نقطة غليان

نقطة الغليانBoiling point لمادة هى درجة الحررة التى تتغير فيها من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية خلال كل جزء من أجزاء السائل. ويمكن أن يتحول السائل إلى غاز في درجة حرارة أقل من درجة حرارة الغليان خلال عملية التبخر. وعمومًا فإن التبخر ظاهرة سطحية والتى تتبخر فيها جزيئات السائل القريبة من سطح الغاز/السائل. الغليان على الناحية الأخرى هو عملية تتم لكل الجزيئات في أي مكان في السائل يحدث له تبخر, وينتج من ذلك فقاعات بخار.

وتعتمد درجة غليان أي مادة على الضغط الجوي. ويتم حساب درجات الغليان على أساس أن الضغط الجوي عند سطح البحر يعادل 101,3 كيلو باسكال، مالم يذكر غير ذلك. ويتناقص الضغط الجوي بالارتفاع عن سطح البحر، وعليه فإن قيم الضغط البخاري المقابلة لنقط الغليان والمطلوبة لحدوث الغليان تتناقص بدورها. وبناءً على ذلك فإن نقطة غليان مادة ما تنخفض مع زيادة الارتفاع عن سطح البحر. وعلى سبيل المثال، فإن نقطة غليان الماء عند سطح البحر تساوي 100°م ولكنها تساوي 72°م على ارتفاع 3,000م فوق سطح البحر.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

كيف يؤثر الضغط في الغليان

عند وضع سائل ما في وعاء مغلق، مع ترك فراغ فوق سطح السائل، يتحول بعض هذا السائل إلى بخار. ويسمى الضغط الناتج عن هذا البخار على سطح السائل بالضغط البخاري. وتثبت قيمة الضغط البخاري عندما تتساوى مع ضغط السائل.

ولو فتح الوعاء وكان الضغط الجوي يزيد عن الضغط البخاري، فلا يحدث شيء للسائل على الإطلاق. ويحتجز ضغط الهواء بخار السائل، على سطح السائل مما يؤدي إلى ثبات الضغط البخاري بدرجة كبيرة. ولكن لو كان الضغط الجوي مساويًا أو أقل من الضغط البخاري، فإن السائل يغلي. وأثناء الغليان، تتكون فقاقيع من البخار بداخل السائل وترتفع إلى سطح السائل. وبهذا يدفع البخار الهواء، ويتسرب من الفراغ الموجود فوق سطح السائل. وبسبب تسرب هذا البخار، فإن ضغطه لا يمكن أن يثبت، ويتبخر السائل كله.

وليس ضروريًا أن يصل السائل إلى نقطة الغليان حتى يتبخر كليًا. ويمكن توضيح هذه الحقيقة بوضع بعض الماء البارد في وعاء قليل العمق ووتعريضه للشمس في يوم شديد الحرارة. في هذه الحالة، يزيد الضغط الجوي، عن الضغط البخاري، ولذلك يبقى بخار الماء محتجزًا فوق سطح الماء. ولكن حرارة الشمس تعطي بعض جزيئات البخار طاقة حركية كافية للتغلب على الضغط الجوي والهروب إلى الهواء. وإذا جرف تيار الهواء بدوره جزئيات إضافية من البخار بعيدًا، فإن كميات إضافية من الماء تتحوّل إلى بخار وتزداد سرعة عملية التبخر. ونتيجة لذلك، يجف الماء في الوعاء بسرعة فائقة.

لماذا تختلف درجات الغليان. تختلف درجات الغليان لاختلاف قوة الربط بين جُزَيْئات مادة ما عن قوة ربط الجزيئات في المواد الأخرى. وكلما زادت قوة الربط بين الجزيئات في مادة ما، انخفض الضغط البخاري لهذه المادة وكلما انخفض الضغط البخاري لمادة ما، ارتفعت نقطة غليانها. فمثلاً، ترتبط جزيئات الماء بعضها ببعض بشدة. ولهذا فإن الضغط البخاري للماء منخفض جدًا، ونقطة غليانه 100°م على العكس من النتيروجين، الذي لا ترتبط جزيئاته معًا بنفس القوة التي ترتبط بها جزيئات الماء، فإن ضغطه البخاري أعلى ونقطة غليانه أقل بكثير (-195,8°م).

