Erhöhung des Siedepunkts ohne Änderung der physikalischen Bedingungen

Dies wird als kolligative Eigenschaft von Flüssigkeiten bezeichnet, und die Siedepunkterhöhung ist abhängig von der Anzahl der Teilchen in der Flüssigkeit pro Volumeneinheit und unabhängig von der molekularen oder ionischen Spezies der Teilchen. Viele weitere Informationen finden Sie unter https://en.wikipedia.org/wiki/Colligative_properties . Um die Frage zu beantworten, wie ein Siedepunktanstieg gesehen wird, ist meine beste Vermutung, dass entweder die zusätzlichen nichtflüchtigen Partikel in der Mischung die Verdunstung von Wasser an der Oberfläche behindern, indem sie physikalisch im Weg stehen, oder dass diese Partikel Wasserstoffbrückenbindungen bilden mit Wassermolekülen und erschweren es ihnen, die Oberfläche zu verlassen.

Bei der fraktionierten Destillation können Sie einem flüssigen Gemisch nur eine Temperatur zuführen. Jede Komponente in der Mischung wird aus dieser Mischung herauskochen, so dass die Komponenten mit höherem Dampfdruck in dem resultierenden Dampf relativ zu Komponenten mit niedrigeren Dampfdrücken selektiv angereichert werden. Für Mischungen aus geradkettigen Kohlenwasserstoffen ist das Verhältnis zwischen der Dampfzusammensetzung und der Flüssigkeitszusammensetzung praktisch "ideal", was die Verwendung von K-Werten ermöglicht, die in https://en.wikipedia.org/wiki/Relative_volatility gezeigt werden . Bei Mischungen von Dingen wie unpolaren Molekülen, die mit polaren Molekülen gemischt sind, ist diese Beziehung viel komplizierter, und es werden Fugazitätskoeffizienten verwendet, wie in https://en.wikipedia.org/wiki/Fugacity gezeigt. Beachten Sie, dass es, wenn keine kolligativen Eigenschaften vorhanden wären, zu glauben wäre, dass die fraktionierte Destillation nicht funktionieren würde, da die fraktionierte Destillation von den Dampfdrücken der Komponenten abhängt und nicht davon, ob diese Dampfdrücke durch eine nichtflüchtige Mischung gesenkt werden oder nicht Komponente.

Der Schlüssel zur Siedepunkterhöhung (und Gefrierpunkterniedrigung) besteht darin, dass die Verunreinigung in der flüssigen Phase bleibt, wo sie glücklich gelöst bleibt, anstatt zu kochen oder zu gefrieren.

Wenn Sie Salzwasser kochen, kocht das Salz nicht (anders gesagt, es ist nicht flüchtig). Wenn Sie Salzwasser einfrieren, wird in ähnlicher Weise fast kein Salz im Eis eingeschlossen, sondern stattdessen von der wachsenden Kristallstruktur getrennt, die keinen Platz dafür hat.

Wir haben jetzt die Grundlage für eine vereinfachte Erklärung: Wir wissen, dass die Konzentration von Wasser in unreinem Wasser geringer sein muss als in reinem Wasser (wo es 100% ist, wie es in Wasserdampf und Eis der Fall ist). Infolgedessen müssen wir die treibende Kraft zum Sieden erhöhen, indem wir die Temperatur erhöhen, um diese niedrigere Konzentration auszugleichen. Mit anderen Worten, weil es weniger Wassermoleküle pro Einheit gibt, müssen wir ihnen einen zusätzlichen thermischen Kick geben, damit sie einen Dampfdruck von 1 atm erreichen, die Schwelle zum Sieden. (Im Gegensatz dazu müssen wir die treibende Kraft zum Gefrieren erhöhen, indem wir die Temperatur senken .)

Hier ist eine technischere Erklärung: Eine Phasenumwandlung findet dort statt, wo die sogenannten chemischen Potentiale zweier Phasen gleich sind. (Das chemische Potential ist wie eine verallgemeinerte Konzentration, die die Bindung berücksichtigt – und genau wie bei der Konzentration neigt Materie dazu, sich in Bereiche zu verschieben, in denen ihr chemisches Potential relativ niedrig ist.) Das chemische Potential von Wasser in unreinem Wasser ist niedriger als in reinem Wasser , so dass die flüssige Phase gegenüber der festen und gasförmigen Phase bevorzugt wird. Dies ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass der Siedepunkt erhöht und der Gefrierpunkt gesenkt wurde.

Wir können diesen Effekt auch schematisch darstellen.Unten ist ein Schema des chemischen Potentials gegenüber der Temperatur für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Die Steigung jeder Kurve ist die Entropie dieser Phase (hoch für Gase, niedrig für Feststoffe), und der absolute Nullpunkt ist die Enthalpie (etwas höher für Flüssigkeiten als Feststoffe wegen der schlechten intermolekularen Bindung, viel höher für Gase wegen). das Fehlen einer solchen Bindung). Die niedrigste Kurve bei einer gegebenen Temperatur ist immer die Gleichgewichtsphase bei dieser Temperatur. Beachten Sie, dass, wenn die Flüssigkeitskurve abfällt (weil die Wasserkonzentration abnimmt, wenn Sie Verunreinigungen hinzufügen), der Schnittpunkt mit der reinen Feststoffkurve zu einer niedrigeren Temperatur und der Schnittpunkt mit der reinen Gaskurve zu einer höheren Temperatur verschoben wird. Dies veranschaulicht das gleiche Phänomen der Siedepunkterhöhung und Gefrierpunkterniedrigung.