Температура плавления

редактировать
Чтобы узнать о физических процессах, происходящих при температуре плавления, см. Плавление, Замораживание и Кристаллизация. «Точка замерзания» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Точка замерзания (значения). Кубики льда, помещенные в воду, начнут таять, когда достигнут температуры плавления 0  °C.

Температура плавления (или, реже, точка разжижения) вещества — это температура, при которой оно переходит из твердого состояния в жидкое. При температуре плавления твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Температура плавления вещества зависит от давления и обычно указывается при стандартном давлении, таком как 1 атмосфера или 100 кПа.

Когда рассматривается как температура обратного перехода от жидкого к твердому, ее называют точкой замерзания или точкой кристаллизации. Из-за способности веществ переохлаждаться температура замерзания может легко оказаться ниже ее фактического значения. При определении «характерной точки замерзания» вещества, по сути, фактической методологией почти всегда является «принцип наблюдения за исчезновением, а не за образованием льда, т. е. за температурой плавления ».

Содержание

  • 1 Примеры
  • 2 Измерение точки плавления
    • 2.1 Методы огнеупорных материалов
  • 3 Термодинамика
  • 4 Депрессия точки замерзания
  • 5 правило Карнелли
  • 6 Прогнозирование температуры плавления веществ (критерий Линдеманна)
  • 7 Прогноз температуры плавления
  • 8 Таблица
  • 9 См. также
  • 10 ссылок
    • 10.1 Цитаты
    • 10.2 Источники
  • 11 Внешние ссылки

Примеры

Дополнительная информация: Список элементов по температуре плавления. Температуры плавления (синий цвет) и температуры кипения (розовый цвет) первых восьми карбоновых кислот (°C)

Для большинства веществ температуры плавления и замерзания примерно равны. Например, температура плавления и замерзания ртути составляет 234,32 кельвина (-38,83  ° C ; -37,89  ° F ). Однако некоторые вещества имеют разные температуры перехода твердого тела в жидкое. Например, агар плавится при 85 ° C (185 ° F, 358 K) и затвердевает при 31 ° C (88 ° F, 304 K); такая зависимость от направления известна как гистерезис. Температура плавления льда при давлении в 1 атмосферу очень близка к 0 ° C (32 ° F, 273 K); это также известно как ледяная точка. В присутствии зародышеобразователей температура замерзания воды не всегда совпадает с точкой плавления. В отсутствие зародышеобразователей вода может существовать в виде переохлажденной жидкости до -48,3 ° C (-54,9 ° F; 224,8 K) перед замерзанием.

Металл с самой высокой температурой плавления - вольфрам при 3414 ° C (6 177 ° F, 3687 K); это свойство делает вольфрам превосходным для использования в качестве электрических нитей накаливания в лампах накаливания. Часто упоминаемый углерод не плавится при атмосферном давлении, а возгоняется при температуре около 3700 ° C (6700 ° F; 4000 K); жидкая фаза существует только при давлении выше 10 МПа (99 атм) и, по оценкам, 4 030–4 430 ° C (7 290–8 010 ° F; 4 300–4 700 K) (см. Диаграмму фазы углерода ). Карбид тантала-гафния (Ta 4 HfC 5) представляет собой тугоплавкое соединение с очень высокой температурой плавления 4 215 К (3 942 ° C; 7 127 ° F). Квантово-механическое компьютерное моделирование предсказало, что сплав HfN 0,38 C 0,51 будет иметь еще более высокую температуру плавления (около 4400 К), что сделает его веществом с самой высокой температурой плавления при атмосферном давлении. Позднее это предсказание было подтверждено экспериментом. На другом конце шкалы гелий вообще не замерзает при нормальном давлении даже при температурах, сколь угодно близких к абсолютному нулю ; необходимо давление, более чем в двадцать раз превышающее нормальное атмосферное давление.

Список распространенных химических веществ
Химическая Плотность ( грамм / см 3 ) Растопить ( К ) Варить ( К)
Вода @STP 1 273 373
Припой (Pb60Sn40) 456
Какао-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 4000
Азот 0,0012506 63,15 77,36
Кислород 0,001429 54,36 90,20
натрий 0,971 370,87 1156
Магний 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 г. 3560
Железо 7.874 1811 г. 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
Платина 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 г.

