نقطة الغليان

نقطة غليان المادة هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخار السائل مع الضغط المحيط بالسائل ^{[ 1 ] [ 2 ]} ويتحول السائل إلى بخار.

تختلف درجة غليان السوائل باختلاف الضغط الجوي المحيط . فالسائل الموجود في فراغ جزئي ، أي تحت ضغط منخفض، تكون درجة غليانه أقل من درجة غليانه عند الضغط الجوي . ولهذا السبب، يغلي الماء  عند 100 درجة مئوية، وهي القيمة التقريبية من الدقة العلمية البالغة 99.97 درجة مئوية (211.95 درجة فهرنهايت) ، تحت الضغط القياسي عند مستوى سطح البحر ، ولكنه يغلي عند 93.4 درجة مئوية (200.1 درجة فهرنهايت) على ارتفاع 1905 أمتار (6250 قدمًا) ^{[ 3 ]} . وبالنسبة لضغط معين، تغلي السوائل المختلفة عند درجات حرارة مختلفة.     

تُعرف نقطة الغليان العادية (وتُسمى أيضًا نقطة الغليان عند الضغط الجوي ) للسائل بأنها الحالة الخاصة التي يتساوى فيها ضغط بخار السائل مع الضغط الجوي المُحدد عند مستوى سطح البحر، أي ضغط جوي واحد . ^{[ 4 ] [ 5 ]} عند هذه الدرجة، يصبح ضغط بخار السائل كافيًا للتغلب على الضغط الجوي، مما يسمح بتكوّن فقاعات البخار داخل كتلة السائل. وقد عرّف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) نقطة الغليان القياسية منذ عام 1982 بأنها درجة الحرارة التي يحدث عندها الغليان تحت ضغط بار واحد . ^{[ 6 ]}

حرارة التبخر هي الطاقة اللازمة لتحويل كمية معينة (مول، كيلوغرام، رطل، إلخ) من مادة ما من سائل إلى غاز عند ضغط معين (غالبًا الضغط الجوي).

قد تتحول السوائل إلى بخار عند درجات حرارة أقل من درجة غليانها من خلال عملية التبخر . التبخر ظاهرة سطحية، حيث تتسرب الجزيئات الموجودة بالقرب من حافة السائل، والتي لا يضغط عليها ضغط كافٍ من السائل على ذلك الجانب، إلى المحيط على شكل بخار . أما الغليان ، فهو عملية تتسرب فيها الجزيئات من أي مكان في السائل، مما يؤدي إلى تكوّن فقاعات بخار داخله.

يحتوي السائل المشبع على أكبر قدر ممكن من الطاقة الحرارية دون أن يغلي (أو على العكس من ذلك، يحتوي البخار المشبع على أقل قدر ممكن من الطاقة الحرارية دون أن يتكثف ).

درجة حرارة التشبع تعني نقطة الغليان . وهي درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى بخار عند ضغط تشبع مماثل . ويمكن القول إن السائل مشبع بالطاقة الحرارية . وأي إضافة للطاقة الحرارية تؤدي إلى تحول طوري .

إذا ظل الضغط في نظام ما ثابتًا ( متساوي الضغط )، فإن البخار عند درجة حرارة التشبع سيبدأ بالتكثف إلى حالته السائلة عند إزالة الطاقة الحرارية ( الحرارة ). وبالمثل، فإن السائل عند درجة حرارة وضغط التشبع سيتبخر إلى حالته البخارية عند إضافة طاقة حرارية إضافية.

تُعرَّف نقطة الغليان بأنها درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخار السائل مع الضغط الجوي المحيط. لذا، تعتمد نقطة الغليان على الضغط. تُنشر نقاط الغليان عادةً وفقًا لمعيار المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في الولايات المتحدة الأمريكية، وهو 101.325 كيلو باسكال (1 ضغط جوي )، أو معيار الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) ، وهو 100.000 كيلو باسكال (1 بار ). في المرتفعات العالية، حيث يكون الضغط الجوي أقل بكثير، تنخفض نقطة الغليان أيضًا. ترتفع نقطة الغليان مع ازدياد الضغط حتى تصل إلى النقطة الحرجة ، حيث تتطابق خصائص الغاز والسائل. لا يمكن رفع نقطة الغليان فوق النقطة الحرجة. وبالمثل، تنخفض نقطة الغليان مع انخفاض الضغط حتى الوصول إلى النقطة الثلاثية . لا يمكن خفض نقطة الغليان دون النقطة الثلاثية.    

