietățile fizice ale soluțiilor (solubilitatea, înghețul și punctele de fierbere) sunt determinate în primul rând de modificările presiunii de vapori saturați a solventului deasupra soluției. Francois Raoult a descoperit că presiunea de vapori saturați a unui solvent deasupra unei soluții este întotdeauna mai mică decât deasupra unui solvent pur și a derivat următoarea relație: p 0 –
presiune parțială
vapori de solvent peste solvent pur;
p i – presiunea parțială a vaporilor de solvent deasupra soluției;
n i este fracția molară a substanței dizolvate.Astfel, una dintre legile de bază care determină proprietățile fizice ale soluțiilor poate fi formulată după cum urmează:
scăderea relativă a presiunii vaporilor saturați
de solvent deasupra soluției este egală cu fracția molară a solutului.
Această lege cea mai importantă a explicat modificările temperaturilor de tranziție de fază pentru soluții în raport cu un solvent pur.
Modificarea temperaturilor de îngheț
Scăderea temperaturii de cristalizare a soluțiilor diluate nu depinde de natura soluției și este direct proporțională cu concentrația molală a soluției:
Aici: m– molalitatea soluției; LA– constantă crioscopică, constantă pentru fiecare solvent. Pentru apă, K = 1,86 0, ceea ce înseamnă că toate soluțiile apoase de un molar trebuie să înghețe la o temperatură de - 1,86 0 C.
Deoarece concentrația acestuia din urmă crește pe măsură ce solventul cristalizează din soluție, soluțiile nu au un punct de îngheț specific și cristalizează într-un anumit interval de temperatură.
Modificarea punctelor de fierbere
Un lichid fierbe la temperatura la care presiunea totală a vaporilor saturați devine egală cu presiunea exterioară. Dacă substanța dizolvată este nevolatilă (adică presiunea sa de vapori saturați deasupra soluției poate fi neglijată), atunci presiunea totală a vaporilor saturați deasupra soluției este egală cu presiunea parțială a vaporilor a solventului. În acest caz, presiunea vaporilor saturați deasupra soluției la orice temperatură va fi mai mică decât peste solventul pur și egalitatea cu presiunea sa externă va fi atinsă la o temperatură mai mare. Astfel, punctul de fierbere al unei soluții dintr-o substanță nevolatilă Tb este întotdeauna mai mare decât punctul de fierbere al unui solvent pur la aceeași presiune Tb. De aici al doilea corolar al legii lui Raoult:
Creșterea punctului de fierbere al soluțiilor diluate de substanțe nevolatile nu depinde de natura substanței dizolvate și este direct proporțională cu concentrația molală a soluției:
Aici: m– molalitatea soluției; E– constantă ebulioscopică, constantă pentru fiecare solvent. Pentru apă, E = 0,56 0, ceea ce înseamnă că toate soluțiile apoase de un molar ar trebui să înceapă să fiarbă la o temperatură de 100,56 0 C la presiune standard.
Când fierbe, lichidul începe să se transforme rapid în abur, iar în el se formează bule de abur și se ridică la suprafață. Când este încălzit, aburul apare mai întâi numai pe suprafața lichidului, apoi acest proces începe pe întregul volum. Pe fundul și pereții tigaii apar bule mici. Pe măsură ce temperatura crește, presiunea din interiorul bulelor crește, acestea cresc în dimensiune și cresc în sus.
Când temperatura atinge așa-numitul punct de fierbere, începe formarea rapidă de bule, sunt multe, iar lichidul începe să fiarbă. Se formează abur, a cărui temperatură rămâne constantă până când toată apa este prezentă. Dacă vaporizarea are loc în condiții normale, la o presiune standard de 100 mPa, temperatura acesteia este de 100°C. Dacă creșteți artificial presiunea, puteți obține abur supraîncălzit. Oamenii de știință au reușit să încălziți vaporii de apă la o temperatură de 1227 ° C cu o încălzire suplimentară, disocierea ionilor transformă aburul în plasmă.