Примечания

Измерение точки плавления

Основная статья: Аппарат для определения точки плавления Стол Кофлера с образцами для калибровки

Существует множество лабораторных методов определения температуры плавления. Скамья Кофлера представляет собой металлическую полосу с температурным градиентом (диапазон от комнатной температуры до 300 °C). Любое вещество можно поместить на участок полосы, показав его термическое поведение при температуре в этой точке. Дифференциальная сканирующая калориметрия дает информацию о температуре плавления вместе с его энтальпией плавления.

Автоматический цифровой измеритель температуры плавления

Базовый прибор для определения точки плавления для анализа кристаллических твердых веществ состоит из масляной бани с прозрачным окном (самая простая конструкция: трубка Тиле ) и простой лупы. Несколько зерен твердого вещества помещают в тонкую стеклянную трубку и частично погружают в масляную баню. Масляную баню нагревают (и перемешивают) и с помощью лупы (и внешнего источника света) можно наблюдать плавление отдельных кристаллов при определенной температуре. Вместо масляной ванны можно использовать металлический блок. Некоторые современные приборы имеют автоматическое оптическое обнаружение.

Измерение также может выполняться непрерывно в рабочем процессе. Например, нефтеперерабатывающие заводы измеряют температуру замерзания дизельного топлива «в режиме онлайн», что означает, что проба берется из процесса и измеряется автоматически. Это позволяет проводить более частые измерения, поскольку нет необходимости вручную собирать образец и доставлять его в удаленную лабораторию.

Технологии огнеупорных материалов

Для тугоплавких материалов (например, платины, вольфрама, тантала, некоторых карбидов и нитридов и т. д.) чрезвычайно высокая температура плавления (обычно считается, что она выше, скажем, 1800 °C) может быть определена путем нагревания материала в печи черного тела и измерение температуры черного тела оптическим пирометром. Для материалов с самой высокой температурой плавления может потребоваться экстраполяция на несколько сотен градусов. Известно, что спектральная яркость раскаленного тела зависит от его температуры. Оптический пирометр сопоставляет яркость исследуемого тела с яркостью источника, который был предварительно откалиброван в зависимости от температуры. Таким образом, нет необходимости измерять абсолютную величину интенсивности излучения. Однако для определения калибровки пирометра необходимо использовать известные температуры. Для температур выше диапазона калибровки источника необходимо использовать метод экстраполяции. Эта экстраполяция осуществляется с помощью закона излучения Планка. Константы в этом уравнении не известны с достаточной точностью, что приводит к увеличению ошибок экстраполяции при более высоких температурах. Однако для выполнения этой экстраполяции были разработаны стандартные методы.

Рассмотрим случай использования в качестве источника золота (т.пл. = 1063 °С). В этом методе ток через нить накала пирометра регулируется до тех пор, пока интенсивность света нити не сравняется с интенсивностью света черного тела при температуре плавления золота. Это устанавливает температуру первичной калибровки и может быть выражено через ток через лампу пирометра. При той же настройке тока пирометр направлен на другое черное тело с более высокой температурой. Между пирометром и этим черным телом помещается поглощающая среда с известным пропусканием. Затем температуру черного тела регулируют до тех пор, пока не будет достигнуто соответствие между ее интенсивностью и температурой нити накала пирометра. Затем по закону Планка определяется истинная более высокая температура черного тела. Затем поглощающую среду удаляют, а ток через нить регулируют так, чтобы интенсивность нити соответствовала интенсивности черного тела. Это устанавливает вторую точку калибровки для пирометра. Этот шаг повторяется для проведения калибровки при более высоких температурах. Теперь известны температуры и соответствующие им токи накала пирометра, и можно построить кривую зависимости температуры от тока. Затем эту кривую можно экстраполировать на очень высокие температуры.