إذا عُرفت حرارة التبخر وضغط بخار سائل عند درجة حرارة معينة ، فيمكن حساب نقطة الغليان باستخدام معادلة كلاوزيوس-كلابيرون ، على النحو التالي:

${\displaystyle T_{\text{B}}=\left({\frac {1}{T_{0}}}-{\frac {R\,\ln {\frac {P}{P_{0}}}}{\Delta H_{\text{vap}}}}\right)^{-1}}$

أين:

${\displaystyle T_{\text{B}}}$هي درجة الغليان عند الضغط المطلوب،

${\displaystyle R}$هو ثابت الغاز المثالي ،

${\displaystyle P}$يمثل ضغط بخار السائل،

${\displaystyle P_{0}}$يوجد بعض الضغط حيث المقابل${\displaystyle T_{0}}$معروف (عادةً ما تكون البيانات متاحة عند  ضغط جوي واحد أو 100  كيلو باسكال (1  بار))،

${\displaystyle \Delta H_{\text{vap}}}$هي حرارة تبخر السائل،

${\displaystyle T_{0}}$هي درجة الغليان،

${\displaystyle \ln }$هو اللوغاريتم الطبيعي .

ضغط التشبع هو الضغط اللازم لتحول السائل إلى بخار عند درجة حرارة تشبع معينة. ويرتبط ضغط التشبع ودرجة حرارة التشبع ارتباطًا طرديًا: فكلما زاد ضغط التشبع، زادت درجة حرارة التشبع.

إذا بقيت درجة الحرارة في نظام ما ثابتة (نظام متساوي الحرارة )، فإن البخار عند ضغط ودرجة حرارة التشبع سيبدأ بالتكثف إلى حالته السائلة مع زيادة ضغط النظام. وبالمثل، فإن السائل عند ضغط ودرجة حرارة التشبع سيميل إلى التبخر الفوري إلى حالته البخارية مع انخفاض ضغط النظام.

هناك اصطلاحان فيما يتعلق بنقطة غليان الماء القياسية : تُعطى نقطة الغليان العادية عادةً على أنها 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت ) (في الواقع 99.97 درجة مئوية (211.9 درجة فهرنهايت) وفقًا للتعريف الديناميكي الحراري لمقياس سيليزيوس القائم على الكلفن ) عند ضغط جوي واحد (101.325 كيلو باسكال). أما نقطة الغليان القياسية الموصى بها من قبل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) للماء عند ضغط قياسي قدره 100 كيلو باسكال (1 بار) ^{[ 7 ]} فهي 99.61 درجة مئوية (211.3 درجة فهرنهايت) . ^{[ 6 ] [ 8 ]} وللمقارنة، على قمة جبل إيفرست ، على ارتفاع 8848 مترًا (29029 قدمًا ) ، يبلغ الضغط حوالي 34 كيلو باسكال (255 تور ) ^{[ 9 ]} ، ونقطة غليان الماء هناك هي 71 درجة مئوية (160 درجة فهرنهايت) . ^{[ 10 ]} تم تعريف مقياس درجة الحرارة المئوية حتى عام 1954 بنقطتين: 0 درجة مئوية يتم تعريفها بنقطة تجمد الماء و 100 درجة مئوية يتم تعريفها بنقطة غليان الماء عند الضغط الجوي القياسي .                  

كلما زاد ضغط بخار السائل عند درجة حرارة معينة، انخفضت نقطة الغليان العادية (أي نقطة الغليان عند الضغط الجوي ) للسائل.

يُظهر مخطط ضغط البخار على اليمين رسومًا بيانية لضغط البخار مقابل درجات الحرارة لمجموعة متنوعة من السوائل. ^{[ 11 ]} وكما هو واضح في المخطط، فإن السوائل ذات أعلى ضغط بخار لها أدنى درجات غليان عادية.

على سبيل المثال، عند أي درجة حرارة معينة، يمتلك كلوريد الميثيل أعلى ضغط بخاري بين جميع السوائل في الجدول. كما أنه يمتلك أدنى نقطة غليان طبيعية (-24.2  درجة مئوية)، وهي النقطة التي يتقاطع عندها منحنى ضغط بخار كلوريد الميثيل (الخط الأزرق) مع خط الضغط الأفقي لضغط بخار مطلق يساوي ضغط جوي واحد ( atm ).

