تعریف نقطه جوش و عوامل تأثیرگذار بر آن

نقطه جوش (boiling point) یک ماده دمایی است که در آن فشار بخار یک مایع با فشار اطراف برابر باشد و مایع به بخار تبدیل شود. دمای جوش یک مایع بسته به فشار محیط اطراف متفاوت است.

یک مایع در خلاء جزئی نسبت به زمانی که در فشار اتمسفر قرار دارد نقطه جوش کمتری دارد.مایعات در فشار بالا نسبت به زمانی که آن مایع در فشار اتمسفر است boiling point بالاتری دارد. به عنوان مثال، آب در سطح دریا در دمای 100 درجه سانتی گراد (212 درجه فارنهایت) می جوشد، اما در ارتفاع 1905 متری از سطح دریا در 93.4 درجه سانتی گراد (200.1 درجه فارنهایت) می جوشد. در یک فشار معین، مایعات مختلف در دمای مختلف به جوش می آیند.

رابطه بین نقطه جوش نرمال و فشار بخار مایعات:
هرچه فشار بخار مایع در یک دمای معین بیشتر باشد، نقطه جوش نرمال (یعنی نقطه جوش در فشار اتمسفر) مایع کمتر است. همانطور که در نمودار مشاهده می شود، مایعات با بیشترین فشار بخار کمترین دمای جوش نرمال را دارند.

متیل کلرید در این نمودار بیشترین فشار بخار و کمترین دمای جوش نرمال را نسبت به مایعات موجود دارد. نقطه بحرانی بالاترین دما و فشاری است که مایعات در آن می جوشند.

نقطه جوش نرمال چیست؟
نقطه جوش نرمال یک مایع (که به آن نقطه جوش اتمسفر یا boiling point فشار اتمسفر نیز گفته می شود) حالت خاصی است که در آن فشار بخار مایع برابر است با فشار اتمسفر تعریف شده در سطح دریا. در آن دما، فشار بخار مایع برای غلبه بر فشار اتمسفر و ایجاد حباب های بخار در قسمت عمده مایع کفایت می کند.

دما و فشار اشباع چیست؟
دمای اشباع به معنای نقطه جوش است. دمای اشباع دمایی برای یک فشار اشباع متناظر است که در آن یک مایع در فاز بخار خود می جوشد و می توان گفت مایع با انرژی گرمایی اشباع شده است. هرگونه افزایشی در انرژی گرمایی منجر به انتقال فاز می شود.

اگر فشار در سیستم ثابت بماند (ایزوباریک) بخار در دمای اشباع با حذف انرژی حرارتی (گرما) شروع به متراکم شدن به شکل مایع می کند. به همین ترتیب با استفاده از انرژی حرارتی اضافی مایع در دما و فشار اشباع در فاز بخار خود می جوشد.

دمای جوش با دمایی مطابقت دارد که فشار بخار مایع با فشار محیط اطراف برابر باشد. بنابراین، نقطه جوش به فشار بستگی دارد و نمی توان آن را بیش از نقطه بحرانی افزایش داد. به همین ترتیب، تا زمان رسیدن به نقطه سه گانه با کاهش فشار boiling point کاهش می یابد و نمی توان آن را تا زیر نقطه سه گانه کاهش داد.

بیشترین و کمترین نقطه جوش مربوط به چه عناصری است؟
هلیوم در بین عناصر کمترین و رنیوم و تنگستن بالاترین دمای جوش را دارند که در فشار استاندارد بیش از 4700 درجه سانتی گراد اندازه گیری شده است. فلزات نیز معمولا دمای بالایی دارند و برای ذوب کردن آنها باید دماهای بسیار بالایی اعمال کرد مانند صنایع ذوب آهن و فولادسازی.

نقطه جوش به چه عواملی بستگی دارد؟
فشار اتمسفر:
بزرگ ترین عامل تعیین کننده نقطه جوش مایع، فشار اطراف است. در یک سیستم باز، فشار خارجی به احتمال زیاد فشار جو زمین است. به عنوان مثال، آب در 100 درجه سانتی گراد به فشار اتمسفر استاندارد می رسد. این اندازه گیری در سطح دریا انجام می شود، جایی که تمام وزن اتمسفر زمین روی آب فشار می آورد.

با افزایش ارتفاع، آب می تواند در دمای پایین تری بجوشد. مثلا در بالای کوه اورست، آب در حدود 72 درجه سانتی گراد می جوشد. بنابراین دمای جوش آب در ارتفاعات کمتر است.