При определении температуры плавления тугоплавкого вещества этим методом необходимо либо иметь условия абсолютно черного тела, либо знать излучательную способность измеряемого материала. Удерживание тугоплавкого материала в жидком состоянии может создать экспериментальные трудности. Таким образом, температуры плавления некоторых тугоплавких металлов были измерены путем наблюдения за излучением полости черного тела в образцах твердого металла, длина которых намного превышала их ширину. Для образования такой полости в центре стержня материала просверливают отверстие перпендикулярно длинной оси. Затем эти стержни нагревают, пропуская через них очень большой ток, и излучение, испускаемое отверстием, наблюдают с помощью оптического пирометра. На точку плавления указывает потемнение отверстия при появлении жидкой фазы, разрушающей условия черного тела. Сегодня используются безконтейнерные методы лазерного нагрева в сочетании с быстрыми пирометрами и спектропирометрами, чтобы обеспечить точный контроль времени, в течение которого образец выдерживается при экстремальных температурах. Такие эксперименты продолжительностью менее секунды решают несколько проблем, связанных с более традиционными измерениями температуры плавления, проводимыми при очень высоких температурах, таких как испарение образца и реакция с контейнером.

Термодинамика

Зависимость температуры плавления воды от давления.

Чтобы твердое тело расплавилось, требуется тепло, чтобы поднять его температуру до точки плавления. Однако для плавления необходимо дополнительное тепло: это называется теплотой плавления и является примером скрытой теплоты.

С точки зрения термодинамики, в точке плавления изменение свободной энергии Гиббса (ΔG) материала равно нулю, но энтальпия ( H) и энтропия ( S) материала увеличиваются (ΔH, ΔS gt; 0).. Явление плавления происходит, когда свободная энергия Гиббса жидкости становится ниже, чем твердого тела для этого материала. При различных давлениях это происходит при определенной температуре. Также можно показать, что:

Δ С знак равно Δ ЧАС Т {\ displaystyle \ Delta S = {\ frac {\ Delta H} {T}}}

Здесь T, ΔS и ΔH — соответственно температура при температуре плавления, изменение энтропии плавления и изменение энтальпии плавления.

Точка плавления чувствительна к очень большим изменениям давления, но обычно эта чувствительность на несколько порядков меньше, чем точка кипения, потому что переход твердое тело-жидкость представляет собой лишь небольшое изменение объема. Если, как это наблюдается в большинстве случаев, вещество в твердом состоянии более плотное, чем в жидком, то температура плавления будет повышаться с повышением давления. В противном случае происходит обратное поведение. Примечательно, что это относится к воде, как показано графически справа, а также к Si, Ge, Ga, Bi. При чрезвычайно больших изменениях давления наблюдаются существенные изменения температуры плавления. Например, температура плавления кремния при атмосферном давлении (0,1 МПа) составляет 1415 °С, а при давлениях свыше 10 ГПа снижается до 1000 °С.

Точки плавления часто используются для характеристики органических и неорганических соединений и для подтверждения их чистоты. Температура плавления чистого вещества всегда выше и имеет меньший диапазон, чем температура плавления нечистого вещества или, в более общем случае, смесей. Чем выше количество других компонентов, тем ниже температура плавления и тем шире будет диапазон температур плавления, часто называемый «пастообразным диапазоном». Температура, при которой начинается плавление смеси, называется «солидус», а температура, при которой плавление завершается, называется «ликвидус». Эвтектики представляют собой особые типы смесей, которые ведут себя как отдельные фазы. Они резко плавятся при постоянной температуре, образуя жидкость того же состава. Альтернативно, при охлаждении жидкость эвтектического состава будет затвердевать в виде однородно диспергированных мелких (мелкозернистых) смешанных кристаллов того же состава.

В отличие от кристаллических тел стекла не имеют точки плавления; при нагревании претерпевают плавный стеклование в вязкую жидкость. При дальнейшем нагревании они постепенно размягчаются, что можно охарактеризовать определенными точками размягчения.

Депрессия точки замерзания

Основные статьи: Депрессия точки замерзания и переохлаждение

Температура замерзания растворителя снижается при добавлении другого соединения, а это означает, что раствор имеет более низкую температуру замерзания, чем чистый растворитель. Это явление используется в технических целях, чтобы избежать замерзания, например, путем добавления в воду соли или этиленгликоля.

