Температура плавления - Melting point


Из Википедии, свободной энциклопедии
Кубики льда положить в воде достигнут 0 ° С температурой плавления льда , когда они начинают плавиться.

Температура плавления (или, реже, сжижение точка ) вещества является температурой , при которой он меняет состояние от твердого вещества в жидкость . При температуре плавления твердого тела и жидкая фаза существует в равновесии . Температура плавления вещества зависит от давления и обычно определяется при стандартном давлении , такой как 1 атмосфера или 100 кПа .

Когда рассматривается как температура обратного перехода от жидкого состояния в твердое, оно упоминается как точки замерзания или точки кристаллизации . Из - за способности некоторых веществ Supercool , точка замерзания не считается характерным свойством вещества. Когда «характерная точка замерзания» вещества определяется, на самом деле фактическая методика почти всегда «принцип наблюдения исчезновения , а не к образованию льда», то есть, в точку плавления .

Примеры

Точки плавления (синий цвет) и точка кипения (розовый цвет) из первых восьми карбоновых кислот (° C)

Для большинства веществ, температуры плавления и замерзания точка примерно равна. Например, точка плавления и точка замерзания по ртути является 234.32 Кельвинов (-38,83  ° C или -37,89  ° F ). Тем не менее, некоторые вещества обладают различающимися температурами перехода твердой тела-жидкости. Так , например, агар плавится при температуре 85 ° C (185 ° F) и затвердевает от 31 ° C (88 ° F; 304 К); такое направление зависимость известна как гистерезис . Точка плавления льда при 1 атмосфере давления находится очень близко к 0 ° C (32 ° F; 273 К); это также известно как точка льда. В присутствии затравочных веществ , точка замерзания воды не всегда совпадает с точкой плавления. При отсутствии затравок вода может существовать в виде переохлаждения изд жидкости до -48.3 ° С (-55 ° F, 224,8 К) перед замораживанием.

Химический элемент с самой высокой точкой плавления вольфрама , при 3,414 ° C (6,177 ° F; 3687 К); это свойство делает вольфрам отлично подходит для использования в качестве нитей в лампочках. Часто цитируемый углерод не плавится при давлении окружающей среды , но сублимируется при приблизительно 3,726.85 ° C (6,740.33 ° F; 4,000.00 К); жидкая фаза существует только давление выше 10 МПа (99 атм) и расчетной 4,030-4,430 ° C (7,290-8,010 ° F; 4,300-4,700 K) (см фазовой диаграмме углерода ). Карбид тантала гафния (Та 4 HfC 5 ) представляет собой тугоплавкий соединение с очень высокой температурой плавления 4215 К (3942 ° C, 7128 ° F). На другом конце шкалы, гелий не замерзает вообще при нормальном давлении , даже при температурах сколь угодно близких к абсолютному нулю ; давление более чем в двадцать раз нормального атмосферного давления необходимо.

Список общих химических веществ
химикат Плотность ( г / см 3 ) Melt ( К ) Кипение ( К )
Вода @STP 1 273 373
Припой (Pb60Sn40) 456
Шоколадное масло 307,2 -
Парафиновая свеча 0.9 310 643
водород 0.00008988 14,01 20,28
гелий 0.0001785 - 4,22
бериллий 1,85 1560 2742
углерод 2,267 3800 4300
азот 0.0012506 63,15 77,36
кислород 0.001429 54,36 90,20
натрий 0,971 370,87 1156
магниевый 1,738 +923 1363
алюминий 2,698 933,47 2792
сера 2,067 388,36 717,87
хлор 0.003214 171,6 239,11
калий 0,862 336,53 1032
титан 4,54 1941 3560
Железо 7,874 +1811 3134
никель 8,912 1728 3186
медь 8,96 1357,77 2835
цинк 7,134 692,88 1180
галлий 5,907 302.9146 2673
Серебряный 10,501 1234,93 2435
Кадмий 8,69 594,22 1040
Индий 7,31 429,75 2345
йод 4,93 386,85 457,4
тантал 16,654 3290 5731
вольфрам 19,25 3695 5828
платиновый 21,46 2041,4 4098
Золото 19,282 1337,33 3129
Меркурий 13,5336 234,43 629,88
вести 11,342 600,61 2022
висмут 9,807 544,7 1837

