miniatura|Aigua en ebullició. A diferència de l'evaporació, tota la massa del líquid participa en el procés. Lebullició és el passatge de líquid a vapor quan la seva pressió de vapor iguala l'atmosfèrica. Una de les característiques de l'ebullició és la formació de bombolles, perquè es produeix un fenomen d'evaporació a l'interior del líquid. Si no hi ha ebullició, l'evaporació es produeix només a la superfície i es tracta d'un canvi d'estat.
Des del punt de vista de la termodinàmica, en el punt d'ebullició el canvi en l'energia lliure de Gibbs de les substàncies és zero (∆G = 0), però hi ha canvis diferents de zero en l'entalpia (∆H ≠ 0) i l'entropia (∆S ≠ 0), coneguts respectivament com a entalpia o calor de vaporització (o calor latent d'ebullició) i l'entropia de vaporització. Per tant, l'ebullició es classifica com una transició de fase de primer ordre. L'ebullició es produeix quan l'energia lliure de Gibbs del vapor és menor que la del líquid d'aquest material. La temperatura a la qual es produeix això depèn de la pressió ambiental.
Explicació microscòpica La conversió d'un líquid en estat de vapor s'anomena vaporització. La vaporització es realitza absorbint calor. D'altra banda, la conversió dels vapors en estat líquid s'anomena condensació. L'estat de vapor es pot aconseguir mitjançant el procés d'evaporació, que té lloc a la superfície del líquid a qualsevol temperatura, i l'ebullició, quan es manifesta a tota la massa i a temperatura constant.UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; ENCICLOPÈDIA CATALANA. Diccionari de física [en línia]. 2a ed. Barcelona: TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2019. (Diccionaris en Línia) (Ciència i Tecnologia). https://www.termcat.cat/ca/diccionaris-en-linia/149 miniatura|Evaporació de molècules d'un líquid (vaporització a la superfície del líquid). En els líquids, les molècules estan unides de manera feble i poden moure’s dins del líquid amb diferents velocitats instantànies, segons la teoria cineticomolecular. Algunes molècules situades prop de la superfície tenen prou energia cinètica per escapar-se del líquid i no tornar-hi mai més. Així, progressivament, cada vegada més molècules escapen del líquid. L'escapament de molècules des de la superfície del líquid s'anomena evaporació. Aquest procés té lloc a totes les temperatures i pressions. Com que durant l'evaporació escapen les molècules de major velocitat, l'energia cinètica mitjana de la superfície del líquid es redueix, provocant una disminució de la temperatura. Per tant, l'evaporació causa un refredament del líquid.
Si l'espai situat per sobre de la superfície líquida està tancat, algunes molècules retornaran al líquid, i aquest procés s'anomena condensació. Si el nombre de molècules que escapen és superior al nombre de molècules que tornen, es produeix una evaporació neta; en canvi, si el nombre de molècules que tornen és superior al de les que escapen, es produeix una condensació neta. Quan el nombre de molècules que escapen i el nombre de molècules que tornen s'equilibren, l'espai situat per sobre del líquid ja no pot contenir més molècules de vapor, i s'anomena vapor saturat, mentre que la pressió que exerceix aquest vapor es diu pressió de vapor saturant.
Quan un líquid s'escalfa, primer es produeix l'evaporació des de la seva superfície. A mesura que la temperatura augmenta, es formen bombolles de vapor dins el volum del líquid, que pugen fins a la superfície i s'escapen. Així, la evaporació dels líquids es produeix també per la formació de bombolles i la seva posterior emissió cap a l'exterior, provocant una agitació de tota la massa del líquid. La temperatura a la qual comença la formació de bombolles i es produeix l'ebullició del líquid s'anomena punt d'ebullició. Un cop s'inicia l'ebullició, tota l'energia tèrmica subministrada es destina a transformar el líquid en vapor sense augmentar més la temperatura. L'energia necessària per a aquesta transformació s'anomena calor latent de vaporització o entalpia de vaporització, simbolitzada .