Правило Карнелли

В органической химии правило Карнелли, установленное в 1882 году Томасом Карнелли, гласит, что высокая молекулярная симметрия связана с высокой температурой плавления. Карнелли основывал свое правило на изучении 15 000 химических соединений. Например, для трех структурных изомеров с молекулярной формулой C 5 H 12 температура плавления увеличивается в ряду изопентан -160 °С (113 К) , н-пентан -129,8 °С (143 К) и неопентан -16,4 °С (256,8 К).). Точно так же в ксилолах, а также в дихлорбензолах температура плавления увеличивается в порядке мета, орто и затем пара. Пиридин имеет более низкую симметрию, чем бензол, поэтому его температура плавления ниже, но температура плавления снова увеличивается с диазином и триазинами. Многие подобные клетке соединения, такие как адамантан и кубан с высокой симметрией, имеют относительно высокие температуры плавления.

Высокая температура плавления является результатом высокой теплоты плавления, низкой энтропии плавления или их комбинации. В высокосимметричных молекулах кристаллическая фаза плотно упакована со многими эффективными межмолекулярными взаимодействиями, что приводит к более высокому изменению энтальпии при плавлении.

Как и многие соединения с высокой симметрией, тетракис(триметилсилил)силан имеет очень высокую температуру плавления (т.пл.) 319-321°С. Он склонен к возгонке, поэтому для определения т.пл. необходимо, чтобы образец был запечатан в пробирке.

Прогнозирование температуры плавления веществ (критерий Линдеманна)

Попытка предсказать общую температуру плавления кристаллических материалов была впервые предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманном. Идеей теории было наблюдение, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с повышением температуры. Плавление начинается, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой, чтобы соседние атомы могли частично занимать одно и то же пространство. Критерий Линдеманна утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическая амплитуда вибрации превышает пороговое значение.

Предполагая, что все атомы в кристалле колеблются с одинаковой частотой ν, среднюю тепловую энергию можно оценить с помощью теоремы о равнораспределении как

Е знак равно 4 π 2 м ν 2   ты 2 знак равно к Б Т {\ displaystyle E = 4 \ pi ^ {2} m \ nu ^ {2} ~ u ^ {2} = k _ {\ rm {B}} T}

где m — атомная масса, ν — частота, u — средняя амплитуда колебаний, k B — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Если пороговое значение u 2 равно c 2 a 2, где c — постоянная Линдеманна, а — расстояние между атомами, то температура плавления оценивается как

Т м знак равно 4 π 2 м ν 2 с 2 а 2 к Б . {\ displaystyle T _ {\ rm {m}} = {\ cfrac {4 \ pi ^ {2} m \ nu ^ {2} c ^ {2} a ^ {2}} {k _ {\ rm {B}} }}.}

В зависимости от оценки средней тепловой энергии можно получить несколько других выражений для расчетной температуры плавления. Другое часто используемое выражение для критерия Линдеманна:

Т м знак равно 4 π 2 м ν 2 с 2 а 2 2 к Б . {\ displaystyle T _ {\ rm {m}} = {\ cfrac {4 \ pi ^ {2} m \ nu ^ {2} c ^ {2} a ^ {2}} {2k _ {\ rm {B}} }}.}

Из выражения для частоты Дебая для ν имеем

Т м знак равно 2 π м с 2 а 2 θ Д 2 к Б час 2 {\ displaystyle T _ {\ rm {m}} = {\ cfrac {2 \ pi mc ^ {2} a ^ {2} \ theta _ {\ rm {D}} ^ {2} k _ {\ rm {B} }}{ч^{2}}}}

где θD — температура Дебая, а h — постоянная Планка. Значения c варьируются от 0,15 до 0,3 для большинства материалов.

Прогноз температуры плавления

В феврале 2011 года Alfa Aesar опубликовала более 10 000 точек плавления соединений из своего каталога в качестве открытых данных. Этот набор данных был использован для создания модели случайного леса для прогнозирования температуры плавления, которая теперь находится в свободном доступе. Открытые данные о температуре плавления также доступны в Nature Precedings. Высококачественные данные, полученные из патентов, а также модели, разработанные с использованием этих данных, были опубликованы Tetko et al.

