Kaynama noktası -Boiling point

Kaynayan su

Bir maddenin kaynama noktası , bir sıvının buhar basıncının sıvıyı çevreleyen basınca eşit olduğu ve sıvının buhara dönüştüğü sıcaklıktır.

Bir sıvının kaynama noktası, çevredeki çevresel basınca bağlı olarak değişir. Kısmi vakumdaki bir sıvının kaynama noktası, sıvının atmosfer basıncında olduğu duruma göre daha düşüktür . Yüksek basınçtaki bir sıvının kaynama noktası, o sıvının atmosfer basıncında olduğu duruma göre daha yüksektir. Örneğin, su deniz seviyesinde 100 °C'de (212 °F) kaynar, ancak 1.905 metre (6.250 ft) yükseklikte 93.4 °C'de (200.1 °F) kaynar. Belirli bir basınç için, farklı sıvılar farklı sıcaklıklarda kaynar .

Bir sıvının normal kaynama noktası ( atmosferik kaynama noktası veya atmosferik basınç kaynama noktası olarak da adlandırılır ), sıvının buhar basıncının deniz seviyesinde tanımlanmış atmosfer basıncına, bir atmosfere eşit olduğu özel bir durumdur . Bu sıcaklıkta, sıvının buhar basıncı, atmosfer basıncının üstesinden gelmek için yeterli hale gelir ve sıvının kütlesi içinde buhar kabarcıklarının oluşmasına izin verir. Standart kaynama noktası , 1982'den beri IUPAC tarafından bir bar basınç altında kaynamanın meydana geldiği sıcaklık olarak tanımlanmıştır .

Buharlaşma ısısı , bir maddenin belirli bir miktarını (mol, kg, pound vb.) belirli bir basınçta (genellikle atmosferik basınçta) bir sıvıdan gaza dönüştürmek için gereken enerjidir.

Sıvılar, buharlaşma süreciyle kaynama noktalarının altındaki sıcaklıklarda buhara dönüşebilir . Buharlaşma, sıvının kenarına yakın konumda bulunan ve o tarafta yeterli sıvı basıncı tarafından kapsanmayan moleküllerin buhar olarak çevreye kaçtığı bir yüzey olgusudur . Öte yandan kaynama , sıvının herhangi bir yerindeki moleküllerin kaçtığı ve sıvı içinde buhar kabarcıklarının oluşmasıyla sonuçlanan bir süreçtir.

Doyma sıcaklığı ve basıncı

Bir vakum pompası kullanılarak daha düşük basınçta suyun daha düşük kaynama noktasının gösterilmesi .

Doymuş bir sıvı , kaynamadan olabildiğince fazla termal enerji içerir (veya tersine doymuş bir buhar , yoğunlaşmadan olabildiğince az termal enerji içerir ).

Doyma sıcaklığı kaynama noktası anlamına gelir . Doyma sıcaklığı, bir sıvının kaynayarak buhar fazına geçtiği karşılık gelen doyma basıncının sıcaklığıdır . Sıvının termal enerji ile doymuş olduğu söylenebilir . Herhangi bir termal enerji ilavesi bir faz geçişi ile sonuçlanır .

Bir sistemdeki basınç sabit kalırsa ( izobarik ), doyma sıcaklığındaki bir buhar, termal enerji ( ısı ) çıkarıldığında sıvı fazına yoğunlaşmaya başlayacaktır . Benzer şekilde, doyma sıcaklığındaki ve basıncındaki bir sıvı, ek termal enerji uygulandığında buhar fazına kaynar.

