Точка кипения¶

Точка кипения — это физическая величина, характеризующая температуру, при которой происходит фазовый переход вещества из жидкого состояния в газообразное (парообразование) во всём объёме жидкости. При достижении этой температуры давление насыщенного пара над поверхностью жидкости становится равным внешнему атмосферному давлению, что приводит к образованию пузырьков пара внутри жидкости и их всплытию на поверхность.

¶Физическая сущность

Точка кипения является одним из основных физических свойств вещества, наряду с температурой плавления и критической температурой. Процесс кипения происходит при постоянной температуре, если внешнее давление остаётся неизменным. Вся подводимая к жидкости тепловая энергия расходуется на разрыв межмолекулярных связей и перевод молекул в газовую фазу, а не на повышение температуры.

Ключевым условием начала кипения является достижение давлением насыщенного пара жидкости значения, равного внешнему давлению. Давление насыщенного пара растёт с температурой, и для каждой жидкости существует своя зависимость. Поэтому точка кипения напрямую зависит от атмосферного давления: чем оно выше, тем выше температура кипения, и наоборот.

¶Зависимость от внешнего давления

Зависимость температуры кипения от давления описывается уравнением Клапейрона — Клаузиуса. Для большинства жидкостей повышение внешнего давления на 1 мм рт. ст. (около 133,3 Па) приводит к увеличению температуры кипения примерно на 0,037 °C. Эта зависимость имеет практическое значение:

• В высокогорных районах атмосферное давление ниже, чем на уровне моря. Например, на высоте 3000 м над уровнем моря вода кипит при температуре около 90 °C, что затрудняет варку продуктов и требует использования автоклавов или скороварок.
• В технике для повышения температуры кипения жидкостей применяют герметичные сосуды (автоклавы, паровые котлы), где давление может достигать десятков атмосфер. Например, в паровых турбинах вода кипит при температурах выше 300 °C.
• В вакуумной технике пониженное давление позволяет испарять жидкости при низких температурах, что используется в выпарных аппаратах, дистилляции и сублимационной сушке.

¶Точка кипения чистых веществ

Для чистых химических веществ точка кипения является строго определённой величиной при стандартном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм рт. ст.). Она занесена в справочные таблицы и используется для идентификации веществ и контроля их чистоты. Примеси, растворённые в жидкости, как правило, повышают её точку кипения (эффект эбуллиоскопии). Например, морская вода кипит при температуре около 100,7 °C из-за содержания солей.

¶Примеры точек кипения некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении

¶Классификация по температуре кипения

В химической технологии и аналитической химии вещества классифицируют по их температуре кипения:

• Низкокипящие — с температурой кипения ниже 100 °C (эфиры, спирты, углеводороды C1–C4).
• Среднекипящие — от 100 до 250 °C (бензол, толуол, ксилолы, вода).
• Высококипящие — от 250 до 500 °C (масла, глицерин, высокомолекулярные углеводороды).
• Тугоплавкие — с температурой кипения выше 500 °C (металлы, соли, оксиды).

¶Методы определения

В лабораторной практике точку кипения определяют несколькими методами:

• Капиллярный метод — в пробирку с жидкостью помещают запаянный капилляр, при нагревании из него начинают выходить пузырьки воздуха, а затем пара. Момент прекращения выделения пузырьков при охлаждении соответствует точке кипения.
• Метод Сиволабова — используется для определения температуры кипения малых количеств жидкости (0,1–0,5 мл) в специальном приборе.
• Метод с использованием термометра Бекмана — применяется для точных измерений в физической химии.
• Автоматические анализаторы — современные приборы, работающие по принципу регистрации температуры при постоянном нагреве и фиксации плато на кривой нагрева.

¶Применение в науке и технике

Знание точки кипения имеет фундаментальное значение во многих областях:

• Перегонка (дистилляция) — разделение жидких смесей на компоненты, основанное на различии их температур кипения. Применяется в нефтепереработке, производстве спирта, фармацевтике.
• Ректификация — многократная дистилляция с возвратом части конденсата для получения чистых компонентов (например, бензина, керосина, дизельного топлива).
• Стерилизация — автоклавирование при температурах выше 100 °C (обычно 120–134 °C) под давлением для уничтожения микроорганизмов.
• Криогенная техника — сжижение газов (азот, кислород, аргон, гелий) при температурах ниже -150 °C.
• Метеорология — точка кипения воды используется для калибровки барометров и альтиметров.
• Пищевая промышленность — варка, выпаривание, концентрирование сиропов и соков.

¶Точка кипения в быту

В повседневной жизни наиболее известна точка кипения воды — 100 °C. На этом свойстве основана работа чайников, скороварок, пароварок. При приготовлении пищи в горах требуется больше времени из-за более низкой температуры кипения воды. В скороварках, напротив, давление повышается, что позволяет готовить при температуре около 120 °C и сокращает время варки.

¶Критическая температура и точка кипения

При повышении температуры и давления жидкость достигает критической точки — состояния, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазами. Выше критической температуры вещество существует только в виде сверхкритического флюида, и кипение как фазовый переход не происходит. Для воды критическая температура составляет 374,1 °C, критическое давление — 22,12 МПа.

¶Источники

• Физическая энциклопедия. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990.
• Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономарёвой. — Л.: Химия, 1983.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: Наука, 1976.
• Химическая энциклопедия. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990.