Явление повышения температуры кипения растворов относится к числу коллигативных свойств, то есть таких, которые зависят не от природы растворённых веществ, а только от их концентрации в растворе. Оно наблюдается при введении нелетучего растворённого вещества в летучий растворитель и связано с понижением давления его насыщенного пара.
Чистый растворитель кипит при такой температуре, при которой давление его насыщенного пара становится равным внешнему давлению. При добавлении нелетучего вещества общее давление пара над раствором уменьшается, поскольку часть поверхностных слоёв занята молекулами растворённого компонента, не обладающими собственной летучестью. Чтобы давление пара достигло значения, равного внешнему давлению, температура раствора должна быть выше температуры кипения чистого растворителя.
Математически повышение температуры кипения объясняется применением закона Рауля и уравнения Клапейрона–Клаузиуса. Для разбавленных растворов используется приближённая формула:
ΔTкип = Kb ⋅ m
где ΔTкип — повышение температуры кипения, Kb — эбуллиоскопическая константа растворителя, m — моляльность растворённого вещества.
Эбуллиоскопическая константа зависит исключительно от природы растворителя и выражается через его термодинамические параметры:
$$ K_b = \frac{R \cdot T_{кип}^2 \cdot M}{\Delta H_{испар}} $$
где R — универсальная газовая постоянная, Tкип — температура кипения чистого растворителя (в К), M — молярная масса растворителя, ΔHиспар — молярная теплота испарения растворителя.
Таким образом, для растворителей с высокой теплотой испарения величина Kb относительно мала, а для растворителей с низкой теплотой испарения она больше.
Так как рассматриваемое свойство носит коллигативный характер, оно зависит только от числа частиц в растворе. Для неэлектролитов это число совпадает с числом молекул, тогда как для электролитов необходимо учитывать степень их диссоциации. В этом случае формула принимает вид:
ΔTкип = Kb ⋅ m ⋅ i
где i — фактор Вант-Гоффа, показывающий эффективное число частиц, образующихся в растворе в результате диссоциации.
Например, для раствора хлорида натрия NaCl, диссоциирующего на два иона, значение i близко к 2, а для серной кислоты при высокой степени диссоциации — к 3.
Метод эбуллиоскопии, основанный на измерении повышения температуры кипения, используется для нахождения молекулярной массы нелетучих растворённых веществ. Поскольку ΔTкип прямо пропорциональна моляльности, измерив температуру кипения раствора и зная массу растворённого вещества, можно рассчитать количество вещества, а затем и молекулярную массу.
Точность метода зависит от чувствительности термометрии и чистоты растворителя. На практике используют высокочувствительные приборы и тщательно очищенные растворители, так как даже незначительные примеси влияют на результат.
Повышение температуры кипения имеет важное значение в технологических процессах. Оно влияет на условия перегонки, ректификации и кристаллизации. В пищевой промышленности и медицине учёт данного явления необходим при приготовлении растворов с точно заданными свойствами. В нефтехимии и органическом синтезе повышение температуры кипения учитывается при выборе растворителей и режимов нагрева.
Таким образом, повышение температуры кипения растворов иллюстрирует прямую связь между молекулярными характеристиками растворённого вещества и макроскопическими свойствами системы, что делает его важным инструментом как в теоретических, так и в прикладных исследованиях.