Punt d'ebullició

El punt d'ebullició o la temperatura d'ebullició d'una substància és la temperatura a la que les fases líquida i gasosa es troben en equilibri, és a dir, quan la pressió de vapor del líquid s'iguala a la pressió externa. Hi ha una relació directa entre la temperatura d'ebullició i la pressió que suporti el líquid, com més gran sigui la pressió, més gran serà la temperatura d'ebullició.

La temperatura d'una substància o d'un cos és una mesura de l'energia cinètica de les seves molècules. A temperatures inferiors al punt d'ebullició, només una petita fracció de les molècules de la superfície, tenen suficient energia per a trencar la tensió superficial i escapar.

En arribar al punt d'ebullició, la majoria de les molècules són capaces de fugir des de qualsevol part del cos (no només des de la superfície). Tanmateix, per a la creació de bombolles en tot el volum del líquid, es necessiten imperfeccions o moviment, precisament a causa del fenomen de la tensió superficial. Un líquid pot escalfar-se per sobre del seu punt d'ebullició. En aquest cas parlem de sobreescalfament. En un líquid sobreescalfat, una petita pertorbació, provocarà una ebullició sobtada (i potser fins i tot explosiva) del líquid. Aquest fenomen es pot observar en escalfar aigua en un recipient llis (per exemple de Pyrex) en un microones. En afegir un sòlid (per exemple sucre) a aquesta aigua sobreescalfada, el contingut complet pot començar a bullir de manera explosiva, causant cremades a les persones properes.

El punt d'ebullició, depèn força de la pressió, a diferència del punt de fusió que ho fa molt menys. Aquesta diferència permet la intersecció de les corbes d'equilibri de fusió i ebullició en el diagrama Pressió - Temperatura, en l'anomenat punt triple, una pressió i temperatura on coexisteixen en equilibri les tres fases: sòlida, líquida i gasosa. El punt d'ebullició de l'aigua a 1 atmosfera és de 100°C

Punt d'ebullició estàndard

En les taules termodinàmiques de productes químics, no s'indica tot el diagrama de fase, només la temperatura d'ebullició en l'estat estàndard, és a dir, amb una pressió d'una atmosfera (1013,25 hPa). Aquest punt d'ebullició es denomina punt d'ebullició normal i la Temperatura d'ebullició normal. El terme punt d'ebullició s'utilitza sovint per a referir-se al punt d'ebullició normal.

La següent taula mostra les temperatures d'ebullició en l'estat estàndard (1 atm) en °C:

H −252,8

He −268,9

Li 1.342

Be 2.471

B 4.000

C 3.825

N −195,8

O −183

F −188,1

Ne −246,1

Na 882,9

Mg 1.090

Al 2.519

Si 3.265

P 280,5

S 444,6

Cl −34

Ar −185,8

K 759

Ca 1.484

Sc 2.836

Ti 3.287

V 3.407

Cr 2.671

Mn 2.061

Fe 2.861

Co 2.927

Ni 2.913

Cu 2.562

Zn 907

Ga 2.204

Ge 2.833

As 616

Se 685

Br 58,8

Kr −153,3

Rb 688

Sr 1.382

Y 3.345

Zr 4.409

Nb 4.744

Mo 4.639

Tc 4.265

Ru 4.150

Rh 3.695

Pd 2.963

Ag 2.162

Cd 767

In 2.072

Sn 2.602

Sb 1.587

Te 988

I 184,4

Xe −108,1

Cs 671

Ba 1.897

*

Hf 4.603

Ta 5.458

W 5.930

Re 5.627

Os 5.012

Ir 4.428

Pt 3.825

Au 2.856

Hg 356,6

Tl 1.473

Pb 1.749

Bi 1.564

Po 962

At

Rn −61,7

Fr 677

Ra 1.737

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

*

La 3.464

Ce 3.443

Pr 3.520

Nd 3.074

Pm 3.000

Sm 1.794

Eu 1.529

Gd 3.273

Tb 3.230

Dy 2.567

Ho 2.700

Er 2.868

Tm 1.950

Yb 1.196

Lu 3.402

**

Ac 3.198

Th 4.788

Pa 4.027

U 4.131

Np 4.273

Pu 3.228

Am 2.011

Cm 3.100

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Càlcul del punt d'ebullició

El punt d'ebullició normal pot ser calculat mitjançant l'equació de Clausius-Clapeyron:

$T_{B}={\Bigg (}{\frac {\,R\,\ln(P_{0})}{\Delta H_{vap}}}+{\frac {1}{T_{0}}}{\Bigg )}^{-1}$

on:
$T_{B}$	=Punt d'ebullició normal en Kelvin
$R$	= Constant	$T_{0}$	= La temperatura donada en Kelvin
$ln$	= logaritme en base e

Temperatura de saturació i pressió

Demostració del punt d'ebullició més sota de l'aigua a una pressió més baixa, obtinguda mitjançant l'ús d'una bomba de buit.

Un líquid saturat conté tanta energia tèrmica com pot sense bullir (o, al revés, un vapor saturat conté la menor energia tèrmica possible sense condensació).

La temperatura de saturació significa punt d'ebullició. La temperatura de saturació és la temperatura per a una pressió de saturació corresponent a la que un líquid bull en la seva fase de vapor. Es pot dir que el líquid està saturat d'energia tèrmica. Qualsevol addició d'energia tèrmica dona com a resultat una transició de fase.

Si la pressió en un sistema roman constant (isobàrica), un vapor a temperatura de saturació començarà a condensar-se en la seva fase líquida a mesura que s'elimina l'energia tèrmica (calor). De manera similar, un líquid a temperatura i pressió de saturació bullirà en la seva fase de vapor a mesura que s'apliqui energia tèrmica addicional.

El punt d'ebullició correspon a la temperatura a la qual la pressió de vapor del líquid és igual a la pressió ambiental circumdant. Per tant, el punt d'ebullició depèn de la pressió. Els punts d'ebullició poden publicar-se respecte al NIST, pressió estàndard dels EUA de 101.325 kPa (o 1 atm), o la pressió estàndard IUPAC de 100 kPa. En elevacions més altes, on la pressió atmosfèrica és molt menor, el punt d'ebullició també és menor. El punt d'ebullició augmenta amb l'augment de la pressió fins al punt crític, on les propietats del gas i del líquid es tornen idèntiques. El punt d'ebullició no es pot augmentar més enllà del punt crític. De la mateixa manera, el punt d'ebullició disminueix amb la pressió decreixent fins que s'aconsegueix el punt triple. El punt d'ebullició no pot reduir-se per sota del punt triple.

Si es coneix la calor de vaporatge i la pressió de vapor d'un líquid a una certa temperatura, el punt d'ebullició es pot calcular utilitzant l'equació de Clausius-Clapeyron, per tant:

$T_{B}={\Bigg (}{\frac {1}{T_{0}}}-{\frac {R\ \ln({\frac {P}{P_{0}}})}{\Delta H_{v}}}{\Bigg )}^{-1}$

Símbol	Nom	Valor	Unitat
$T_{B}$	Punt d'ebullició normal		K
$T_{0}$	Temperatura coneguda		K
$P_{0}$	Pressió coneguda		Pa
$P$	Pressió de vapor a $T_{0}$		Pa
$R$	Constant universal dels gasos	8.314	J / (mol K)
$\Delta H_{v}$	Entalpia de vaporatge		J / mol

La pressió de saturació és la pressió per a una temperatura de saturació corresponent a la que un líquid bull en la seva fase de vapor. La pressió de saturació i la temperatura de saturació tenen una relació directa: a mesura que augmenta la pressió de saturació, també ho fa la temperatura de saturació.

Si la temperatura en un sistema roman constant (un sistema isotèrmic), el vapor a pressió i temperatura de saturació començarà a condensar-se en la seva fase líquida a mesura que augmenta la pressió del sistema. De manera similar, un líquid a pressió i temperatura de saturació tendirà ha d'estellar en la seva fase de vapor a mesura que disminueix la pressió del sistema.

Existeixen dues convencions respecte al punt d'ebullició estàndard de l'aigua. El punt d'ebullició normal és 99,97 °C a una pressió d'1 atm (és a dir, 101.325 kPa). El punt d'ebullició estàndard recomanat per la IUPAC de l'aigua a una pressió estàndard de 100 kPa (1 bar) és de 99.61 °C). A tall de comparació, en el cim del mont Everest, a una elevació de 8.848 m), la pressió és d'aproximadament 34 kPa (255 Torr) i el punt d'ebullició de l'aigua és de 71 °C). L'escala de temperatura Celsius es va definir fins a 1954 per dos punts: 0 °C es va definir pel punt de congelació de l'aigua i 100 °C es va definir pel punt d'ebullició de l'aigua a la pressió atmosfèrica estàndard.