La o compoziție dată și o presiune constantă, punctul de fierbere al oricărui lichid este constant. În manuale și manuale puteți vedea tabele care indică punctul de fierbere al diferitelor lichide și chiar al metalelor. De exemplu, apa fierbe la o temperatură de 100°C, la 78,3°C, eterul la 34,6°C, aurul la 2600°C și argintul la 1950°C. Aceste date sunt pentru o presiune standard de 100 mPa, sunt calculate la nivelul mării.
Cum se schimbă punctul de fierbere
Dacă presiunea scade, punctul de fierbere scade, chiar dacă compoziția rămâne aceeași. Asta înseamnă că dacă urci un munte de 4000 de metri înălțime cu o oală cu apă și îl pui pe foc, apa va fierbe la 85°C, iar asta va necesita mult mai puțin lemn de foc decât dedesubt.
Gospodinele vor fi interesate de o comparație cu o oală sub presiune, în care presiunea este crescută artificial. În același timp, crește și punctul de fierbere al apei, datorită căruia alimentele se gătesc mult mai repede. Oalele sub presiune moderne vă permit să schimbați fără probleme temperatura de fierbere de la 115 la 130°C sau mai mult.
Un alt secret al punctului de fierbere al apei constă în compoziția acesteia. Apa tare, care conține diverse săruri, durează mai mult până fierbe și necesită mai multă energie pentru a se încălzi. Dacă adăugați două linguri de sare la un litru de apă, punctul de fierbere al acestuia va crește cu 10°C. Același lucru se poate spune despre zahăr, 10% sirop de zahar fierbe la o temperatură de 100,1°C.
Fierbere- aceasta este vaporizarea care are loc simultan atât de la suprafață, cât și pe întregul volum al lichidului. Constă în faptul că numeroase bule plutesc în sus și izbucnesc, provocând un clocot caracteristic.
După cum arată experiența, fierberea unui lichid la o anumită presiune externă începe la o temperatură bine definită, care nu se modifică în timpul procesului de fierbere și poate avea loc numai atunci când energie este furnizată din exterior ca urmare a schimbului de căldură (Fig. 1). ):
unde L este căldura specifică de vaporizare la punctul de fierbere.
Mecanism de fierbere: un lichid conține întotdeauna un gaz dizolvat, al cărui grad de dizolvare scade odată cu creșterea temperaturii. În plus, există gaz adsorbit pe pereții vasului. Când lichidul este încălzit de jos (Fig. 2), gazul începe să fie eliberat sub formă de bule la pereții vasului. Lichidul se evaporă în aceste bule. Prin urmare, pe lângă aer, ele conțin abur saturat, a cărui presiune crește rapid odată cu creșterea temperaturii, iar bulele cresc în volum și, în consecință, forțele lui Arhimede care acționează asupra lor cresc. Când forța de plutire devine mai mare decât gravitația bulei, aceasta începe să plutească. Dar până când lichidul este încălzit uniform, pe măsură ce urcă, volumul bulei scade (presiunea vaporilor saturați scade odată cu scăderea temperaturii) și, înainte de a ajunge la suprafața liberă, bulele dispar (se prăbușesc) (Fig. 2, a), ceea ce de aceea auzim un zgomot caracteristic înainte de fierbere. Când temperatura lichidului se egalizează, volumul bulei va crește pe măsură ce crește, deoarece presiunea vaporilor saturați nu se modifică, iar presiunea externă a bulei, care este suma presiunii hidrostatice a lichidului deasupra bulei. iar presiunea atmosferică scade. Bula ajunge la suprafața liberă a lichidului, izbucnește și iese abur saturat (Fig. 2, b) - lichidul fierbe. Presiunea vaporilor saturați din bule este aproape egală cu presiunea externă.
Se numește temperatura la care presiunea vaporilor saturați a unui lichid este egală cu presiunea exterioară de pe suprafața lui liberă Se numește temperatura la care presiunea vaporilor saturați din bule devine egală cu presiunea exterioară lichide.