Kaynama noktası, sıvının buhar basıncının çevredeki çevresel basınca eşit olduğu sıcaklığa karşılık gelir. Bu nedenle kaynama noktası basınca bağlıdır. Kaynama noktaları, 101.325 kPa (veya 1 atm ) NIST, ABD standart basıncına veya 100.000 kPa'lık IUPAC standart basıncına göre yayınlanabilir. Atmosfer basıncının çok daha düşük olduğu daha yüksek irtifalarda kaynama noktası da daha düşüktür. Gaz ve sıvı özelliklerinin aynı hale geldiği kritik noktaya kadar artan basınçla kaynama noktası artar . Kaynama noktası kritik noktanın ötesine yükseltilemez. Aynı şekilde, basınç azaldıkça kaynama noktası üçlü noktaya ulaşılana kadar düşer. Kaynama noktası üçlü noktanın altına düşürülemez.

Bir sıvının belirli bir sıcaklıktaki buharlaşma ısısı ve buhar basıncı biliniyorsa, kaynama noktası Clausius-Clapeyron denklemi kullanılarak hesaplanabilir .

nerede:

ilgi basıncındaki kaynama noktasıdır,
ideal gaz sabitidir ,
sıvının buhar basıncı ,
karşılık gelenin bilindiği bir basınçtır (genellikle veriler 1 atm veya 100 kPa'da mevcuttur),
sıvının buharlaşma ısısı ,
kaynama sıcaklığı,
doğal logaritmadır .

Doyma basıncı , bir sıvının kaynayarak buhar fazına geçtiği karşılık gelen doyma sıcaklığının basıncıdır. Doyma basıncı ve doyma sıcaklığı arasında doğrudan bir ilişki vardır: doyma basıncı arttıkça doyma sıcaklığı da artar.

Bir sistemdeki sıcaklık sabit kalırsa ( izotermal bir sistem), doyma basıncındaki ve sıcaklıktaki buhar , sistem basıncı arttıkça sıvı fazına yoğunlaşmaya başlayacaktır . Benzer şekilde, doyma basıncı ve sıcaklığındaki bir sıvı, sistem basıncı azaldıkça buhar fazına geçme eğiliminde olacaktır .

Suyun standart kaynama noktasıyla ilgili iki kural vardır : Normal kaynama noktası 1 atm basınçta (yani 101.325 kPa) 99.97  °C'dir (211.9  °F ). 100 kPa (1 bar) standart basınçta  suyun IUPAC tarafından önerilen standart kaynama noktası 99.61 ° C'dir (211.3  °F ). Karşılaştırma için, Everest Dağı'nın tepesinde , 8.848 m (29.029 ft) yükseklikte, basınç yaklaşık 34  kPa (255  Torr ) ve suyun kaynama noktası 71  °C'dir (160  °F ). Celsius sıcaklık ölçeği 1954 yılına kadar iki nokta ile tanımlandı: 0 °C, suyun donma noktası ile ve 100 °C, standart atmosfer basıncında suyun kaynama noktası ile tanımlandı.

Normal kaynama noktası ile sıvıların buhar basıncı arasındaki ilişki

Çeşitli sıvılar için log-lin buhar basıncı tablosu

Bir sıvının belirli bir sıcaklıktaki buhar basıncı ne kadar yüksek olursa, sıvının normal kaynama noktası (yani, atmosfer basıncındaki kaynama noktası) o kadar düşük olur.

Sağdaki buhar basıncı çizelgesi, çeşitli sıvılar için sıcaklıklara karşı buhar basınçlarının grafiklerini içerir. Grafikte görüldüğü gibi, en yüksek buhar basıncına sahip sıvılar, en düşük normal kaynama noktasına sahiptir.

Örneğin, herhangi bir sıcaklıkta, metil klorür , tablodaki sıvılardan herhangi birinin en yüksek buhar basıncına sahiptir. Aynı zamanda en düşük normal kaynama noktasına (−24.2 °C) sahiptir; bu, metil klorürün buhar basıncı eğrisinin (mavi çizgi) mutlak buhar basıncının bir atmosferinin ( atm ) yatay basınç çizgisiyle kesiştiği yerdir.

Bir sıvının kritik noktası , gerçekten kaynayacağı en yüksek sıcaklık (ve basınç).

Ayrıca bkz . Suyun buhar basıncı .