Temperatura d'ebullició El punt d'ebullició a una pressió determinada és una característica de qualsevol substància o barreja, aquesta característica serà determinada pels valors de temperatura i pressió, en què coexisteixen les fases líquides i gasosa de la substància. És la temperatura més elevada que pot suportar un material abans de bullir i començar a evaporar-se a una certa pressió. Aquesta temperatura es calcula a la pressió atmosfèrica, és a dir 101,3 kPa. + Temperatura d'ebullició a pressió atmosfèrica normal d'algunes substàncies. Substàncies Teb (°C)Àcid nítric 86 Àcid sulfúric 332Perry's Chemical Engineers' Handbook 7a ed. (pàg. 2.25-2.26), la Teb per l'àcid sulfúric a la seva forma comercial habitual és de 340 °C (temperatura a la qual també se'n produeix la descomposició), la Teb de l'àcid sulfúric monohidrat (H₂SO₄·H₂O) és de 290 °C, mentre que la Teb de l'àcid sulfúric dihidrat (H₂SO₄·2H₂O) és de 167 °C (en els dos darrers casos no hi ha descomposició).Aigua de mar 103Aigua destil·lada 100Etanol (100% en volum) 78,3Amoníac –34Nitrogen –196Benzè 80Clor –34Essència de trementina ~160Dietilèter 35Ferro3 000Gal·li2 237Glicerol 290Lípid ~300Hidrogen –253Mercuri 357Metà –162Oli de llinosa 316Oli d'oliva ~300Or2 808Oxigen -183Parafina 300Sodi 900Sulfur de carboni 46,5Tungstè5 500
Equació de Clapeyron La variació de la temperatura d'ebullició amb la pressió a la qual es produeix el canvi de fase és expressada per l'equació de Clapeyron, deguda a l'enginyer francès Benoît Paul Émile Clapeyron (1799 - 1864):
on:
i són la temperatura absoluta del procés i la pressió, respectivament. és l'increment de volum molar (, volum dividit pel nombre de mols) en el procés d'ebullició, això és , la diferència entre els volums molars del vapor i del líquid a la temperatura d'ebullició. és l'entalpia molar de vaporització, que es pot considerar constant si la variació de temperatura és petita. Per a variacions importants de la temperatura s'ha de tenir en compte que depèn de la temperatura.
Hom pot integrar l'equació de Clapeyron. Suposant constant la variació de volum molar i l'entalpia molar podem integrar entre dues temperatures i i les corresponents pressions i . Així hom pot calcular la temperatura d'ebullició en funció de la pressió:
Realitzades les integrals resulta:I aïllant la temperatura queda:
Equació de Clausius-Clapeyron miniatura|Diagrama de fases. Cada corba ve definida per una equació de Clapeyron del tipus Els equilibris líquid-vapor estan molt influïts per la pressió, perquè la diferència entre els volums molars del líquid i del vapor és elevada. A més, en tots els casos, sense excepcions, es compleix que el volum molar del líquid és menor que el volum molar del vapor, , un augment de la pressió provoca sempre un augment de la temperatura d'ebullició. En aquestes condicions es pot aproximar la diferència de volums molars al volum molar major, que és el del vapor i substituir l'equació de Clapeyron que és general per als canvis de fases:Si la pressió de vapor és baixa es pot suposar un comportament ideal del gas, de manera que emprant l'equació d'estat dels gasos ideals, el volum molar queda:que pot substituir-se a l'anterior equació:que s'anomena equació de Clausius-Clapeyron.
Aquesta equació pot integrar-se: miniatura|Diagrama de fases de l'aigua. La corba entre B i C, entre el punt triple i el punt crític, dona els valors de la temperatura d'ebullició (eix horitzontal) per a qualsevol pressió (eix vertical). Segueix l'equació de Clausius-Clapeyron. La relació entre la pressió i la temperatura queda (amb constant):
Aquesta equació es pot generalitzar per sistemes amb més d'un component.
