沸点
当液体的蒸气压与其环境中的气压相当，该环境温度即为物质的“沸点”。[1][2] 液体的温度达到沸点时会变成气体。
液体的沸点取决于环境气压。当液体处于压力低于一个大气压的环境时，沸点较低；反之液体处于高于一个大气压的环境时，沸点较高。举例来说，水在海拔高度为0的地方时的沸点为100 °C（212 °F），在海拔高度为1,905米（6,250英尺）的地方则为93.4 °C（200.1 °F）[3] 定压下，不同的液体会在不同的温度下沸腾。
处于液体的“正常沸点”（另称作“常压沸点”）下，液体的蒸气压与一个标准大气压相等。[4][5] 在此温度下，液体的蒸气压足以对抗大气压，并在液体内部形成蒸气泡泡。1982年，IUPAC将“标准沸点”定义为一巴气压下液体沸腾的温度。[6]
定压下（通常为大气压），将定量（莫耳数、质量等）的物质从液体转变成气体所需的能量被称为汽化热。
液体也可以透过蒸发过程在温度低于沸点的状态下变成蒸气。蒸发属于表面现象，液体边缘的分子受到的液体压力较小，因此得以蒸气的形式脱离到环境之中。不同于蒸发，沸腾时液体当中的任何分子皆可脱离到环境之中，并于液体内部形成蒸气泡泡。
饱和温度与饱和气压 编辑
一个饱和液体在不沸腾的情况下储存了最多热能。对应的，饱和蒸气在不凝结的情况下储存了最少热能。
饱和温度即为沸点。饱和温度为液体沸腾变成蒸气时，对应饱和气压下的温度。此时液体可被视为热能饱和，一点热能的变化就会导致相变。
若系统内的气压为一常数（即进行等压过程），处于饱和温度的蒸气会开始凝结成液体，因为移除了额外热能（热量）。类似的，处于饱和温度的液体会开始沸腾成蒸气，因为给予了额外热能。
沸点对应到蒸气压与环境气压相等时的温度。因此，沸点与气压有着密切的关联。沸点的参考气压为一个标准大气压，其中有NIST规定的101.325 kPa （1 atm），或是IUPAC规定的100.000 kPa。高度较高的地方，由于空气较稀薄，气压相对地面低，因此物质的沸点也会比于地面测得的沸点低。沸点会随着气压增加而升高，直到达到物质的临界点，液体与气体因表现性质变得相同而无法作出区别。沸点无法超越临界点之上。另外，沸点会随着气压减少而降低，直到达到物质的三相点。沸点亦无法降低到三相点之下。
若已知液体在某温度的汽化热与蒸气压，其沸点可以透过克劳修斯-克拉伯龙方程计算，其公式为：
其中
饱和气压为液体沸腾变成蒸气时，对应饱和温度下的气压。饱和气压与饱和温度有着直接关系：二者会同时增加或减少。
若系统内的温度为一常数（即进行等温过程），处于饱和气压与饱和温度的蒸气会开始凝结成液体，因为系统气压增加。类似的，处于饱和气压的液体会开始闪蒸成蒸气，因为系统气压减少。
现在有两种对于“水的标准沸点”的定义。其中一个定义为其“正常沸点”，1 atm（101.325 kPa）气压下数值为99.97 °C（211.9 °F）。IUPAC 建议的定义则是 100 kPa（1 巴）[7] 的标准气压下，99.61 °C（211.3 °F）作为水的标准沸点。[6][8] 位于珠穆朗玛峰上的 8,848米（29,029英尺）处，气压约为 34 kPa（255 Torr）[9]，而水的沸点为71 °C（160 °F）。
1954年之前，摄氏温标定义的两个参考点为标准大气压下，以 0 °C 作为水的凝固点，100 °C 作为水的沸点。
正常沸点与液体蒸气压之间的关系 编辑
定温下，液体的蒸气压越高，其正常沸点（即一个大气压下的沸点）越低。
右侧的蒸气压-温度图表显示了各种液体在不同温度下的蒸气压数值。[10] 从图表中可见，拥有较高蒸气压的液体同时也拥有较低的正常沸点。在图表当中，正常沸点可以透过蒸气压-温度曲线与纵轴标示一个大气压（1 atm）的蒸气压水平线所相交的点求得。举例来说，在任意给定的温度下，氯甲烷拥有图表当中最大的蒸气压，同时也拥有最低的正常沸点（−24.2 °C）。
液体能够沸腾的最大温度（以及最大气压）被称作临界点。
关于水的特殊性质，可以参见水蒸气压。
元素性质 编辑
氦拥有所有元素当中最低的沸点，数值为4.22 K。标准气压下，铼和钨的沸点超过 5000 K；但由于精确测量高温的难度较高，常带有一定偏差，因此它们都被视为拥有最高的沸点。[11]
沸点作为纯净化合物的参考性质 编辑
透过蒸气压-温度图表可推测纯净化合物的正常沸点, 并作为该化合物整体挥发性的依据参考数据。纯净化合物只会有一个正常沸点，因此化合物的正常沸点和正常熔点可以作为其特征物理性质。物质的正常沸点越高，其整体挥发性越低；对应的，物质的正常沸点越低，化合物越容易挥发。一些物质在达到正常沸点之前，甚至是正常熔点之前就会因高温而分解。稳定化合物的沸点总是介于其三相点与临界点之前，并取决于外界气压。超越三相点，物质的正常沸点会高于正常熔点；超越临界点，物质的液体与蒸气状态变成单一的状态，被称为“过热蒸气”。
任意给定温度下，若化合物的沸点相对较低，则该化合物在常压下将以气体形式存在；若化合物的沸点相对较高，则该化合物在常压下将以固体或液体的形式存在，挥发性物质的蒸气可以与其保持相平衡。若挥发的蒸气没有被系统保留，这些物质有可能会完全挥发掉，虽然说它们的沸点比较高。
通常，具有离子键的化合物拥有较高的正常沸点。许多金属拥有高沸点，但并非全部。在其他因素不变的情况下，以共价键结合分子的大小或分子量增加，其正常沸点也会升高。但是，当分子的大小足以形成高分子或聚合物时，经常会在未达到正常沸点之前就在高温下分解。另一个影响正常沸点的因素是物质的极性。在其他因素不变的情况下正常沸点会随着极性增加而升高。这是因为物质（多为液体）形成氢键的能力增强，使得分子需要提供更多能量才能脱离原本的状态变成蒸气，进而升高正常沸点。举例来说，具有简单结构的羧酸分子间会缔合形成氢键，因此正常沸点较其他羧酸高。分子的形状也会稍微影响物质的正常沸点。同一个分子，分子排列紧密会使沸点稍微降低，分子表面积越大则拥有较高的沸点。
| 常见名称 | 正丁烷 | 异丁烷 |
|---|---|---|
| IUPAC 名称 | 丁烷 | 2-甲基丙烷 |
| 分子结构 | 
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| 沸点（°C） | −0.5 | −11.7 |
| 常见名称 | 正戊烷 | 异戊烷 | 新戊烷 |
|---|---|---|---|
| IUPAC 名称 | 戊烷 | 2-甲基丁烷 | 2,2-二甲基丙烷 |
| 分子结构 | 
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| 沸点（°C） | 36.0 | 27.7 | 9.5 |
大部分具有挥发性的化合物（接近环境温度）在其固体加热时短暂进入液体状态，随后变成蒸气。与沸腾对比，升华是固体直接变成蒸气的物理变化，如大气压下，干冰直接变成二氧化碳。过程中，化合物的蒸气压与外界压力相等时的温度被称作物质的升华点。
杂质与混合物 编辑
溶解在物质中的杂质或混溶物（溶质）会改变其蒸气压与沸点，改变的大小程度取决于溶质的浓度。不会挥发的不纯物，如盐，或是挥发性远低于溶剂的物质会降低各成分的莫耳分数及其溶液的挥发性，因而提高正常沸点，且与溶质浓度成正比。这样的效应被称作沸点升高。常见的例子有，盐水的沸点比纯水高。
由混溶物组成的混合物中，可能存在挥发性不同的两种（以上）的物质，并且各自拥有定压下纯态的沸点。具有挥发性的物质会改变混合物的蒸气压、沸点及露点。露点是蒸气凝结变成液体的温度。给定温度下，混合物的蒸气组成比例在大部分情况下皆与其液体状态下的组成比例不同。这样的差异可以透过沸点图表示。液体-蒸气的组成比例差异，使得重复的沸腾及冷凝过程得以分离不同物质。此流程被称作蒸馏。
参见 编辑
参考书目 编辑
- ^ Goldberg, David E. 3,000 Solved Problems in Chemistry 1st. McGraw-Hill. 1988. section 17.43, p. 321. ISBN 0-07-023684-4.
- ^ Theodore, Louis; Dupont, R. Ryan; Ganesan, Kumar (编). Pollution Prevention: The Waste Management Approach to the 21st Century. CRC Press. 1999. section 27, p. 15. ISBN 1-56670-495-2.
- ^ Boiling Point of Water and Altitude. www.engineeringtoolbox.com. [2022-03-27]. （原始内容存档于2023-07-15）.
- ^ General Chemistry Glossary （页面存档备份，存于互联网档案馆） 普渡大学 website page
- ^ Reel, Kevin R.; Fikar, R. M.; Dumas, P. E.; Templin, Jay M. & Van Arnum, Patricia. AP Chemistry (REA) – The Best Test Prep for the Advanced Placement Exam 9th. Research & Education Association. 2006. section 71, p. 224. ISBN 0-7386-0221-3.
- ^ 6.0 6.1 Cox, J. D. Notation for states and processes, significance of the word standard in chemical thermodynamics, and remarks on commonly tabulated forms of thermodynamic functions. Pure and Applied Chemistry. 1982, 54 (6): 1239–1250. doi:10.1351/pac198254061239
.
- ^ Standard Pressure （页面存档备份，存于互联网档案馆） IUPAC defines the "standard pressure" as being 105 Pa (which amounts to 1 bar).
- ^ Appendix 1: Property Tables and Charts (SI Units) （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Scroll down to Table A-5 and read the temperature value of 99.61 °C at a pressure of 100 kPa (1 bar). Obtained from McGraw-Hill's Higher Education website.
- ^ West, J. B. Barometric pressures on Mt. Everest: New data and physiological significance. Journal of Applied Physiology. 1999, 86 (3): 1062–6. PMID 10066724. doi:10.1152/jappl.1999.86.3.1062.
- ^ Perry, R.H.; Green, D.W. (编). Perry's Chemical Engineers' Handbook 7th. McGraw-Hill. 1997. ISBN 0-07-049841-5.
- ^ DeVoe, Howard. Thermodynamics and Chemistry 1st. Prentice-Hall. 2000. ISBN 0-02-328741-1.
外部链接 编辑
Beach, Chandler B. (编). Boiling-Point. The New Student's Reference Work. Chicago: F. E. Compton and Co. 1914 （英语）.