Elementlerin özellikleri

Kaynama noktası en düşük olan element helyumdur . Hem renyum hem de tungstenin kaynama noktaları standart basınçta 5000 K'yi aşar ; Aşırı sıcaklıkları önyargı olmadan tam olarak ölçmek zor olduğundan, literatürde her ikisinin de daha yüksek kaynama noktasına sahip olduğu belirtilmiştir.

Saf bir bileşiğin referans özelliği olarak kaynama noktası

Herhangi bir saf kimyasal bileşik için sıcaklık ile buhar basıncının logaritmasının yukarıdaki grafiğinden görülebileceği gibi , normal kaynama noktası o bileşiğin genel uçuculuğunun bir göstergesi olarak hizmet edebilir . Belirli bir saf bileşik, varsa, yalnızca bir normal kaynama noktasına sahiptir ve bir bileşiğin normal kaynama noktası ve erime noktası , referans kitaplarında listelenen o bileşik için karakteristik fiziksel özellikler olarak işlev görebilir. Bir bileşiğin normal kaynama noktası ne kadar yüksekse, o bileşik genel olarak o kadar az uçucudur ve tersine, bir bileşiğin normal kaynama noktası ne kadar düşükse, o bileşik genel olarak o kadar uçucudur. Bazı bileşikler, normal kaynama noktalarına, hatta bazen erime noktalarına ulaşmadan önce daha yüksek sıcaklıklarda ayrışırlar. Kararlı bir bileşik için, kaynama noktası , dış basınca bağlı olarak üçlü noktasından kritik noktasına kadar değişir. Üçlü noktasının ötesinde, eğer varsa, bir bileşiğin normal kaynama noktası, erime noktasından daha yüksektir. Kritik noktanın ötesinde, bir bileşiğin sıvı ve buhar fazları, aşırı ısıtılmış gaz olarak adlandırılabilecek bir fazda birleşir. Herhangi bir sıcaklıkta, eğer bir bileşiğin normal kaynama noktası daha düşükse, o zaman o bileşik, atmosferik dış basınçta genellikle bir gaz olarak var olacaktır. Bileşiğin normal kaynama noktası daha yüksekse, o zaman bu bileşik, atmosferik dış basınçta belirli bir sıcaklıkta sıvı veya katı olarak var olabilir ve bu nedenle, buharları varsa (uçucuysa) buharıyla dengede var olacaktır. Bir bileşiğin buharları içerilmiyorsa, bazı uçucu bileşikler daha yüksek kaynama noktalarına rağmen sonunda buharlaşabilir.

Molar kütlenin bir fonksiyonu olarak alkanlar , alkenler , eterler , halojenoalkanlar , aldehitler , ketonlar , alkoller ve karboksilik asitlerin kaynama noktaları

Genel olarak, iyonik bağa sahip bileşikler, bu kadar yüksek sıcaklıklara ulaşmadan bozunmazlarsa, yüksek normal kaynama noktalarına sahiptirler. Birçok metalin yüksek kaynama noktaları vardır, ancak hepsi değil. Çok genel olarak - diğer faktörler eşit olmak üzere - kovalent olarak bağlı moleküllere sahip bileşiklerde, molekülün boyutu (veya moleküler kütlesi ) arttıkça normal kaynama noktası artar. Molekül boyutu bir makromolekül , polimer veya başka bir şekilde çok büyük olduğunda, bileşik genellikle kaynama noktasına ulaşılmadan önce yüksek sıcaklıkta ayrışır. Bir bileşiğin normal kaynama noktasını etkileyen diğer bir faktör, moleküllerinin polaritesidir . Bir bileşiğin moleküllerinin polaritesi arttıkça normal kaynama noktası artar, diğer faktörler eşit olur. Bir molekülün (sıvı halde) hidrojen bağları oluşturma yeteneği ile yakından ilgili olup , bu da moleküllerin sıvı halden ayrılmasını zorlaştırır ve böylece bileşiğin normal kaynama noktasını yükseltir. Basit karboksilik asitler , moleküller arasında hidrojen bağları oluşturarak dimerleşir. Kaynama noktalarını etkileyen küçük bir faktör, bir molekülün şeklidir. Bir molekülün şeklini daha kompakt hale getirmek, daha fazla yüzey alanına sahip eşdeğer bir moleküle kıyasla normal kaynama noktasını biraz düşürme eğilimindedir.

