Повышение температуры кипения без изменения физических условий

Это называется коллигативным свойством жидкостей, и повышение температуры кипения зависит от количества частиц в жидкости на единицу объема и не зависит от молекулярного или ионного состава частиц. Дополнительную информацию можно найти на странице https://en.wikipedia.org/wiki/Colligative_properties . Чтобы ответить на вопрос о том, как наблюдается повышение температуры кипения, я могу предположить, что либо дополнительные нелетучие частицы в смеси препятствуют испарению воды на поверхности, физически мешая, либо эти частицы образуют водородные связи. с молекулами воды и затрудняет их выход с поверхности.

Что касается фракционной перегонки, вы можете задать только одну температуру жидкой смеси. Каждый компонент в смеси будет выкипать из этой смеси, так что компоненты с более высоким давлением паров будут селективно обогащены полученным паром по сравнению с компонентами с более низким давлением паров. Для смесей углеводородов с прямой цепью соотношение между составом пара и составом жидкости является практически «идеальным», что позволяет использовать значения K, показанные на https://en.wikipedia.org/wiki/Relative_volatility . Для смесей таких вещей, как неполярные молекулы, смешанные с полярными молекулами, эта взаимосвязь намного сложнее, и используются коэффициенты фугитивности, как показано на https://en.wikipedia.org/wiki/Fugacity.. Обратите внимание, что если бы коллигативные свойства не существовали, было бы «натяжкой» думать, что фракционная перегонка не будет работать, поскольку фракционная перегонка зависит от давления паров компонентов, а не от того, подавляется ли это давление паров какой-либо нелетучей смесью. компонент.

Ключом к повышению температуры кипения (и понижению точки замерзания) является то, что примесь остается в жидкой фазе, где она благополучно остается растворенной, а не кипит или замерзает.

Когда вы кипятите соленую воду, соль не кипит (другими словами, она нелетучая). Точно так же, когда вы замораживаете соленую воду, почти никакая соль не задерживается во льду, а вместо этого отделяется от растущей кристаллической структуры, в которой для нее нет места.

Теперь у нас есть основа для упрощенного объяснения: мы знаем, что концентрация воды в нечистой воде должна быть меньше, чем в чистой воде (где она равна 100%, как в водяном паре и льду). В результате мы должны увеличить движущую силу кипения, увеличив температуру, чтобы компенсировать эту более низкую концентрацию. Другими словами, поскольку молекул воды на единицу меньше, мы должны дать им дополнительный тепловой удар, чтобы они достигли давления пара в 1 атм, порога кипения. (Наоборот, мы должны увеличить движущую силу замерзания, понизив температуру.)

Вот более техническое объяснение: фазовое превращение происходит там, где так называемые химические потенциалы двух фаз равны. (Химический потенциал подобен обобщенной концентрации, которая учитывает связь, и, как и в случае с концентрацией, материя имеет тенденцию перемещаться в области, где ее химический потенциал относительно низок.) Химический потенциал воды в нечистой воде ниже, чем в чистой воде. , поэтому жидкая фаза предпочтительнее твердой и газовой фаз. Это равносильно утверждению, что температура кипения повысилась, а температура замерзания понизилась.

Мы также можем показать этот эффект схематически.Ниже приведена схема зависимости химического потенциала от температуры для твердого тела, жидкости и газа. Наклон каждой кривой представляет собой энтропию этой фазы (высокая для газов, низкая для твердых тел), а точка пересечения с абсолютным нулем представляет собой энтальпию (немного выше для жидкостей, чем для твердых тел из-за плохой межмолекулярной связи, намного выше для газов из-за отсутствие такой связи). Самая нижняя кривая при любой заданной температуре всегда является равновесной фазой при этой температуре. Обратите внимание, что если кривая жидкости пропущена (поскольку концентрация воды уменьшается при добавлении примесей), точка пересечения со сплошной кривой смещается к более низкой температуре, а точка пересечения с кривой чистого газа смещается к более высокой температуре. Это иллюстрирует одно и то же явление повышения точки кипения и понижения точки замерзания.