Заметки

Измерения Точка плавления

Кёфлер стенд с образцами для калибровки

Многие лабораторные методы существуют для определения точки плавления. Кофлера представляет собой металлическую полосу с температурным градиентом (диапазон от комнатной температуры до 300 ° C). Любое вещество может быть размещено на участке полосы, открыв ее тепловое поведение при температуре в этой точке. Дифференциальная сканирующая калориметрия дает информацию о точке плавления вместе с ее энтальпией плавления .

Автоматический цифровой измеритель точки плавления

Базовая точка плавления аппарат для анализа кристаллических твердых тел состоит из масляной бани с прозрачным окном (самый основной дизайн: Тиль трубка ) и простой лупы. Несколько зерен твердого вещества помещают в тонкой стеклянной трубке и частично погружают в масляной бане. Масляная баня нагревает (и перемешивает) и с помощью лупы (и внешний источник света) плавлений отдельных кристаллов при определенной температуре можно наблюдать. В больших / малых устройств, образец помещают в нагревательный блок, и оптическое обнаружение автоматизировано.

Измерения также могут быть сделаны непрерывно с рабочим процессом. Например, нефтеперерабатывающие заводы измеряют температуру замерзания дизельного топлива онлайн, а это означает, что образец берется из процесса и измеряется автоматически. Это позволяет более частых измерений, как образец не должен быть вручную собраны и доставлены в удаленную лабораторию.

Методики для огнеупорных материалов

Для получения огнеупорных материалов (например , платины, вольфрама, тантала, некоторых карбидов и нитридов и т.д.) с чрезвычайно высокой температурой плавления (обычно считается выше, скажем, 1800 ° C) может быть определена путем нагрева материала в черной печи тела и измерения температуры черного тела с оптическим пирометром . Для самых высоких температур плавления материалов, это может потребовать экстраполяции на несколько сотен градусов. Спектральное свечение от лампы накаливания тела , как известно, зависит от его температуры. Оптический пирометр соответствует блеску тела при исследовании в блеск источника , который был предварительно калиброванным в зависимости от температуры. Таким образом, измерение абсолютной величины интенсивности излучения не является необходимым. Тем не менее, известные температуры должны быть использованы для определения калибровки пирометра. При температурах выше диапазона калибровки источника, должна быть использована экстраполяцией собой техника. Эта экстраполяция осуществляется с помощью закона Планка излучения. Константы в этом уравнении не известны с достаточной точностью, в результате чего ошибки в экстраполяции , чтобы стать больше при более высоких температурах. Однако стандартные методы были разработаны для выполнения этой экстраполяции.

Рассмотрим случай с использованием золота в качестве источника (т.пл. = 1 063 ° C). В этой технике, ток через нить пирометра регулируют до тех пор, интенсивность света нити не совпадает с черным-тела в точке плавления золота. Это устанавливает первичную температуру калибровки и могут быть выражены в терминах тока через лампу пирометра. С той же установкой тока, пирометр замечен на другое черном теле при более высокой температуре. Поглощающая среда известной передачи вставляется между пирометром и этого черным телом. Температура черного тела затем регулируют до тех пор, пока совпадение существует между его интенсивностью и что из пирометра нити. Истинная выше температура черного тела определяется из закона Планка. Поглощающая среда затем удаляют и ток через нить регулируется, чтобы соответствовать интенсивности нити к тому, что из-черного тела. Это устанавливает вторую точку калибровки для пирометра. Этот этап повторяется для выполнения калибровки до более высоких температур. Теперь, температура и их соответствующие тока пирометра нити известны и кривые зависимости температуры от тока можно сделать. Эта кривая может быть экстраполированы до очень высоких температур.