Relació entre el punt d'ebullició normal i la pressió de vapor dels líquids

Una taula de pressió de vapor en escala logarítmica per a diversos líquids

Com més gran sigui la pressió de vapor d'un líquid a una temperatura donada, menor serà el punt d'ebullició normal (és a dir, el punt d'ebullició a pressió atmosfèrica) del líquid.

El gràfic de pressió del vapor a la dreta mostra graphs de les pressions de vapor versus temperatures per a una varietat de líquids. Quan pot ser vist en el gràfic, els líquids amb les pressions de vapor més altes tenen la més baixa normal bullint punts.

Per exemple, en qualsevol temperatura donada, clorur de metil té la pressió de vapor més alta de qualsevol dels líquids en el gràfic. També té el més sota normal bullint punt (−24,2 °C), el qual és on la corba de pressió del vapor de clorur de metil (la línia blava) travessa la línia de pressió horitzontal d'una atmosfera (atm) de pressió de vapor absolut.

El punt crític d'un líquid és la temperatura més alta (i la pressió) a la qual realment bullirà.

Propietats dels elements

L'element amb el punt d'ebullició més baix és l'heli. Tant els punts d'ebullició de reni com de tungstè superen els 5.000 K a pressió estàndard; Pel fet que és difícil mesurar temperatures extremes precisament sense biaix, tots dos han estat citats en la literatura per tenir un punt d'ebullició més alt.

Punt d'ebullició com a propietat de referència d'un compost pur

Com pot veure's en la gràfica anterior del logaritme de la pressió de vapor enfront de la temperatura per a qualsevol compost químic pur dau, el seu punt d'ebullició normal pot servir com una indicació de la volatilitat general d'aquest compost. Un compost pur donat té només un punt d'ebullició normal, si n'hi hagués, i el punt d'ebullició i el punt de fusió normals d'un compost poden servir com a propietats físiques característiques d'aquest compost, enumerades en els llibres de referència. Com més alt sigui el punt d'ebullició normal d'un compost, menys volàtil serà el compost en general i, al revés, com més baix sigui el punt d'ebullició normal d'un compost, més volàtil serà el compost en general. Alguns compostos es descomponen a temperatures més altes abans d'aconseguir el seu punt d'ebullició normal, o fins i tot a vegades el seu punt de fusió. Per a un compost estable, el punt d'ebullició varia des del seu punt triple fins al seu punt crític, depenent de la pressió externa. Més enllà del seu punt triple, el punt d'ebullició normal d'un compost, si n'hi hagués, és més alt que el seu punt de fusió. Més enllà del punt crític, les fases líquides i de vapor d'un compost es fusionen en una sola fase, que pot denominar-se gas sobreescalfat. A qualsevol temperatura donada, si el punt d'ebullició normal d'un compost és més baix, aquest compost generalment existirà com un gas a la pressió externa atmosfèrica. Si el punt d'ebullició normal del compost és major, llavors aquest compost pot existir com un líquid o sòlid a aquesta temperatura donada a la pressió externa atmosfèrica, i així existirà en equilibri amb el seu vapor (si és volàtil) si els seus vapors estan continguts. Si els vapors d'un compost no estan continguts, alguns compostos volàtils poden evaporar-se malgrat els seus punts d'ebullició més alts.