النقطة الحرجة للسائل هي أعلى درجة حرارة (وضغط) يمكن أن يغلي عندها فعلياً.

انظر أيضًا ضغط بخار الماء .

يُعدّ الهيليوم العنصر ذو أدنى درجة غليان . تتجاوز درجة غليان كل من الرينيوم والتنغستن 5000 كلفن عند الضغط القياسي ؛ ونظرًا لصعوبة قياس درجات الحرارة القصوى بدقة دون تحيز، فقد ذُكر في المراجع العلمية أن لكليهما درجة غليان أعلى . ^{[ 12 ]}

كما يتضح من الرسم البياني أعلاه للوغاريتم ضغط البخار مقابل درجة الحرارة لأي مركب كيميائي نقي ، فإن نقطة غليانه الطبيعية تُعد مؤشرًا على تقلب هذا المركب . لكل مركب نقي نقطة غليان طبيعية واحدة فقط، إن وجدت، وتُعتبر نقطة الغليان الطبيعية ونقطة الانصهار من الخصائص الفيزيائية المميزة لهذا المركب، والمذكورة في المراجع. كلما ارتفعت نقطة الغليان الطبيعية للمركب، قلّ تقلبه، والعكس صحيح، فكلما انخفضت نقطة الغليان الطبيعية، زاد تقلبه. تتحلل بعض المركبات عند درجات حرارة أعلى قبل الوصول إلى نقطة غليانها الطبيعية، أو حتى نقطة انصهارها أحيانًا. بالنسبة للمركبات المستقرة، تتراوح نقطة الغليان من النقطة الثلاثية إلى النقطة الحرجة ، وذلك تبعًا للضغط الخارجي. بعد النقطة الثلاثية، تكون نقطة الغليان الطبيعية للمركب، إن وجدت، أعلى من نقطة انصهاره. بعد النقطة الحرجة، يندمج طورا السائل والبخار للمركب في طور واحد، يُسمى الغاز فائق التسخين. عند أي درجة حرارة معينة، إذا كانت درجة غليان المركب منخفضة، فإنه عادةً ما يوجد في الحالة الغازية عند الضغط الجوي الخارجي. أما إذا كانت درجة غليانه مرتفعة، فإنه يمكن أن يوجد في الحالة السائلة أو الصلبة عند تلك الدرجة من الحرارة والضغط الجوي الخارجي، وسيكون في حالة اتزان مع بخاره (إن كان متطايرًا) إذا تم احتواء أبخرته. أما إذا لم يتم احتواء أبخرة المركب، فقد تتبخر بعض المركبات المتطايرة في نهاية المطاف على الرغم من ارتفاع درجات غليانها.

بشكل عام، تتميز المركبات ذات الروابط الأيونية بدرجات غليان طبيعية عالية، ما لم تتحلل قبل بلوغ هذه الدرجات. تتمتع العديد من المعادن بدرجات غليان عالية، ولكن ليس جميعها. وبشكل عام جدًا - مع ثبات العوامل الأخرى - في المركبات ذات الجزيئات المرتبطة بروابط تساهمية ، كلما زاد حجم الجزيء (أو كتلته الجزيئية )، ارتفعت درجة الغليان الطبيعية. عندما يصبح حجم الجزيء بحجم جزيء ضخم أو بوليمر أو أي حجم كبير جدًا، غالبًا ما يتحلل المركب عند درجة حرارة عالية قبل بلوغ درجة الغليان. من العوامل الأخرى التي تؤثر على درجة الغليان الطبيعية للمركب قطبية جزيئاته . فكلما زادت قطبية جزيئات المركب، ارتفعت درجة غليانه الطبيعية، مع ثبات العوامل الأخرى. يرتبط بذلك ارتباطًا وثيقًا قدرة الجزيء على تكوين روابط هيدروجينية (في الحالة السائلة)، مما يجعل من الصعب على الجزيئات مغادرة الحالة السائلة، وبالتالي يزيد من درجة الغليان الطبيعية للمركب. تتحد الأحماض الكربوكسيلية البسيطة لتكوين ثنائيات من خلال تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئاتها. أما شكل الجزيء فهو عامل ثانوي يؤثر على درجات الغليان. إن جعل شكل الجزيء أكثر كثافة يميل إلى خفض درجة الغليان العادية قليلاً مقارنة بجزيء مكافئ ذي مساحة سطح أكبر.