При определении точки плавления огнеупорного вещества с помощью этого метода, необходимо либо иметь черные тела или условия , чтобы знать коэффициент излучения от измеряемого материала. Сдерживание материала с высоким плавлением в жидком состоянии может ввести экспериментальные трудности. Температуры плавления некоторых тугоплавких металлов Таким образом , были измерены путем наблюдения излучения от черной полости тела в твердых образцах металлов , которые были намного больше , чем они были широко. Для того, чтобы сформировать такую полость, отверстие просверлено перпендикулярно к продольной оси в центре стержня материала. Эти стержни затем нагревают путем пропускания очень большой ток через них, а излучение , испускаемое из отверстия наблюдается с помощью оптического пирометра. Точка плавления указывает потемнение отверстие , когда появляется жидкая фаза, уничтожая черные тела условия. Сегодня, containerless метода лазерного нагрева, в сочетании с быстрыми пирометрами и спектрально-пирометрами, используется для обеспечения точного контроля времени , в течение которого образец выдерживают при экстремальных температурах. Такие эксперименты суб-второй длительность адреса несколько из проблем , связанных с более традиционными измерениями температуры плавления , сделанных при очень высоких температурах, таких как образец испарение и реакция с контейнером.

Термодинамика

Зависимость давления от температуры плавления воды.

Для получения твердого вещества , чтобы расплавить, тепло требуется , чтобы повысить его температуру до точки плавления. Однако дальнейшее тепло должно подаваться для плавления иметь место: это называется теплота плавления , и является примером скрытой теплоты .

С точки зрения термодинамики зрения, в точке плавления изменение свободной энергии Гиббса (ΔG) материала равна нулю, но энтальпию ( H ) и энтропии ( S ) материала увеличивается (H, & Dgr ; S> 0) , Плавление явления происходит , когда свободная энергия Гиббса жидкости становится ниже , чем твердое вещество для данного материала. При различных давлениях это происходит при определенной температуре. Кроме того , можно показать , что:

Здесь Т , & Dgr ; S и & delta ; H являются , соответственно, температура в точке плавления, изменение энтропии плавления и изменение энтальпии плавления.

Точка плавления чувствительна к чрезвычайно большим изменениям давления , но , как правило эта чувствительность порядков величины меньше , чем для точки кипения , так как твердое тело-жидкость перехода представляет собой лишь небольшое изменение в объеме. Если, как это наблюдалось в большинстве случаев, это вещество является более плотной в твердой фазе , чем в жидком состоянии, температура плавления будет возрастать с увеличением давления. В противном случае обратное поведение наблюдается. Следует отметить, что это так воды, как показано графически на право, но и Si, Ge, Ga, Bi. С чрезвычайно большими изменениями давления, наблюдаются значительные изменения температуры плавления. Например, температура плавления кремния при атмосферном давлении (0,1 МПа) составляет 1415 ° С, но при давлениях, превышающих 10 ГПа , уменьшается до 1000 ° С.

Точки плавления часто используется для характеристики органических и неорганических соединений и установить их чистоту . Температура плавления чистого вещества всегда выше , и имеет меньшую дальность , чем температура плавления нечистого вещества или, в более общем случае , смесях. Чем выше количество других компонентов, тем ниже температура плавления и тем шире будет диапазон точки плавления, часто упоминается как «диапазон пастообразного». Температура , при которой начинаются плавления для смеси известна как «солидус» в то время как температура плавления , где полно называется «ликвидусом». Эвтектик специальные типы смесей , которые ведут себя как отдельные фазы. Они резко расплава при постоянной температуре с образованием жидкости из одной и той же композиции. В качестве альтернативы, при охлаждении жидкости с составом эвтектики будет затвердевать , как равномерно диспергируют, маленькие (мелкозернистые) смешанные кристаллы с таким же составом.

В отличие от кристаллических твердых тел, очки не обладают точкой плавления; при нагревании они проходят плавный переход стекла в вязкую жидкость . При дальнейшем нагревании они постепенно смягчаться, которые могут быть охарактеризованы определенными точками размягчения .

Замораживание точки депрессии

Точка замерзания в растворителе находится в депрессии , когда другое соединение добавляет, а это означает , что раствор имеет более низкую температуру замерзания , чем чистый растворитель. Это явление используется в технических приложениях , чтобы избежать замерзания, например , путем добавления соли или этиленгликоль с водой.

Правило Carnelley в

В области органической химии , правила Carnelley в , созданный в 1882 году Томасом Carnelley , утверждает , что высокая молекулярная симметрия связана с высокой температурой плавления . Carnelley на основе его правления на рассмотрении 15000 химических соединений. Например, для трех структурных изомеров с молекулярной формулой C 5 H 12 плавления возрастает точку в серии изопентане -160 ° С (113 К) н-пентаном -129,8 ° С (143 К) и неопентаном -16.4 ° С (256,8 K ). Точно так же в ксилолы , а также дихлорбензолов точечные повышение температуры плавления в порядке мета, орто , а затем пункт . Пиридин имеет более низкую симметрию , чем бензол , следовательно , его более низкая температура плавления , но точка плавления снова увеличивается с диазин и триазинами . Многие клетки-подобные соединения , такие как адамантан и кубан с высокой симметрией имеют относительно высокой температуры плавления.

Точка плавления приводит к высокой с высокой теплотой плавления , низкой энтропии плавления , или комбинации обоих. В сильно симметричных молекул кристаллическая фаза плотно упакован с большим количеством эффективных межмолекулярных взаимодействий , приводящих к более высокой энтальпией изменения при плавлении.

Предсказание точки плавления веществ (критерий Линдемана)

Попытка предсказать точку объемного плавления кристаллических материалов впервые было сделано в 1910 году Фредерик Lindemann . Идея теории было наблюдение о том , что средняя амплитуда тепловых колебаний возрастает с повышением температуры. Плавление может инициировать , когда амплитуда колебаний становится достаточно для соседнего атом частично занимает то же пространство большой. Критерий Линдемана утверждает , что плавление , как ожидается , когда вибрация среднеквадратичная амплитуда превышает пороговое значение.

Предполагая , что все атомы в кристалле вибрируют с той же частотой v , средняя тепловая энергия может быть оценена с помощью теоремы равнораспределении как

где т является атомная масса , ν представляет собой частоту , у по амплитуде вибрации средняя, к Б является постоянная Больцмана , а Т представляет собой абсолютную температуру . Если пороговое значение U 2 представляет C 2 2 , где с является постоянной Линдеманн и является межатомное расстояние , то точка плавления оценивается как

Некоторые другие выражения для расчетной температуры плавления могут быть получены в зависимости от оценки средней тепловой энергии. Другим часто используемым выражением для критерия Линдемана является

Из выражения для частоты Дебая для v , мы имеем

где θ D является температура Дебая и ч является постоянная Планка . Значения гр диапазоне от 0,15-0,3 для большинства материалов.

Точка плавления предсказания

В феврале 2011 года Alfa Aesar выпустил более 10000 точек плавления соединений из их каталога как открытые данные . Этот набор данные были использованы для создания случайной лесной модели для предсказания точки плавления , которая в настоящее время в свободном доступе. Данные точки плавления Открытого также доступны Nature Precedings . Высококачественные данные , добываемые из патентов , а также модели , разработанные с этими данными были опубликованы Tetko и др .

Смотрите также

Рекомендации

Список используемой литературы

  • Haynes, Уильям М., изд. (2011). CRC Справочник по химии и физике (девяносто второй ред.). CRC Press. ISBN  1439855110 .

внешняя ссылка