وبعض المواد تمتاز بوجود روابط قوية جدًا بين جزيئاتها ولا يكون لها في الغالب ضغط بخاري عند جميع درجات الحرارة اليومية. هذه المواد تغلي عند درجات حرارة عالية للغاية. فمثلاً، يتحول الذهب للصورة السائلة عند درجة 1064,43°م ، ونقطة غليانه 2,807°م. بينما نقطة غليان الحديد، الذي يتحول إلى سائل عند 1,535°م، هي 2,750°م.

فمثلاً الهيليوم هو أقل العناصر في درجة الغليان. وأكثر العناصر في درجة الغليان هو الرينيوم. حيتث تتعدى درجة حرارة غليانه هو والتنجستين 5000 كلفن في الضغط القياسي, ونظرا لصعوبة قياس ذلك بدقة فإنه لا يعرف بدقة ما إذا كان الرينيوم أو التنجستين له درجة حرارة غليان أعلى.

عملية التحول من سائل إلى غاز تتطلب كمية من الحرارة تسمى الحراة الكامنة للتبخر. وبزيادة كمية الحرارة الواقعة على أى سائل عن نقطة الغليان ، فإن هذه الحرارة تستخدم في تحويل حالة المادة السائلة إلى غازية ، وعلى هذا فإن درجة حرارة المادة تظل كما هى على الرغم من زيادة الحرارة الواقع تحتها السائل . كما أن كلمة كامن ( latent ) هى لاتينية الأصل وتعنى مختبئ ، وهنا تعنى أن الحرارة التى تضاف لا تظهر في شكل زيادة درجة حرارة السائل . ونظرا لأن زيادة الحرارة الواقعة على السائل لا تحدث تغيير في درجة حرارته فإن المحتوى الحرارى للسائل يكون لا نهائي عند نقطة الغليان.

وبالحديث عن التفاعلات البين جزيئية ، فإن نقطة الغليان تمثل النقطة التى تكتسب فيها جزيئات السائل الطاقة اللازمة للتغلب على قوى الجذب البين جزيئية المختلفة والتى تربط الجزيئات بالسائل ( مثل قوى الجذب ثنائيةالقطب-ثنائية القطب ، قوى الجذب ثنائية القطب-اللحظية ثنائية القطب الحثية ، الرابطة الهيدروجينية ) وعلى هذا فإن نقطة الغليان تعبر عن مقدار قوى الجذب .

نقطة الغليان للماء 100 °C أى 212 °F في ظروف الضغط القياسية . وعلى قمة جبل إفرست يكون الضغط مساويا 260 mbar تقريبا ، وتكون نقطة الغليان 69 °C .

وبتعبير أكثر دقة طبقا لمفاهيم الثيرمو دينامكس ، فإن نقطة الغليان الطبيعية للماء هى 99.97 درجة مئوية ( في ضغط 1 أتموسفير ، 101,325 بسكال ) . وحتى عام 1982 كان ذلك نقطة الغليان القياسية ، ولكن IUPAC إقترحت ضغط قياسيى مقداره 1 بار ( 100,000 بسكال ) . وعند هذا التقليل البسيط في الضغط تصبح نقطة غليان الماء 99.61 درجة مئوية .

(Cf. DeVoe, Howard, Thermodynamics and Chemistry. Prentice-Hall, 2001)

درجة الحرارة والضغط تشبع

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

where:
$T_{B}$	= the normal boiling point, K
$R$	= the ideal gas constant, 8.314 J · K^-1 · mol^-1
$P_{0}$	= is the vapor pressure at a given temperature, atm
$\Delta H_{vap}$	= the heat of vaporization of the liquid, J/mol
$T_{0}$	= the given temperature, K
$ln$	= the natural logarithm to the base e