Bütan ( C 4 H 10 ) izomer kaynama noktalarının karşılaştırılması
Yaygın isim n - bütan izobütan
IUPAC adı bütan 2-metilpropan
moleküler
form
Bütan-3D-balls.png İzobütan-3D-balls.png
Kaynama
noktası (°C)
−0.5 -11.7
Pentan izomer kaynama noktalarının karşılaştırılması
Yaygın isim n - pentan izopentan neopentan
IUPAC adı pentan 2-metilbütan 2,2-dimetilpropan
moleküler
form
Pentan-3D-balls.png İzopentan-3D-balls.png Neopentan-3D-balls.png
Kaynama
noktası (°C)
36.0 27.7 9.5
Bir azeotrop olmadan yalnızca zayıf etkileşen iki varsayımsal bileşenin ikili kaynama noktası diyagramı

Çoğu uçucu bileşik (ortam sıcaklıklarına yakın herhangi bir yerde), katı bir fazdan ısınırken bir ara sıvı fazdan geçerek sonunda bir buhar fazına dönüşür. Kaynama ile karşılaştırıldığında, bir süblimleşme , bir katının doğrudan buhara dönüştüğü fiziksel bir dönüşümdür; bu , atmosfer basıncında karbondioksit gibi birkaç seçkin durumda gerçekleşir . Bu tür bileşikler için, bir süblimleşme noktası , doğrudan buhara dönüşen bir katının, dış basınca eşit bir buhar basıncına sahip olduğu bir sıcaklıktır.

Safsızlıklar ve karışımlar

Önceki bölümde saf bileşiklerin kaynama noktaları ele alındı. Maddelerin buhar basınçları ve kaynama noktaları, çözünmüş safsızlıkların (çözünürler) veya diğer karışabilir bileşiklerin varlığından etkilenebilir , etki derecesi, safsızlıkların veya diğer bileşiklerin konsantrasyonuna bağlıdır. Uçuculuğu ana bileşen bileşiğinden çok daha düşük olan tuzlar veya bileşikler gibi uçucu olmayan safsızlıkların varlığı , mol fraksiyonunu ve çözeltinin uçuculuğunu azaltır ve böylece çözünenlerin konsantrasyonuyla orantılı olarak normal kaynama noktasını yükseltir . Bu etkiye kaynama noktası yükselmesi denir . Yaygın bir örnek olarak, tuzlu su saf sudan daha yüksek bir sıcaklıkta kaynar.

Karışabilir bileşiklerin (bileşenlerin) diğer karışımlarında, her biri belirli herhangi bir basınçta kendi saf bileşen kaynama noktasına sahip, değişken uçuculukta iki veya daha fazla bileşen olabilir. Bir karışımda başka uçucu bileşenlerin bulunması, karışımdaki tüm bileşenlerin buhar basınçlarını ve dolayısıyla kaynama noktalarını ve çiy noktalarını etkiler . Çiğ noktası, bir buharın bir sıvıya yoğunlaştığı bir sıcaklıktır. Ayrıca, herhangi bir belirli sıcaklıkta, çoğu durumda buharın bileşimi sıvının bileşiminden farklıdır. Bir karışımdaki uçucu bileşenler arasındaki bu etkileri göstermek için yaygın olarak bir kaynama noktası diyagramı kullanılır. Damıtma , sıvı ve buhar fazları arasındaki bileşimdeki bu farklılıklardan yararlanan bir kaynama ve [genellikle] yoğuşma işlemidir.

Tablo

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar