Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
boiling point
Còn gọi: điểm sôi · nhiệt độ hóa hơi
Nhiệt độ sôi là nhiệt độ tại đó áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất khí quyển bên ngoài.
Nhiệt độ sôi (boiling point) là nhiệt độ mà tại đó áp suất hơi của chất lỏng bằng đúng áp suất khí quyển tác dụng lên bề mặt thoáng. Khi điều kiện này thỏa mãn, bọt khí có thể hình thành ngay trong lòng chất lỏng chứ không chỉ bay hơi ở mặt thoáng. Do đó, quá trình sôi khác hẳn với quá trình bay hơi thông thường.
Khi áp suất ngoài cố định ở mức 1 atm (760 mmHg), nhiệt độ ứng với điều kiện đó được gọi là nhiệt độ sôi chuẩn (normal boiling point). Mỗi chất lỏng nguyên chất có một nhiệt độ sôi chuẩn xác định, và giá trị này phụ thuộc trực tiếp vào độ mạnh của các lực liên phân tử (intermolecular forces) giữ các hạt với nhau. Nhờ đó, ta có thể so sánh tương đối độ bền của liên kết hydro, lực London, hay tương tác lưỡng cực–lưỡng cực thông qua bảng nhiệt độ sôi.
Ngược lại, khi áp suất khí quyển giảm — chẳng hạn ở vùng cao — chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ thấp hơn vì áp suất hơi cần đạt để thắng áp suất ngoài nhỏ hơn. Vì vậy, thời gian nấu chín thực phẩm trên núi cao thường lâu hơn dù nước đang sôi mạnh. Hệ quả này cũng giải thích tại sao nồi áp suất lại nấu nhanh: nó giữ hơi nước ở áp suất cao, nâng nhiệt độ sôi lên trên 100 °C.
Trực giác: Nước sôi giống như một đám đông chen chúc trong phòng kín: khi nhiệt độ tăng, họ đẩy mạnh đến mức bung được cánh cửa đang bị gió bên ngoài ép lại.
Dùng để tính nhiệt độ sôi của một chất ở áp suất khí quyển khác áp suất chuẩn, hoặc tìm nhiệt hóa hơi khi biết nhiệt độ sôi ở hai áp suất khác nhau.
Trong đó
1742Anders CelsiusDaniel Gabriel FahrenheitJean-Pierre ChristinIsaac NewtonHenry Cavendish
Sôi không phá vỡ liên kết cộng hóa trị trong phân tử.
Khi chất lỏng sôi, thứ bị vượt qua chỉ là lực hút giữa các phân tử với nhau, tức lực liên phân tử (intermolecular forces), còn bộ khung liên kết bên trong mỗi phân tử vẫn nguyên vẹn. Nếu viết rằng cần năng lượng để "bẻ gãy liên kết C–H" hay "tách nguyên tử O ra khỏi phân tử", giám khảo sẽ trừ điểm ngay cả khi thứ tự sắp xếp cuối cùng đúng. Cách viết an toàn là nói rõ: chất nào có lực hút giữa các phân tử mạnh hơn thì cần nhiều năng lượng hơn để chuyển sang thể hơi, do đó nhiệt độ sôi cao hơn.
Có nguyên tử O hay N trong phân tử chưa đủ để kết luận có liên kết hydrogen.
Điều kiện bắt buộc là nguyên tử H phải gắn trực tiếp bằng liên kết cộng hóa trị vào O, N hoặc F. Đây chính là lý do một acid carboxylic như tạo được liên kết hydrogen (hydrogen bonding) giữa các phân tử, trong khi một ether hay ester có O nhưng H chỉ gắn với C thì không. Khi trình bày, hãy chỉ đích danh nhóm O–H trong công thức cấu tạo chứ đừng chỉ nói chung chung là "phân tử có oxygen nên phân cực hơn".
Khối lượng mol lớn hơn không tự động cho nhiệt độ sôi cao hơn.
Khối lượng mol chỉ là yếu tố quyết định khi hai chất chịu cùng một loại lực hút, cụ thể là lực phân tán London (London dispersion forces), vì đám mây electron lớn hơn thì dễ bị phân cực tạm thời hơn. Ngược lại, khi đề cho ba chất có khối lượng mol gần bằng nhau — một tình huống rất hay gặp trong câu trắc nghiệm sắp thứ tự — thì mọi khác biệt về nhiệt độ sôi đều đến từ loại lực liên phân tử và từ hình dạng phân tử. Lúc đó phải xếp theo thang: liên kết hydrogen mạnh hơn lực lưỡng cực–lưỡng cực, và cả hai đều mạnh hơn lực phân tán ở cùng kích thước.
Nhiệt độ sôi không phải một hằng số cố định của chất.
Chất lỏng sôi khi áp suất hơi (vapor pressure) của nó bằng áp suất khí quyển bên ngoài, nên hạ áp suất ngoài xuống thì chất sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Con số ghi trong bảng dữ liệu thường là nhiệt độ sôi chuẩn (normal boiling point), tức giá trị đo ở đúng hay . Vì vậy trong câu hỏi về nấu ăn trên núi cao hay về nồi áp suất, đừng trả lời rằng "nước luôn sôi ở ".