Deoarece presiunea vaporilor saturați crește odată cu creșterea temperaturii, iar în timpul fierberii trebuie să fie egală cu presiunea exterioară, atunci cu creșterea presiunii externe punctul de fierbere crește.
Punctul de fierbere depinde și de prezența impurităților, de obicei crescând odată cu creșterea concentrației de impurități.
Dacă mai întâi eliberați lichidul din gazul dizolvat în el, atunci acesta poate fi supraîncălzit, adică. se încălzește peste punctul de fierbere. Aceasta este o stare instabilă a lichidului. Sunt suficiente șocuri mici și lichidul fierbe, iar temperatura acestuia scade imediat la punctul de fierbere.
Deoarece presiunea vaporilor de saturație este determinată în mod unic de temperatură, iar fierberea unui lichid are loc în momentul în care presiunea de vapori de saturație a acestui lichid este egală cu presiunea externă, punctul de fierbere trebuie să depindă de presiunea externă. Cu ajutorul experimentelor este ușor de arătat că atunci când presiunea externă scade, punctul de fierbere scade, iar când presiunea crește, acesta crește.
Fierberea unui lichid la presiune redusă poate fi demonstrată folosind următorul experiment. Apa de la robinet se toarnă într-un pahar și se coboară un termometru în el. Un pahar cu apă este plasat sub capacul de sticlă al unității de vid și pompa este pornită. Când presiunea de sub capotă scade suficient, apa din pahar începe să fiarbă. Deoarece energia este cheltuită pentru formarea aburului, temperatura apei din pahar începe să scadă pe măsură ce fierbe, iar când pompa funcționează bine, apa îngheață în cele din urmă.
Incalzirea apei la temperaturi ridicate efectuate în cazane și autoclave. Structura autoclavei este prezentată în Fig. 8.6, unde K este o supapă de siguranță, este o pârghie care apasă pe supapă, M este un manometru. La presiuni mai mari de 100 atm, apa este încălzită la temperaturi de peste 300 °C.
Tabelul 8.2. Punctele de fierbere ale unor substanțe
Punctul de fierbere al unui lichid la normal presiunea atmosferică numit punct de fierbere. De la masă 8.1 și 8.2 este clar că presiunea vaporilor de saturație pentru eter, apă și alcool la punctul de fierbere este 1,013 105 Pa (1 atm).
Din cele de mai sus rezultă că în minele de adâncime apa trebuie să fiarbă la o temperatură de peste 100 °C, iar în zonele muntoase - sub 100 °C. Deoarece punctul de fierbere al apei depinde de altitudinea deasupra nivelului mării, pe scara termometrului, în loc de temperatură, puteți indica înălțimea la care fierbe apa la această temperatură. Determinarea înălțimii folosind un astfel de termometru se numește hipsometrie.
Experiența arată că punctul de fierbere al unei soluții este întotdeauna mai mare decât punctul de fierbere al unui solvent pur și crește odată cu creșterea concentrației soluției. Cu toate acestea, temperatura vaporilor deasupra suprafeței soluției de fierbere este egală cu punctul de fierbere al solventului pur. Prin urmare, pentru a determina punctul de fierbere al unui lichid pur, este mai bine să plasați termometrul nu în lichid, ci în vapori deasupra suprafeței lichidului de fierbere.
Procesul de fierbere este strâns legat de prezența gazului dizolvat în lichid. Dacă gazul dizolvat în el este îndepărtat dintr-un lichid, de exemplu, prin fierbere prelungită, atunci acest lichid poate fi încălzit la o temperatură semnificativ mai mare decât punctul său de fierbere. Un astfel de lichid se numește supraîncălzit. În absența bulelor de gaz, formarea de bule de vapori minuscule, care ar putea deveni centre de vaporizare, este împiedicată de presiunea Laplace, care este mare la o rază mică a bulei. Aceasta explică supraîncălzirea lichidului. Când fierbe, fierberea are loc foarte violent.