- מהי נקודת הרתיחה?
- כיצד מחושבת נקודת הרתיחה?
- דוגמאות לנקודת רתיחה
- נקודת המסה
- נקודת קיפאון
- נקודת התכה ונקודת רתיחה של מים
אנו מסבירים מהי נקודת הרתיחה וכיצד היא מחושבת. דוגמאות לנקודת רתיחה. נקודת התכה וקיפאון.
מהי נקודת הרתיחה?
נקודת הרתיחה היא טֶמפֶּרָטוּרָה אליו ה לַחַץ קיטור מ נוזל (לחץ שמפעיל שלב הגז על הפאזה הנוזלית במערכת סגורה בטמפרטורה מסוימת) שווה ללחץ המקיף את הנוזל. כאשר זה קורה, הנוזל הופך לגז.
נקודת הרתיחה היא תכונה שתלויה מאוד בלחץ הסביבה. לנוזל הנתון ללחץ גבוה מאוד תהיה נקודת רתיחה גבוהה יותר מאשר אם נכניס אותו ללחצים נמוכים יותר, כלומר ייקח לו יותר זמן להתאדות כאשר הוא נתון ללחצים גבוהים. בשל שינויים אלה בנקודת הרתיחה, ה-IUPAC הגדיר את נקודת הרתיחה הסטנדרטית: זוהי הטמפרטורה שבה נוזל הופך לאדים בלחץ של 1 בר.
נקודה חשובה היא שאי אפשר להעלות את נקודת הרתיחה של חומר ללא הגבלת זמן. כאשר אנחנו מעלים את הטמפרטורה של נוזל כדי לעבור את נקודת הרתיחה שלו ועדיין ממשיכים להעלות אותה, אנחנו מגיעים לטמפרטורה הנקראת "טמפרטורה קריטית". הטמפרטורה הקריטית היא הטמפרטורה שמעליה לא ניתן להפוך את הגז לנוזל על ידי הגברת הלחץ, כלומר, לא ניתן להנוזל אותו. בטמפרטורה זו, אין שלב נוזלי או שלב אדים מוגדרים.
נקודת הרתיחה שונה עבור כל חומר. תכונה זו תלויה במסה המולקולרית של ה חומר וסוג הכוחות הבין-מולקולריים שהוא מציג (קשר מימן, דיפול קבוע, דיפול מושרה), אשר בתורו תלוי אם החומר הוא קוולנטי קוטבי או קוולנטי לא קוטבי (לא קוטבי).
כאשר הטמפרטורה של חומר מתחת לנקודת הרתיחה שלו, רק חלק ממנו מולקולות ממוקם על פני השטח שלה יהיה אֵנֶרְגִיָה מספיק כדי לשבור את מתח הפנים של הנוזל ולברוח לשלב האדים. מצד שני, כאשר מסופק חום למערכת, יש עלייה ב אנטרופיה של המערכת (נטייה לאי-סדר של חלקיקי המערכת).
כיצד מחושבת נקודת הרתיחה?
באמצעות משוואת Clausius-Clapeyron, ניתן לאפיין את מעברי הפאזות של מערכת המורכבת ממרכיב בודד. ניתן להשתמש במשוואה זו כדי לחשב את נקודת הרתיחה של חומרים והיא מיושמת באופן הבא:
איפה:
P1 הוא הלחץ השווה ל-1 בר, או באטמוספרות (0.986923 atm)
T1 היא טמפרטורת הרתיחה (נקודת הרתיחה) של הרכיב, הנמדדת בלחץ של 1 בר (P1) ומבוטאת במעלות קלווין (K).
P2 הוא לחץ האדים של הרכיב מבוטא בבר או באטמוספירה.
T2 היא טמפרטורת הרכיב (המבוטאת במעלות קלווין) שבה נמדד לחץ האדים P2.
𝚫H הוא שינוי האנטלפיה של הִתאַדוּת ממוצע בטווח הטמפרטורות שמחושב. זה מתבטא ב-J/mol או יחידות שוות של אנרגיה.
R הוא קבוע הגז המקביל ל-8.314 J/Kmol
ln הוא הלוגריתם הטבעי
טמפרטורת הרתיחה (נקודת הרתיחה) T1 מסולקת
דוגמאות לנקודת רתיחה
כמה נקודות רתיחה ידועות ומתועדות בתנאי לחץ רגילים (1 atm) הן כדלקמן:
- מים: 100 ºC
- הליום: -268.9 מעלות צלזיוס
- מימן: -252.8 ºC
- סידן: 1484 ºC
- בריליום: 2471 ºC
- סיליקון: 3265 ºC
- פחמן בצורת גרפיט: 4827 ºC
- בורון: 3927 ºC
- מוליבדן: 4639 ºC
- אוסמיום: 5012 ºC
- טונגסטן: 5930 ºC
נקודת המסה
נקודת ההתכה היא הטמפרטורה שבה חומר משתנה ממצב מוצק לנוזל.
הטמפרטורה שבה מוצק הופך לנוזל נקראת נקודת התכה ובמהלך המעבר של פאזה מוצק-נוזל הטמפרטורה נשמרת קבועה. במקרה זה, חום מסופק למערכת עד שהטמפרטורה שלה עולה במידה מספקת למערכת תְנוּעָה שֶׁלוֹ חלקיקים במבנה המוצק הוא גדול יותר, מה שגורם להם להיפרד ולזרום לכיוון השלב הנוזלי.
נקודת ההתכה תלויה גם בלחץ והיא שווה בדרך כלל לנקודת הקיפאון של החומר (בה נוזל הופך למוצק כשהוא מתקרר מספיק) לרוב חומרים.
נקודת קיפאון
נקודת ההקפאה היא הפוכה לנקודת ההיתוך, כלומר הטמפרטורה שבה נוזל מתכווץ, חלקיקיו מאבדים תנועה ורוכשים מִבְנֶה קשיח יותר, עמיד לדפורמציה וזיכרון צורות (ייחודי לחומרים ב מצב מוצק). כלומר, זוהי הטמפרטורה שבה הנוזל הופך למוצק. המיזוג מצריך אספקה אנרגיה קלורית למערכת, בעוד שהקפאה דורשת הסרת אנרגיית החום (קירור).
מצד שני, נקודת הקיפאון תלויה גם בלחץ. דוגמה לכך היא מה שקורה כאשר המים מתקררים לטמפרטורה של 0ºC עד 1 atm, כאשר הם קופאים והופכים לקרח. אם הוא מקורר ללחץ שונה מאוד מ-1 atm, התוצאה עשויה להיות שונה מאוד, למשל, אם הלחץ גבוה בהרבה, זה עלול לקחת זמן לקפוא, מכיוון שנקודת הקיפאון שלו יורדת.
נקודת התכה ונקודת רתיחה של מים
מים משמשים לעתים קרובות כסטנדרט בעת מדידת נקודות ההיתוך והרתיחה של חומרים. באופן כללי, בלחץ רגיל, נקודת הרתיחה שלו היא 100ºC ונקודת ההיתוך שלו היא 0ºC (במקרה של קרח). זה יכול להשתנות מאוד במקרים שבהם מים יש בו חומרים אחרים מומסים, נוזלים או מוצקים, כמו מי ים, עשירים במלחים, המשנים את תכונותיהם הפיזיקליות והכימיות.
גם השפעת הלחץ בולטת מאוד. ידוע שב-1 atm נקודת הרתיחה של מים היא 100ºC, אבל אם לוקחים אותה ל-0.06 atm, נופתע לשים לב שהרתיחה מתרחשת ב-0ºC (במקום להקפיא).