الغليان ودرجة الغليان Boiling and Boiling Point



الغليان ودرجة الغليان Boiling Point

عند تسخین سائل ما تبدأ بعض فقاعات البخار في التكون في وسط السائل، وتحتوي كل فقاعة من ھذه الفقاعات على ملایین من جزیئات السائل على ھیئة بخار:

فعندما یكون ضغط البخار في ھذه الفقاعات منحفضاً، فإن ھذه الفقاعات لا تصمد طویلاً، وتنهار قبل أن تصل الى سطح السائل .
أما إذا كان ضغط البخار في ھذه الفقاعات مثل الضغط الجوي الواقع على سطح السائل، فإنھا تصعد الى سطح السائل وتتصاعد منھا جزیئات البخار في الھواء.

ھكذا یمكن القول بأن السائل یغلي عندما یصبح ضغط بخاره مساویاً للضغط الجوي الواقع على سطح السائل، ولھذا نجد أن:

(أ) الماء یغلي عند (100 oC) عند سطح البحر أي تحت ضغط جوي مقداره(1 atm = 760 mmHg) .

(ب) إذا انخفض الضغط الجوي عن ذلك فإن الماء یغلي عند درجة حرارة أقل من(100 oC)  فمثلاً یغلي عند(90 oC)  فقط على قمة جبل ارتفاعه نحو ثلاثة كیلومترات.

(جـ) یغلي عند(102 oC)  إذا زاد الضغط الجوي ووصل الى (816 mmHg) ویغلي الماء في القاطرة البخاریة عند (150 oC)  بسبب الضغط المرتفع داخل غلایة القاطرة.

درجة غلیان السائل تظل ثابتة حتى یتم تحول السائل الى بخار، ویلزم تزوید السائل بطاقة حراریة حتى یتحول الى البخار، وتعرف كمیة الحرارة اللازمة لتحویل واحد جرام من الماء الى بخار تحت ضغط ثابت باسم الحرارة الكامنة للتصعید (للتبخیر)، وھي تساوي (539 cal) في حالة الماء.

في حالة تسخین سائل في نظام مغلق (شكل  أ) یتم الوصول الى حالة التوازن التي تتساوى فیھا سرعتا التبخر والتكثف عند وصول ضغط بخار السائل الى قیمته الثابتة (ضغط بخار التوازن).

في حالة النظام المفتوح (شكل  ب) لا یمكن الوصول الى ضغط بخار التوازن وذلك نتیجة للفقد المستمر لجزیئات البخار في الجو الخارجي الأمر الذي یعني استمراریة تفوق سرعة التبخر على سرعة التكثف مما یقود الى تناقص مستمر في كمیة الجزیئات السائلة الى أن تلاشى أخیراً بشكل نھائي .

درجة الغلیان  Boiling Point

تعريف درجة الغلیان  Boiling Point  
ھي درجة الحرارة التي یكون عندھا ضغط بخار السائل مساویاً للضغط الخارجي المؤثر على السائل.


ماذا یحدث لسائل عند تسخینه؟
إن تسخین سائل یقود باستمرار (بازدیاد درجة الحرارة) الى تفوق عملیة التبخر على عملیة التكثف، وعندھا تصل درجة الحرارة الى درجة الغلیان، ویكون ھناك عدد من الجزیئات التي تمتلك القدر الكافي من الطاقة الحركیة الذي یمكنھا التغلب على قوى التجاذب ومن ثم التبخر، وعندئذ فإن السائل أثناء تحوله الى بخار عند ھذه الدرجة الحراریة یكون ذا ضغط بخاري یساوي ضغط النظام الخارجي المحیط به سواء كان ھذا النظام ھو الجو الخارجي المحیط به أو الحیز المغلق المحیط بالسائل، وفي ھذه الحالة سیمتد "مكان تحول جزیئات السائل الى بخار الى وسط  السائل"، وسیشاھد عند ھذه الدرجة من الحرارة (درجة الغلیان) تكون فقاعات غازیة وسط السائل نفسه.

مشاھدة فقاعات وسط السائل عند غلیانه
ھذه الفقاعات عبارة عن بخار موجود وسط السائل، وستعاني ھذه الفقاعات من ضغط الجزیئات الأخرى التي لم تتحول بعد الى بخار مما یقودھا الى مقاومة ذلك الضغط بضغط مضاد یؤدي الى تقلب السائل والى انعدام وجود سطح فاصل بین السائل والمحیط الخارجي.

ماذا یحدث لدرجة الغلیان عند ارتفاع أو انخفاض الضغط الخارجي؟
عرفنا أن درجة الغلیان ھي درجة الحرارة التي عندھا یكون ضغط بخار السائل مساویاً للضغط المحیط به، وبالتالي فإن ارتفاع الضغط الخارجي سیؤدي الى ارتفاع درجة الغلیان، وانخفاض الضغط الخارجي سیؤدي الى انخفاض درجة الغلیان.