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Trước khi có thang đo thống nhất, mỗi nhiệt kế lại vạch độ theo một kiểu riêng nên số đọc của hai người không so sánh được với nhau. Để thoát khỏi tình trạng đó, người ta cần những hiện tượng luôn xảy ra ở cùng một mức nóng, và nước sôi là ứng viên thuận tiện nhất. Năm 1742, Anders Celsius dựng thang đo lấy trạng thái sôi và trạng thái đông đặc của nước làm hai mốc; Jean-Pierre Christin và Daniel Gabriel Fahrenheit cũng làm điều tương tự với cách đánh số khác. Tuy nhiên, thực nghiệm sớm cho thấy nước không sôi ở một mức duy nhất, nên năm 1776 Hội Hoàng gia London phải lập hẳn một ủy ban để phân xử.
Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe lạ ở chữ "điểm": nhiệt độ là một đại lượng liên tục, vậy tại sao lại gọi là "điểm sôi"? Lý do nằm ở thao tác thực tế của người thợ làm nhiệt kế. Khi nhúng ống thủy tinh vào nước đang sôi, họ đánh một vạch lên thân ống ngay tại mực chất lỏng dừng lại, rồi đánh vạch thứ hai ở nước đá đang tan; hai vết khắc ấy chính là các điểm mốc cố định (fixed point) để chia đều khoảng giữa thành các độ. Celsius gọi mốc ứng với nước sôi là mốc trên, và trong thang gốc của ông nó mang số còn nhiệt độ đông đặc (freezing point) mang số — tức ngược hẳn với cách chúng ta dùng ngày nay, phải đến khoảng năm 1747 thang mới bị đảo lại thành và quen thuộc. Vì vậy, "điểm" ban đầu là một vết vạch trên thủy tinh chứ không phải một con số trừu tượng, và tên gọi giữ nguyên ngay cả khi ý nghĩa đã chuyển thành giá trị nhiệt độ. Bản thân cụm từ tiếng Anh được ghi nhận lần đầu vào khoảng 1765–1775, tức là sau khi các thang đo đã phổ biến. Điều đáng chú ý là ngay từ đầu người ta đã ngờ vực tính duy nhất của mốc này: ý tưởng về hai điểm sôi khác nhau vốn có từ thang nhiệt độ Isaac Newton công bố năm 1701, và đến năm 1776 Hội Hoàng gia London (Royal Society of London) lập ủy ban do Henry Cavendish chủ trì, cùng Jean-André De Luc, để ghi nhận các kiểu biến thiên của nhiệt độ nước sôi. Do đó, ngay trong lịch sử của chính cái tên đã ẩn sẵn bài học mà đề thi hay hỏi — nhiệt độ sôi không phải hằng số tuyệt đối mà phụ thuộc điều kiện đo.
Câu so sánh nhiệt độ sôi luôn phải nhắc tới cả hai chất.
Đề thường ghi rõ yêu cầu tham chiếu đến cả hai substances, và một lời giải chỉ mô tả chất có liên kết hydrogen rồi dừng lại sẽ mất điểm dù ý đúng. Cấu trúc ba bước an toàn là: nêu đặc điểm cấu tạo của chất thứ nhất, nêu đặc điểm tương ứng mà chất thứ hai thiếu, rồi mới kết luận chất nào sôi cao hơn. Chỉ tốn thêm một câu nhưng bảo toàn trọn điểm.
Phải gọi tên loại lực liên phân tử, không được nói "lực hút mạnh hơn".
Giám khảo chấm theo từ khóa, nên câu trả lời cần xuất hiện chữ liên kết hydrogen, lực lưỡng cực–lưỡng cực hoặc lực phân tán London, kèm bằng chứng cấu trúc dẫn tới lực đó. Ví dụ đạt điểm: phân tử có nhóm O–H nên tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử, còn hydrocarbon chỉ có lực phân tán, do đó cần ít năng lượng hơn để hóa hơi. Viết "phân tử này phân cực hơn nên sôi cao hơn" mà không chỉ ra nguyên tử nào gây ra sự phân cực thường không được tính.
Đọc kỹ khối lượng mol trong bảng trước khi xếp thứ tự.
Nhiều câu trắc nghiệm cố ý cho các chất có khối lượng mol xấp xỉ nhau để loại bỏ yếu tố kích thước, buộc thí sinh phân biệt bằng nhóm chức và khả năng tạo liên kết hydrogen. Nếu thấy các con số gần bằng nhau, hãy lập tức chuyển sang vẽ nhanh công thức cấu tạo và tìm xem H có gắn vào O, N hay F hay không. Ngược lại, khi các chất cùng loại lực mà khối lượng mol chênh lệch rõ, hãy xếp thẳng theo chiều tăng khối lượng.
Thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là propane < dimethyl ether < ethanol. Khi khối lượng mol gần bằng nhau, chính loại lực giữa các phân tử quyết định: propane chỉ có lực phân tán, dimethyl ether có thêm tương tác lưỡng cực, còn ethanol tạo được liên kết hydrogen nhờ nhóm –OH nên sôi cao hơn đồng phân của nó hơn .
Ở atm, diethyl ether sôi thấp nhất còn nước sôi cao nhất, vì tại cùng ether đã vượt torr trong khi nước mới đạt torr. Trên núi cao với torr, nước chỉ cần đạt áp suất hơi torr nên sôi ở khoảng thay vì .