Diagrama de fases miniatura|Diagrama temperatura enfront de composició d'una mescla de benzè (a l'esquerra) i toluè (a la dreta). Hom sol representar les diferents fases d'un sistema d'un sol component en un diagrama, anomenat diagrama de fases o diagrama d'equilibri, on les corbes indiquen les condicions (p, T) en què hi ha equilibri entre dues fases. Aquestes corbes corresponen als estats dels sistemes monovariants (dues fases en equilibri) i separen les zones dels sistemes bivariants (estabilitat d'una sola fase).
Punt d'ebullició de mescles Les mescles binàries de líquids miscibles que hom pot separar-los per destil·lació sempre bullen a temperatures entre els valors de les temperatures d'ebullició dels dos components. En un diagrama temperatura vs. concentració apareixen dues corbes entre els punts d'ebullició dels components purs de la mescla. La inferior és la línia d'ebullició i la superior la de condensació. Les mescles comencen a bullir i el vapor s'enriqueix amb el component més volàtil i la mescla amb el menys volàtil. Per aquesta raó el punt d'ebullició va augmentant a mesura que s'evapora el component més volàtil. miniatura|Diagrama temperatura enfront de composició d'una mescla azeotròpica de cloroform (a l'esquerra) i acetona (a la dreta). Si hom té una mescla binària azeotròpica es trobarà amb una concentració determinada amb un punt d'ebullició màxim o mínim respecte a la resta (inclosos els dels components purs). En aquests punts, les corbes d'ebullició i condensació coincideixen i corresponen a composicions idèntiques de les fases líquida i vapor en equilibri, és la 2a llei de Konovalov (1881). Com que la variació del punt d'ebullició amb la pressió és una característica pròpia de cada líquid, si es varia la pressió de treball l'azeòtrop deixa de ser-ho i, en conseqüència, el punt d'ebullició deixa de mantenir-se constant mentre dura el procés de canvi de fase.
En condicions normals de treball, gairebé la meitat de les mescles binàries líquides conegudes són azeòtrops. L'exemple més conegut és l'alcohol venut a les farmàcies, que és del 96 % en volum (93 % en pes). La composició de l'azeòtrop que forma l'aigua amb l'etanol a pressió atmosfèrica dona una temperatura d'ebullició de 78,2 °C, per sota dels punts d'ebullició normals de l'aigua (100 °C) i de l'etanol pur (79 °C). Si s'obre una botella d'etanol pur a l'aire, de seguida es forma l'azeòtrop que li correspon a la pressió atmosfèrica amb el vapor d'aigua present a l'atmosfera. Un exemple d'azeòtrop amb punt d'ebullició màxim és el format per l'aigua i el clorur d'hidrogen.UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; ENCICLOPÈDIA CATALANA. Diccionari de química [en línia]. Barcelona: TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2016-2023. (Diccionaris en Línia) (Ciència i Tecnologia) http://www.termcat.cat/ca/diccionaris-en-linia/212
Augment ebullioscòpic miniatura|Diagrama de fases de l'aigua. L'augment o ascens ebullioscòpic és l'augment de la temperatura d'ebullició que experimenta una dissolució respecte de la temperatura d'ebullició del dissolvent pur.
La magnitud de l'ascens ebullioscòpic, , és expressada per la diferència de temperatures d'ebullició de la dissolució i del dissolvent pur, i , respectivament:L'augment o ascens ebullioscòpic és una de les propietats col·ligatives i, com la resta d'aquestes propietats, la magnitud de l'ascens només depèn de la naturalesa del dissolvent i de la quantitat dissolta de solut, és a dir, és independent de la naturalesa del solut. Dit en altres paraules, qualsevol solut, en la mateixa quantitat, produeix el mateix efecte. A la figura adjunta es representa el diagrama de fases de l'aigua. Una dissolució aquosa experimenta un descens de la pressió de vapor del líquid, la qual cosa es tradueix en un ascens de la temperatura d'ebullició, ja que es necessita més temperatura perquè la pressió de vapor del dissolvent a la dissolució iguali a la pressió atmosfèrica.
Dissolucions diluïdes de no-electròlits. Llei de Raoult miniatura|Ascens ebullioscòpic de les dissolucions de glucosa en aigua.