مقارنة درجات _غليان متصاوغات البيوتان ( C4H10 ₎

الاسم الشائع	البيوتان العادي​	أيزوبوتان
اسم IUPAC	البيوتان	2-ميثيل بروبان
الشكل الجزيئي
نقطة الغليان (°م)	-0.5	-11.7

مقارنة درجات غليان متصاوغات البنتان

الاسم الشائع	ن - بنتان	أيزوبنتان	نيوبنتان
اسم IUPAC	البنتان	2-ميثيل بيوتان	2,2-ثنائي ميثيل بروبان
الشكل الجزيئي
نقطة الغليان (°م)	36.0	27.7	9.5

معظم المركبات المتطايرة (عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة) تمر بمرحلة سائلة وسيطة أثناء تسخينها من الحالة الصلبة لتتحول في النهاية إلى الحالة الغازية. وبالمقارنة بالغليان، فإن التسامي هو تحول فيزيائي يتحول فيه الجسم الصلب مباشرة إلى بخار، ويحدث هذا في حالات محددة مثل ثاني أكسيد الكربون عند الضغط الجوي. بالنسبة لهذه المركبات، تُعرف نقطة التسامي بأنها درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخار المادة الصلبة المتحولة مباشرة إلى بخار مع الضغط الخارجي.

في القسم السابق، تناولنا درجات غليان المركبات النقية. يمكن أن تتأثر ضغوط البخار ودرجات غليان المواد بوجود شوائب مذابة ( مذابات ) أو مركبات أخرى قابلة للامتزاج، وتعتمد درجة التأثير على تركيز الشوائب أو المركبات الأخرى. يؤدي وجود شوائب غير متطايرة، مثل الأملاح أو المركبات ذات التطاير الأقل بكثير من المركب المكون الرئيسي، إلى تقليل الكسر المولي للمركب وتقليل تطاير المحلول، وبالتالي رفع درجة الغليان الطبيعية بما يتناسب مع تركيز المذابات. يُسمى هذا التأثير بارتفاع درجة الغليان . كمثال شائع، يغلي الماء المالح عند درجة حرارة أعلى من الماء النقي.

في مخاليط أخرى من المركبات (المكونات) القابلة للامتزاج، قد يوجد مكونان أو أكثر بدرجات تطاير متفاوتة، ولكل مكون درجة غليان خاصة به عند أي ضغط معين. يؤثر وجود مكونات متطايرة أخرى في الخليط على ضغوط البخار، وبالتالي على درجات غليان وتكثف جميع مكونات الخليط. درجة التكثف هي درجة الحرارة التي يتكثف عندها البخار إلى سائل. علاوة على ذلك، عند أي درجة حرارة معينة، يختلف تركيب البخار عن تركيب السائل في معظم هذه الحالات. ولتوضيح هذه التأثيرات بين المكونات المتطايرة في الخليط، يُستخدم عادةً مخطط درجة الغليان . التقطير عملية غليان وتكثيف (عادةً) تستفيد من هذه الاختلافات في التركيب بين الطورين السائل والبخاري.

فيما يلي جدول يوضح تغير درجة غليان الماء مع الارتفاع، على فترات 500 متر على مدى نطاق السكن البشري [ البحر الميت عند -430.5 متر (-1412 قدم) إلى لا رينكونادا، بيرو عند 5100 متر (16700 قدم) ]، ثم 1000 متر على مدى إضافي من ارتفاع سطح الأرض غير المأهول [حتى جبل إيفرست عند 8849 متر (29032 قدم) ]، إلى جانب نطاق مماثل بالوحدات الإمبراطورية.    

• نقاط غليان العناصر (صفحة البيانات)
• ارتفاع درجة الغليان
• النقطة الحرجة (الديناميكا الحرارية)
• مقياس الغليان ، وهو جهاز لقياس درجة غليان السوائل بدقة
• درجة حرارة هاغيدورن
• طريقة جوباك (تقدير نقاط الغليان العادية من التركيب الجزيئي)
• قائمة الغازات بما في ذلك نقاط الغليان
• نقطة الانصهار
• التبريد الفرعي
• التسخين الفائق
• ثابت تروتون الذي يربط الحرارة الكامنة بنقطة الغليان
• نقطة ثلاثية

• "نقطة الغليان"  . مرجع الطالب الجديد  . 1914.