끓는점
출처: Lara Al Hariri 및 Ahmed Basabrain, University of Massachusetts Amherst, MA, USA
- 확장
순수한 유기 물질이 액상에서 기체 상태로 변하는 온도를 끓는점이라고 합니다. 액체의 끓는점은 모세관 방법을 사용하여 측정할 수 있으며, 여기서 거꾸로 된 모세관을 관심 액체에 넣고 액체를 가열합니다. 온도가 상승하면 모세관의 공기가 빠져나와 액체의 증기로 대체됩니다. 모세관의 증기압은 온도에 따라 증가합니다. 대기압을 초과하면 증기는 기포의 흐름으로 모세관을 빠져 나옵니다. 열이 제거되면 액체가 냉각되고 모세관의 증기압이 감소합니다. 증기압이 대기압에 도달하면 액체가 모세관을 채우기 시작합니다. 이것이 발생하는 온도가 끓는점입니다.
-
< 데이터 하위 메모 항목 = "1-2">
-
고무 밴드를 사용하여 온도계에 작은 시험관을 부착하고 클램프에 온도계를 고정합니다.
-
아세톤을 얻어 후드로 다시 가져오십시오. 유리 피펫과 전구를 사용하여 아세톤 1mL를 측정하고 작은 시험관에 옮깁니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
-
250mL 비커를 사용하여 수조를 만듭니다. 비커에 약 180mL의 물을 넣고 핫플레이트에 놓습니다.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
-
불을 끄고 수조를 식히십시오. 모세관에서 기포가 나오지 않을 때까지 기포 생성이 감소함에 따라 모세관을 계속 관찰하십시오. 액체가 모세관에서 상승하기 시작합니다. 이것이 발생하는 온도를 기록하십시오.
< 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
실험복, 생활 방수 보안경, 니트릴 장갑을 착용하십시오. 이 실험은 후드에서 수행해야 합니다.온도계 끝을 시험관의 아세톤과 수평이 되도록 정렬하고 서로 가깝게 유지합니다. 모세관 튜브를 뒤집어 열린 끝이 아래를 향하도록 시험관에 넣습니다.온도계와 시험관을 수조에 넣습니다. 핫플레이트를 가장 낮은 설정인 약 30°C로 켭니다.< 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">10분마다 핫플레이트의 온도를 20 – 10°C씩 천천히 높이고 시험관의 액체를 자세히 관찰합니다. 액체에서 가끔 기포가 보이기 시작하면 10분마다 열 설정을 5°C만 높이십시오.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">시험관 내부의 모세관 튜브를 면밀히 관찰합니다. 모세관에서 빠르고 연속적인 기포 흐름이 나오는 온도를 보고합니다..표 1: 아세톤과 에탄올의 끓는점
표 1을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오끓는점 온도(°C) 거품 모세관의 액체 아세톤 에탄올 깨끗한 25mL 비커를 '유기성 폐기물'로 표시합니다. 수조가 약 35°C로 냉각되면 수조에서 온도계와 시험관을 제거합니다. 온도계에서 시험관을 분리하고 아세톤을 폐기물 비커에 붓습니다.< 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">깨끗한 시험관과 모세관을 사용하고 1mL의 에탄올을 사용하여 실험을 반복합니다.< 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">에탄올의 끓는점을 측정한 후 수조를 식히십시오. 충분히 냉각되면 수조에서 시험관과 온도계를 제거하고 온도계에서 시험관을 분리한 다음 유기 폐기물 비커에 에탄올을 붓습니다.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">수조에서 물을 싱크대 아래로 버리고 모세관과 시험관을 유리 처리기에 넣습니다. 강사가 제공한 용기에 유기 폐기물을 버리십시오.< 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">모든 유리 제품을 세제와 물로 씻으십시오. -
- 확장
이 실험에서 아세톤의 끓는점을 56°C로 측정했는데, 이는 보고된 값과 잘 비교됩니다. 유사하게, 에탄올의 끓는점은 78°C로 측정되었습니다. 끓는점 측정의 오류는 수조를 너무 빨리 가열하거나 온도계와 샘플의 정렬 불량과 같은 많은 실험 오류에 기인할 수 있습니다.
유기 물질의 끓는점은 그 구조와 직접적인 관련이 있으며, 분자 내 힘이 강하면 분자가 서로를 붙잡고 액체 상태에 더 오래 머무를 수 있기 때문에 끓는점이 높아집니다. 에탄올의 끓는점이 더 높은 것은 분자 사이에 수소 결합을 일으키는 OH 구조로 인해 관찰됩니다. 아세톤은 극성 CO 이중 결합을 가지고 있어 쌍극자-쌍극자 힘을 발생시킵니다. 수소 결합은 쌍극자-쌍극자 힘보다 강하기 때문에 에탄올은 끓는점이 더 높습니다.
또한 에탄올은 아세톤보다 분자량이 적습니다. 그러나 분자량은 분자 구조보다 끓는점에 미치는 영향이 적습니다. 예를 들어, 부탄은 끓는점이 25°C보다 낮기 때문에 실온과 압력에서 발생하는 기체입니다. 에탄올은 부탄보다 분자량이 약간 낮지만 실온에서는 액체이므로 실온보다 끓는점이 높습니다. 이것은 에탄올 분자 사이의 수소 결합 때문이며, 이는 부탄 분자 사이의 반 데르 발스 힘보다 강합니다.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
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.