沸点
出典:Lara Al Hariri氏とAhmed Basabrain氏(米国マサチューセッツ州アマースト校
)- アセトンとエタノールの沸点測定
純粋な有機物質が液相から気相に変化する温度は、沸点として知られています。液体の沸点は、逆さまのキャピラリーを目的の液体に配置し、液体を加熱するキャピラリー法を使用して決定できます。温度が上昇すると、毛細血管内の空気が逃げ出し、液体の蒸気に置き換えられます。毛細血管内の蒸気圧は温度とともに上昇します。大気圧を超えると、蒸気は気泡の流れとなって毛細血管から逃げます。熱が取り除かれると、液体は冷え、毛細血管内の蒸気圧は減少します。蒸気圧が大気圧に達すると、液体が毛細管に充填し始めます。これが発生する温度が沸点です。
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白衣、防滴安全メガネ、ニトリル手袋を着用してください。この実験はフードの中で行う必要があります。
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小さな試験管をゴムバンドを使用して温度計に取り付け、温度計をクランプに固定します。
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アセトンを手に入れて、フードに戻してください。ガラスピペットと電球を使用して、アセトン1mLを測定し、小さな試験管に移します。
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温度計の端を試験管内のアセトンと同じ高さになるように位置合わせし、互いに近づけます。毛細管を反転させ、開放端が下を向くように試験管に入れます。
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250mLのビーカーを使用してウォーターバスを作成します。ビーカーに約180mLの水を加え、ホットプレートに置きます。
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温度計と試験管をウォーターバスに下げます。ホットプレートを最低設定の約30°Cにオンにします。
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ホットプレートの温度を10分ごとに10〜20°Cゆっくりと上げ、試験管内の液体を注意深く観察します。液体中に時折泡が立ち始めたら、10分ごとに5°Cだけ熱設定を上げてください。
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試験管内の毛細管をよく観察してください。キャピラリーから気泡の急速かつ連続的な流れが出てくる温度を報告します。
表1:アセトンとエタノールの沸点
ここをクリックして表 1 をダウンロード沸点温度 (°C) バブル キャピラリー内の液体 アセトン エタノール -
火を止めて、ウォーターバスを冷まします。気泡の生成が減少するにつれて、毛細血管から気泡が出なくなるまで、毛細血管を観察し続けます。液体は毛細管内で上昇し始めます。これが発生する温度を記録します。
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きれいな25mLビーカーを「有機廃棄物」とラベル付けします。ウォーターバスが約35°Cに冷えたら、温度計と試験管をバスから取り外します。試験管を温度計から取り外し、アセトンを廃棄物ビーカーに注ぎます。
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清潔な試験管とキャピラリーを使用し、1mLのエタノールを使用して実験を繰り返します。
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エタノールの沸点を測定した後、ウォーターバスを冷まします。十分に冷えたら、試験管と温度計をウォーターバスから取り外し、試験管を温度計から取り外し、エタノールを有機廃棄物ビーカーに注ぎます。
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ウォーターバスからの水をシンクに捨て、毛細血管と試験管をガラス処理場に入れます。有機廃棄物は、インストラクターから提供された容器に捨ててください。
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すべてのガラス器具を洗剤と水で洗います。
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- Results
今回の実験では、アセトンの沸点を56°Cと測定しましたが、これは報告値と比較しても遜色ありません。同様に、エタノールの沸点は78°Cと測定されました。沸点測定の誤差は、ウォーターバスの加熱が速すぎる、温度計とサンプルの位置合わせが不十分であるなど、多くの実験誤差に起因する可能性があります。
有機物質の沸点はその構造に直接関係しており、分子内力が強いと、分子が互いに保持して液相に長く留まることができるため、沸点が高くなります。エタノールのより高い沸点は、分子間の水素結合を引き起こすOH構造のために観察されます。アセトンには極性CO二重結合があり、その結果、双極子-双極子力が生じます。水素結合は双極子-双極子力よりも強いため、エタノールは沸点が高くなります。
さらに、エタノールはアセトンよりも分子量が低くなります。ただし、分子量は分子構造よりも沸点への影響が少なくなります。例えば、ブタンは室温および圧力のガスである、なぜならそれは沸点が25°Cより低いので、エタノールにブタンよりわずかに低い分子量があるが、室温では液体であり、従って、室温より高い沸点がある。これは、エタノール分子間の水素結合によるもので、ブタン分子間のファンデルワールス力よりも強力です。
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Q1: What is the capillary method for determining boiling point?
The capillary method involves placing an inverted capillary tube in a liquid sample and heating it gradually. As temperature increases, air in the capillary escapes and is replaced by the liquid's vapor. When vapor pressure exceeds atmospheric pressure, bubbles stream from the capillary. The boiling point is recorded when the liquid begins refilling the capillary after cooling, indicating vapor pressure has dropped to atmospheric pressure.
Q2: Why does ethanol have a higher boiling point than acetone?
Ethanol has a higher boiling point due to hydrogen bonding between its molecules, which is a stronger intermolecular force than the dipole-dipole forces present in acetone. Hydrogen bonding allows ethanol molecules to hold onto each other more effectively, requiring more thermal energy to transition from liquid to gas phase. Although acetone has a slightly higher molecular weight, molecular structure and intermolecular forces have a greater impact on boiling point than mass alone.
Q3: How does molecular structure affect boiling point?
Boiling point is directly related to molecular structure through the strength of intermolecular forces. Stronger intramolecular forces, such as hydrogen bonding, result in higher boiling points because molecules remain bonded in the liquid phase longer. Molecular weight has less impact than structure; for example, ethanol has a lower molecular mass than butane but a much higher boiling point due to hydrogen bonding, while butane relies on weaker van der Waals forces.
Q4: What experimental errors can affect boiling point measurements?
Common experimental errors include heating the water bath too rapidly, which prevents accurate temperature equilibration, and poor alignment of the thermometer and sample. Rapid heating can cause temperature overshooting and inaccurate bubble observation. Misalignment prevents the thermometer from accurately reading the sample temperature. Careful temperature control and proper thermometer positioning are essential for obtaining boiling point values that match reported literature values.
Q5: How do you know when the boiling point has been reached during the experiment?
The boiling point is identified by two key observations. First, when heating, record the temperature at which a rapid and continuous stream of bubbles emerges from the capillary tube. Second, when cooling, observe when the liquid begins to rise back into the capillary as bubble production decreases. The temperature at which liquid refills the capillary represents the boiling point, as this marks when vapor pressure equals atmospheric pressure.
Q6: Why is thermometer alignment important in boiling point determination?
Proper thermometer alignment ensures the thermometer bulb is level with the liquid sample, allowing accurate temperature measurement of the boiling liquid. Misalignment causes the thermometer to read incorrect temperatures, leading to inaccurate boiling point values. Keeping the thermometer and sample close together and level prevents temperature gradients and ensures the thermometer responds to the actual temperature of the liquid being heated.
Q7: What happens to vapor pressure inside the capillary as temperature increases?
As temperature increases, vapor pressure inside the capillary rises proportionally. Initially, air in the capillary escapes and is replaced by the liquid's vapor. When vapor pressure exceeds atmospheric pressure, vapor escapes in a continuous stream of bubbles. Upon cooling, vapor pressure decreases until it falls below atmospheric pressure, at which point the liquid is drawn back into the capillary, marking the boiling point temperature.