Punts d'ebullició d'alcans, alquens, èters, haloalcans, aldehids, cetones, alcohols i àcids carboxílics com a funció de la seva massa molar

En general, els compostos amb enllaços iònics tenen punts d'ebullició normals alts, si no es descomponen abans d'aconseguir temperatures tan altes. Molts metalls tenen alts punts d'ebullició, però no tots. Generalment, en compostos amb molècules unides covalentment, a mesura que augmenta la grandària de la molècula (o massa molecular), augmenta el punt d'ebullició normal. Quan la grandària molecular es converteix en el d'una macromolècula, polímer o, d'altra banda, molt gran, el compost sovint es descompon a alta temperatura abans que s'aconsegueixi el punt d'ebullició. Un altre factor que afecta el punt d'ebullició normal d'un compost és la polaritat de les seves molècules. A mesura que augmenta la polaritat de les molècules d'un compost, augmenta el seu punt d'ebullició normal, sent iguals altres factors. Està estretament relacionada amb la capacitat d'una molècula per a formar enllaços d'hidrogen (en estat líquid), la qual cosa dificulta que les molècules abandonin l'estat líquid i, per tant, augmenten el punt d'ebullició normal del compost. Els àcids carboxílics simples es dimeritzen formant enllaços d'hidrogen entre les molècules. Un factor menor que afecta els punts d'ebullició és la forma d'una molècula. Fer que la forma d'una molècula sigui més compacta tendeix a disminuir lleugerament el punt d'ebullició normal en comparació amb una molècula equivalent amb més àrea de superfície.

Comparació dels punts d'ebullició de l'isòmer butà

Nom comú	n-butà	isobutà
Nom de IUPAC	butà	2-metilpropà
Forma Molecular
Punt d'ebullició (°C)	−0.5	−11.7

Comparació dels punts d'ebullició de l'isòmer pentà

Nom comú	n-pentà	isopentà	neopentà
Nom de IUPAC	pentà	2-metilbutà	2,2-dimetilpropà
Forma Molecular
Punt d'ebullició (°C)	36.0	27.7	9.5

Diagrama de punt d'ebullició binari de dos components hipotètics que només interactuen feblement sense un azeòtrop

La majoria dels compostos volàtils (en qualsevol lloc pròxim a la temperatura ambient) passen per una fase líquida intermèdia mentre s'escalfen des d'una fase sòlida per a transformar-se finalment en una fase de vapor. En comparació amb l'ebullició, una sublimació és una transformació física en la qual un sòlid es converteix directament en vapor, la qual cosa ocorre en alguns casos selectes, com amb el diòxid de carboni a pressió atmosfèrica. Per a tals compostos, un punt de sublimació és una temperatura a la qual un sòlid que es converteix directament en vapor té una pressió de vapor igual a la pressió externa.

Impureses i mescles

En la secció anterior, es van cobrir els punts d'ebullició dels compostos purs. Les pressions de vapor i els punts d'ebullició de les substàncies poden veure's afectats per la presència d'impureses dissoltes (soluts) o altres compostos miscibles, depenent el grau d'efecte de la concentració de les impureses o altres compostos. La presència d'impureses no volàtils com ara salis o compostos d'una volatilitat molt inferior al compost del component principal disminueix la seva fracció molar i la volatilitat de la solució i, per tant, eleva el punt d'ebullició normal en proporció a la concentració dels soluts. Aquest efecte es diu elevació del punt d'ebullició. Com a exemple comú, l'aigua salada bull a una temperatura més alta que l'aigua pura.

En altres mescles de compostos miscibles (components), pot haver-hi dos o més components de volatilitat variable, cadascun amb el seu propi punt d'ebullició de component pur a qualsevol pressió donada. La presència d'altres components volàtils en una mescla afecta les pressions de vapor i, per tant, els punts d'ebullició i de rosada de tots els components de la mescla. El punt de rosada és una temperatura a la qual un vapor es condensa en un líquid. A més, a qualsevol temperatura donada, la composició del vapor és diferent de la composició del líquid en la majoria d'aquests casos. Per a il·lustrar aquests efectes entre els components volàtils d'una mescla, s'usa comunament un diagrama de punt d'ebullició. La destil·lació és un procés d'ebullició i [generalment] condensació que aprofita aquestes diferències en la composició entre les fases líquida i vapor.

Bibliografia

• Haynes, William M. CRC Handbook of Chemistry and Physics (en anglès). Noranta-setena edició. CRC Press, 2017. ISBN 978-1-4987-5429-3. 
• Mohina, Davel. Química. Problemas y ejercicios de aplicación para Química (en castellà). Eudeba, 2010, p. 27. ISBN 978-950-23-1702-1. 

Vegeu també

• Augment ebullioscòpic
• Diagrama de Dühring
• Punt crític
• Punt triple
• Regla de Trouton
• Sobreescalfament