Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
boiling
Còn gọi: sôi · chuyển lỏng sang khí
Sự sôi là quá trình chuyển từ thể lỏng sang thể khí xảy ra trong toàn bộ khối chất lỏng khi áp suất hơi của nó bằng áp suất khí quyển bên ngoài.
Sự sôi là một quá trình chuyển pha, trong đó chất lỏng chuyển thành hơi không chỉ trên mặt thoáng mà ở khắp mọi nơi trong lòng chất lỏng. Hiện tượng này bắt đầu khi áp suất hơi (vapor pressure) của chất lỏng tăng lên do nhiệt độ và đạt tới giá trị bằng áp suất khí quyển bao quanh. Lúc đó, bong bóng khí có thể hình thành, lớn dần và nổi lên mặt thoáng mà không bị môi trường bên ngoài nén xẹp.
Cơ chế của sự sôi liên quan mật thiết tới động năng của các phân tử. Khi được cung cấp nhiệt, các phân tử ở sâu bên trong khối chất lỏng thu nhận đủ động năng để thắng các lực liên phân tử (intermolecular forces) giữ chúng lại với nhau. Nhờ đó, chúng tách khỏi nhau và tạo thành những khoang hơi nhỏ — chính là bong bóng mà ta nhìn thấy. Ngược lại, nếu nhiệt độ chưa đủ cao, áp suất hơi vẫn thấp hơn áp suất ngoài, bong bóng vừa sinh ra đã bị ép tan, và quá trình chỉ dừng ở mức bay hơi bề mặt thông thường.
Điểm sôi thông thường (normal boiling point) được định nghĩa là nhiệt độ tại đó áp suất hơi của chất lỏng đúng bằng 1 atm. Nhờ quy ước này, ta so sánh được nhiệt độ sôi của các chất trong cùng một điều kiện chuẩn. Tuy nhiên, khi áp suất khí quyển thay đổi — chẳng hạn khi leo lên vùng núi cao — điểm sôi cũng dịch chuyển theo, vì điều kiện cân bằng đã khác đi. Ngoài ra, chất nào có lực liên phân tử càng mạnh thì càng cần nhiều năng lượng nhiệt để các phân tử thoát khỏi nhau, nên chất đó có điểm sôi cao hơn.
Trực giác: Giống như một đám đông bị nhốt trong phòng: khi mọi người đẩy ra mạnh bằng đúng sức ép của bức tường xung quanh, cửa bật mở đồng loạt khắp nơi chứ không chỉ ở lối ra duy nhất.
Dùng để xác định điều kiện xảy ra sự sôi: khi áp suất hơi bão hòa của chất lỏng bằng áp suất khí quyển bên ngoài.
Trong đó
Sôi không bẻ gãy liên kết cộng hóa trị trong phân tử.
Khi nước sôi, thứ bị thắng là lực hút giữa các phân tử với nhau (intermolecular forces), còn liên kết O–H bên trong mỗi phân tử vẫn nguyên vẹn — hơi nước vẫn là chứ không phải hỗn hợp và . Rất nhiều bài tự luận mất trọn điểm vì viết "khi sôi, các liên kết hydrogen trong phân tử bị phá vỡ" hoặc "phân tử bị tách ra". Câu an toàn là: nhiệt độ sôi cao hơn vì cần nhiều năng lượng hơn để thắng lực hút giữa các phân tử.
Khối lượng mol lớn hơn không tự động cho nhiệt độ sôi cao hơn.
Chỉ khi hai chất có cùng loại lực liên phân tử thì mới được lấy khối lượng mol (hay số electron, diện tích tiếp xúc) ra so sánh, vì lúc đó lực khuếch tán London (London dispersion forces) là yếu tố duy nhất khác nhau. Ngược lại, một phân tử nhỏ có liên kết hydrogen thường sôi cao hơn hẳn một phân tử nặng hơn mà chỉ có lực London — đây chính là kiểu bẫy trong các bảng "ba chất, khối lượng mol xấp xỉ nhau". Do đó thứ tự tư duy phải là: xác định loại lực trước, xét kích thước sau.
Có nguyên tử O hoặc N chưa đủ để kết luận chất đó tạo liên kết hydrogen với chính nó.