پیوندهای بین مولکولی:
وقتی مایعات دیگر را در نظر بگیریم، عوامل بیشتری به تعیین نقطه جوش کمک می کنند. مهم ترین آنها قدرت پیوندهای بین مولکولی است. به عنوان مثال الکل اتیل در سطح دریا دارای نقطه جوش 5/78 درجه سانتی گراد است. این ترکیب در دمای اتاق مایع است و پیوندهای بین مولکولی آن نسبتاً قوی هستند. در مقابل، متیل اتر دارای نقطه "جوش" 25- درجه سانتی گراد است. در دمای اتاق و سطح دریا، متیل اتر یک گاز است.

ترکیبات با پیوند یونی معمولا دمای جوش بالاتری دارند مگر اینکه ترکیب قبل از جوشیدن تجزیه شود. همچنین در ترکیباتی با پیوند کووالانسی با افزایش اندازه مولکول یا جرم مولی افزایش می یابد.

حل شونده ها، حلال ها و محلول ها:
یک روش موثر برای بالا بردن boiling point مایع، افزودن ماده دیگری به محلول است. در حالی که آب در سطح دریا دارای نقطه جوش 100 درجه سانتی گراد است، می توان با افزودن یک ماده حل شونده مانند نمک دمای جوش آن را افزایش داد.

حلال هر ماده ای است که ماده دیگری در آن حل شود. ماده حل شده را حل شونده می نامند. وقتی یک حل شونده در یک حلال حل می شود یک محلول ایجاد می شود. یک محلول معمولاً در نقطه بالاتر از حلال خالص می جوشد.

ناخالصی ها:
وجود ناخالصی و سایر اجزای حل شونده در یک محلول، فشار بخار و به تبع آن boiling point مواد را تحت تأثیر قرار می دهد. میزان این تأثیر، به غلظت ناخالصی های موجود در محلول بستگی دارد. ناخالصی های غیر فرار مانند نمک ها و ترکیبات فرار با درصد پایین دمای جوش را افزایش می دهند. با افزایش ناخالصی ها دمای جوش نیز بالاتر می رود.

قطبیت مولکول ها:
قطبیت عامل دیگری است که نقطه جوش را تحت تأثیر قرار می دهد. این رابطه مستقیم است یعنی با افزایش قطبیت مولکول، دمای جوش نیز افزایش می یابد.علاوه بر این پیوند هیدروژنی نیز بر دمای جوش تأثیر می گذارد چون وجود این پیوندها خارج شدن از حالت مایع را برای مولکول دشوار می کند.

شکل و تقارن مولکول:
در رابطه با شکل مولکول لازم به ذکر است که هر چه مولکول فشرده تر باشد دمای جوش پایین تر خواهد بود. بنابراین شکل خطی مولکول دمای جوش را افزایش داده و شکل کروی به دلیل مساحت کمتر و نیروهای واندروالسی ضعیف تری دمای جوش را کاهش می دهد. بنابراین ترکیباتی با فرمول شیمیایی خطی دارای دمای جوش بالاتری نسبت به ترکیبات حلقوی هستند.

وزن مولکولی:
با افزایش وزن مولکولی بدون استثناء دمای جوش نیز افزایش می یابد زیرا نیروهای واندروالس تابعی از مساحت مولکول هستند مثلا با افزایش طول زنجیر کربنی، مساحت این مولکول ها و جاذبه بین مولکول ها و در نهایت دمای جوش افزایش پیدا می کنند.

نقطه جوش منفی یعنی چه؟
چون دمای جوش با افزایش دما بالا می رود برای اکثر ترکیبات مثبت است. نقطه جوش منفی یعنی آن ترکیبات در دمای عادی گاز است بنابراین نقطه جوش آن منفی است.

ساده ترین راه برای تغییر دمای جوش چیست؟
ساده ترین راه برای تغییر دمای جوش مایع تغییر فشار اطراف است. استفاده از یک سیستم بسته برای افزایش مصنوعی فشار، نقطه جوش یک مایع را افزایش می دهد. کاهش فشار اطراف با افزایش ارتفاع یا ایجاد خلا مصنوعی boiling point مایع را کاهش می دهد.

دمای جوش یک مایع به قدرت پیوندهای بین مولکولی آن بستگی دارد. به همین دلیل، افزودن یک حل شونده به مایع باعث ایجاد پیوندهای قوی تر بین مولکول ها می شود و بدون اینکه فشار افزایش یابد دمای جوش محلول را افزایش می دهد.