عند وجود ثلاث سوائل مختلفة في أنظمة مفتوحة تحت ضغط ثابت، ھل لها نفس درجة الغلیان .
كل سائل له درجة غلیان خاصة به عند ضغط ثابت.

درجة الغليان القياسية (النظامية أو الإعتيادية – العادية)  Standard or Normal Boiling Point
درجة الغلیان القیاسیة ھي درجة الحرارة التي یصبح عندھا ضغط بخار السائل مساویاً لضغط مقداره جو واحد (1 atm)

العوامل المؤثرة على درجة الغليان

أولاً: قوى التجاذب بین الجزیئات

كلما زادت قوة التجاذب بین جزیئات السائل تزداد درجة غلیانه (علل) وذلك لازدیاد الطاقة اللازمة لفصل الجزیئات بعضھا عن بعض.

الجزیئات القطبیة درجات غلیانھا أعلى من الجزیئات غیر القطبیة المتقاربة في الوزن الجزیئي. كذلك فإن وجود روابط ھیدروجینیة بین الجزیئات القطبیة یزید من تجاذبھا وبالتالي تزداد درجة غلیانھا.

أسئلة توضيحية

(1) درجة غليان الميثانول CH3OH أعلى من الميثان CH4؟
لأن الميثانول CH3OH قطبي ويحتوى بين جزيئاته على روابط هيدروجينية أما الميثان CH4 فهو غير قطبي ولا يحتوى على مثل هذه الروابط.


(2) درجة غليان الإيثانول C2H5OH أعلى من درجة غليان الإيثر الميثيلي CH3OCH3؟
لأن الإیثانول یوجد بین جزیئاته روابط ھیدروجینیة بعكس الإیثر المیثیلي الذي لا توجد بین جزیئاته مثل ھذه الروابط.

(3) درجة غليان الماء (H2O) أعلى من درجة غليان فلوريد الهيدروجين HF رغم كون HF أكثر قطبية من H2O؟
السبب ھو عدد الروابط الھیدروجینیة التي بإمكانھما تكوینھا. ففي  HF كل جزيء مرتبطة برابطة ھیدروجینیة بجزیئین آخرین (شكل ٤٣ أ)، بینما في الماء، یمكن لكل جزيء أن یرتبط برابطة ھیدروجینیة بأربعة آخرین (شكل ٤٣ ب).

لذلك ورغم أن HF یكون روابط ھیدروجینیة أقوى نوعاً ما من الماء، إلا أن الشدة الإجمالیة للروابط الھیدروجینیة الأربعة لجزيء الماء تفوق الشدة الإجمالیة لرابطتي الهيدروجين لجزئ HF


(4) درجة غليان NH3 أقل من HF , H2O؟

وذلك للأسباب الآتية:

(أ) الترابط الهيدروجينى في NH3 أضعف بكثير منه في HF , H2O بسبب السالبیة الكھربیة الأقل بكثیر للنیتروجین (ارجع جدول درجات الغليان أعلاه)

(ب) بالإضافة الى ذلك، للنیتروجین في NH3 زوج واحد وحید مستقل فقط حیث یمكن لرابطة ھیدروجینیة أن تقوم، وھكذا فإن بإمكان كل جزيء أن یمسك من قبل رابطتین ھیدروجینیتین فقط في المتوسط : واحدة من جزيء NH3 آخر وواحدة إلى جزئ NH3 آخر ، الشدة الأجمالية للترابط الهيدروجينى في NH3 صغير للغاية بحيث أن لـ NH3 درجة غليان أقل من HF , H2O

ثانياُ: حجم الجزئ (الوزن الجزیئي)

سبق وأن بینا أن قوى لندن تزداد بزیادة الوزن الجزیئي أو العدد الذري أو الحجم.

مثال: درجة غلیان الإیثان CH3-CH3 أكبر من المیثان CH4 لا حظ أن الإیثان أكبر حجماً وبالتالي یحوي على عدد أكبر من الإلكترونات وبالتالي فإن قوى لندن فیه تكون أكبر وبالتالي فدرجة غلیانه أكبر.

ثالثاً: الضغط الخارجي

تزداد درجة الغلیان كلما زاد الضغط الخارجي، وتقل بانخفاضه.

مثال: درجة غليان الماء عند سطح البحر (أي عند ضغط مقداره 1 atm) تساوي (100 oC بينما درجة غليانه في الأماكن المنخفضة عن مستوى سطح البحر تزيد عن (100 oC) وفى الأماكن المرتفعة عن مستوى سطح البحر تقل درجة الغليان للماء عن (100 oC) وذلك بسبب انخفاض الضغط الخارجي.