Điều kiện là phải có H nối cộng hóa trị trực tiếp với O, N hoặc F; đó là lý do tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử còn ester hay ether cùng công thức phân tử thì không. Học sinh hay nhìn thấy oxygen trong nhóm C=O rồi vội kết luận, trong khi ở đó chỉ có tương tác lưỡng cực–lưỡng cực. Vì vậy khi giải thích, hãy chỉ đích danh cụm –O–H hoặc –N–H trong cấu trúc.
Sôi khác bay hơi, và không phải là một hằng số cố định của chất.
Bay hơi (evaporation) chỉ xảy ra ở bề mặt và ở mọi nhiệt độ, còn sôi xảy ra trong toàn khối chất lỏng khi áp suất hơi (vapor pressure) bằng áp suất khí quyển bên ngoài. Hệ quả là "nhiệt độ sôi" luôn gắn với một áp suất: lên núi cao nước sôi dưới , còn trong nồi áp suất thì sôi cao hơn. Bọt khí nổi lên khi sôi là hơi của chính chất lỏng, không phải không khí hòa tan.
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 .
Dùng để tính áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ này khi biết áp suất ở nhiệt độ kia, từ đó suy ra nhiệt độ sôi của chất lỏng khi áp suất khí quyển thay đổi.
Trong đó
Câu so sánh nhiệt độ sôi bắt buộc phải nói về CẢ HAI chất.
Đề thường ghi rõ "your answer must include references to both substances", nghĩa là chỉ mô tả chất có liên kết hydrogen mà quên nói chất kia không có đặc điểm cấu trúc đó là mất điểm, dù kết luận đúng. Khuôn câu ăn điểm gồm ba mảnh: chất A có đặc điểm cấu trúc gì, chất B thiếu đặc điểm đó, nên lực hút giữa các phân tử của A mạnh hơn và cần nhiều năng lượng hơn để tách chúng ra. Viết đủ ba mảnh rồi mới chốt "do đó A có nhiệt độ sôi cao hơn".
Gọi tên loại lực cụ thể, đừng viết chung chung "lực liên phân tử mạnh hơn".
Giám khảo cần thấy bạn phân biệt được liên kết hydrogen, tương tác lưỡng cực–lưỡng cực và lực khuếch tán London; câu nói suông rằng chất này "có IMF mạnh hơn" thường bị coi là lặp lại đề chứ không phải giải thích. Tốt nhất là nêu bằng chứng cấu trúc kèm theo, chẳng hạn nhóm O–H, phân tử phân cực, hay chuỗi carbon dài hơn nên vùng electron dễ bị phân cực hơn.
Cẩn thận với cụm từ "phá vỡ liên kết" khi mô tả quá trình sôi.
Nếu bài hỏi về năng lượng, hãy dùng chữ "thắng lực hút giữa các phân tử" (overcome intermolecular attractions) thay vì "break bonds", vì cách viết sau ám chỉ liên kết cộng hóa trị và thường bị trừ điểm. Cùng lý do đó, khi giải thích tại sao lớn hơn , hãy nói về việc tách hẳn các phân tử ra xa nhau chứ không phải về việc thay đổi cấu tạo phân tử.
Thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là I < II < III: butan chỉ có lực phân tán, propanone có thêm tương tác lưỡng cực–lưỡng cực nhờ nhóm carbonyl phân cực, còn propan-1-ol tạo được liên kết hydrogen nên giữ các phân tử chặt nhất. Cũng vì lực liên phân tử yếu nhất mà butan (chất I) có áp suất hơi lớn nhất ở 25 °C; đây không phải hai kết luận rời nhau mà là hai cách phát biểu của cùng một điều, vì chất nào dễ bay hơi ở nhiệt độ thường thì cũng đạt điều kiện sôi ở nhiệt độ thấp.
Ở 70,1 kPa nước sôi tại 90 °C, còn ở 60,0 kPa nước sôi ở khoảng 86 °C — cả hai đều thấp hơn 100 °C vì áp suất bên ngoài nhỏ hơn 1 atm nên áp suất hơi chỉ cần đạt tới một giá trị khiêm tốn là đủ. Kết quả 85,6 °C mang tính ước lượng do đường biểu diễn áp suất hơi theo nhiệt độ cong lên chứ không thẳng. Đây cũng là lý do nấu ăn trên vùng núi cao lâu chín hơn: nước vẫn sôi, nhưng sôi ở nhiệt độ thấp hơn nên truyền cho thức ăn ít nhiệt hơn.