من التطبیقات لھذه العلاقة بین الضغط الخارجي ودرجة الغلیان أن صنعت أواني تعرف بأواني الضغط (مثل قدر الضغط وھو إناء محكم الغلق لطھي اللحم والخضار في درجة حرارة منخفضة جداً تصل إلى  (40 oC)لنتجنب تكسیر الفیتامینات والمواد الأخرى المفیدة في درجة غلیان الماء والزیت العالیین)، علاوة على كسب الزمن للطھي السریع بھذه الطریقة (وفي ھذا القدر لا یسمح للبخار الموجود داخل جھازالضغط بالخروج فیزداد الضغط في الداخل فتزداد درجة الغلیان عن (100 oC) وھذا یساعد على زیادة سرعة الطھي.

وبالتالي فإن تسخین السائل في إناء محكم لا یحدث له غلیان، وبدلاً من ذلك ترتفع درجة الحرارة والضغط بانتظام، ویمكن الحصول على ضغوط أعلى من الضغط الجوي بعدة مرات. وإذا وضعنا كمیة محددة من السائل في أنبوبة زجاجیة وسخناھا
فإننا نلاحظ :

(1) انخفاض كثافة السائل وزیادة كثافة بخار السائل حتى تتساوى كثافة السائل والبخار.

(2) انخفاض التوتر السطحي للسائل حتى یتقارب من الصفر، ویصعب تمییز الشكل الھلالي الفاصل بین السائل والبخار حتى یختفي في النھایة تماماً.

الضغط البخاري ودرجة الغليان Vapour Pressure and Boiling Point

تعرف درجة الغلیان القیاسیة (العادیة) لسائل بأنھا "درجة الحرارة التي عندھا الضغط البخاري یكون مساویاً للضغط الخارجي واحد جو".

بتقلیل الضغط الخارجي فإن درجة الغلیان للسائل ستنخفض، كما في حالة التقطیر تحت ضغط منخفض. وعلى النقیض أي أنه بزیادة الضغط الخارجي فإنه یؤدي الى ارتفاع درجة الغلیان.

تجربة لإثبات غليان الماء عند درجة حرارة منخفضة عن 100 oC

التجربة

ھناك تجربة بسیطة توضح أن السائل یغلي عند درجة حرارة أقل تحت الضغوط المنخفضة وذلك:
(1) بأخذ كمیة من الماء في دورق ·
(2) إضافة كمیة من النشادر إلیھا مع التسخین الى ما قبل الغلیان ·
(3) ینكس في حوض به ماء ویصب فوق الدورق ماء بارد

الملاحظة

يلاحظ أن الماء أخذ  یغلي ، كما یلاحظ أن درجة الغلیان تزداد بازدیاد الوزن الجزیئي في السلاسل المتجانسة كنتیجة لازدیاد قوى فان درفالز، كما أن درجة الغلیان تقل في المركبات ذات التركیب المتفرع أي في المركبات العضویة غیر المستقطبة وبشكل عام فإن درجة الغلیان تعبر عن قوة أو ضعف ارتباط الجزیئات مع بعضھا، فكلما كانت الجزیئات مرتبطة بقوة فإنه یلزم لتفكیكھا عن بعضھا طاقة عالیة، وبالتالي ترتفع درجة الغلیان والعكس صحیح.

منحنى الغليان

صف ما یحدث لسائل عند تسخینه؟
عند تسخین سائل ترتفع درجة حرارته تدریجیاً (انظر الشكل ( أ - ب) وھذه الزیادة تستمر الى الوصول الى الغلیان والتي عندھا فإن كامل الجزیئات اكتسبت القدر الكافي من الطاقة اللازم لتبخرھا، وعندئذ فإن الزیادة في الطاقة (مزید من الحرارة) لن یؤدي الى زیادة طاقة حركة جزیئات السائل وھذا سیؤدي الى:
(1) ثبوت درجة حرارة السائل.
(2) استھلاك كامل الطاقة المكتسبة لتحقیق غرض التبخر.


ماذا سیحدث لدرجة الحرارة عند تبخر كل السائل؟
سترتفع من جدید كما یظھر من ( الشكل ( ج - د)

ثبات درجة الحرارة عند الإنصھار لجامد ما ؟
ثبات درجة الحرارة عند الغلیان لسائل ما ؟
وذلك نتیجة لكون الطاقة الحراریة المكتسبة تؤدي الى زیادة طاقة حركة الجزیئات


ما علاقة درجة الغلیان وحرارة التبخر بقوى التجاذب بین جزیئات السائل؟
كلما ارتفعت درجة الغلیان كلما كان ھذا دلیلاً على قوى التجاذب بین جزیئات السائل.

ارتفاع درجة الغلیان القیاسیة وحرارة التبخیر للزئبق مقارنة بالماء والبنزین
كما في الجدول التالي:


وذلك بسبب أن الزئبق یكون روابط معدنیة – فلزیة بین ذراته وھي أقوى من الروابط الھیدروجینیة التي یكونھا الماء بین جزیئاته أما البنزین C6H6 فهو غير قطبي.

المراجع:  أسس الكيمياء العامة والفيزيائية - الجزء الأول.عمر بن عبد الله الهزازي ، قسم الكيمياء- كلية العلوم – جامعة أم القرى – المملكة العربية السعودية.



ليست هناك تعليقات