Таблица

  • в
  • т
  • е
Температура плавления элементов периодической таблицы
Группа  → 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
↓  Период
1 Н 2 13,99 К (-259,16 ° С) Он 0,95 К (-272,20 ° С)
2 Ли 453,65 К (180,50 ° С) Быть 1560 К (1287 °С) Б 2349 К (2076 °С) С     № 2 63,23 К (-209,86 ° С) О 2 54,36 К (-218,79 ° С) Ф 2 53,48 К (-219,67 ° С) Не 24,56 К (-248,59 ° С)
3 На 370,944 К (97,794 ° С) мг 923 К (650 ° С) Ал 933,47 К (660,32 ° С) Си 1687 К (1414 ° С) п 317,3 К (44,15 ° С) С 388,36 К (115,21 ° С) Кл 2 171,6 К (-101,5 ° С) Ар 83,81 К (-189,34 ° С)
4 К 336,7 К (63,5 ° С) Ca 1115 К (842 ° С) наук 1814 К (1541 °С) Ти 1941 К (1668 °С) В 2183 К (1910 °С) Кр 2180 К (1907 °С) Мн 1519 К (1246 °С) Fe 1811 К (1538 °С) Ко 1768 К (1495 °С) ни 1728 К (1455 °С) Cu 1357,77 К (1084,62 ° С) цинк 692,68 К (419,53 ° С) Га 302,9146 К (29,7646 ° С) Ge 1211,40 К (938,25 ° С) В виде Се 494 К (221 ° С) 2 бр. 265,8 К (-7,2 ° С) Кр 115,78 К (-157,37 ° С)
5 руб. 312,45 К (39,30 ° С) старший 1050 К (777 ° С) Д 1799 К (1526 °С) Zr 2128 К (1855 °С) Nb 2750 К (2477 °С) Мо 2896 К (2623 °С) Тс 2430 К (2157 °С) Ру 2607 К (2334 °С) Rh 2237 К (1964 °С) Pd 1828,05 К (1554,9 ° С) Аг 1234,93 К (961,78 ° С) Компакт диск 594,22 К (321,07 ° С) В 429,7485 К (156,5985 ° С) Сн 505,08 К (231,93 ° С) Сб 903,78 К (630,63 ° С) Те 722,66 К (449,51 ° С) я 2 386,85 К (113,7 ° С) Хе 161,40 К (-111,75 ° С)
6 Cs 301,7 К (28,5 ° С) Ба 1000 К (727 ° С) 1 звездочка Лу 1925 К (1652 °С) Хф 2506 К (2233 °С) Та 3290 К (3017 °С) Вт 3695 К (3422 °С) Ре 3459 К (3186 °С) Операционные системы 3306 К (3033 °С) Ир 2719 К (2446 °С) Пт 2041,4 К (1768,3 °С) Au 1337,33 К (1064,18 ° С) ртутного столба 234,3210 К (-38,8290 ° С) Тл 577 К (304 ° С) Pb 600,61 К (327,46 ° С) би 544,7 К (271,5 ° С) По 527 К (254 ° С) В 575 К (302 ° С) Рн 202 К (-71 ° С)
7 Пт 300 К (27 °С) Ра 973 К (700 ° С) 1 звездочка Лр 1900 К (1627 °С) РФ 2400 К (2100 °С) Дб сержант ч Hs Мт Дс Rg Сп 283±11 К (10±11 °С) Нч 700 К (430 °С) Флорида 200 К (-73 ° С) Мак 670 К (400 °С) Ур. 637–780 К (364–507 ° С) Ц 623–823 К (350–550 ° С) Ог 325±15 К (52±15 °С)
1 звездочка Ла 1193 К (920 ° С) Се 1068 К (795 °С) 6 Пр 1208 К (935 ° С) Нд 1297 К (1024 ° С) Вечера 1315 К (1042 ° С) см 1345 К (1072 ° С) Евросоюз 1099 К (826 ° С) Б-г 1585 К (1312 °С) ТБ 1629 К (1356 ° С) Ди 1680 К (1407 °С) Хо 1734 К (1461 °С) Эр 1802 К (1529 °С) тм 1818 К (1545 °С) Ыб 1097 К (824 ° С)
1 звездочка Ас 1500 К (1227 °С) Чт 2023 К (1750 °С) Па 1841 К (1568 °С) U 1405,3 К (1132,2 ° С) Нп 912 ± 3 К (639 ± 3 ° С) Пу 912,5 К (639,4 ° С) Являюсь 1449 К (1176 ° С) См 1613 К (1340 °С) Бк 1259 К (986 ° С) ср 1173 К (900 °С) Эс 1133 К (860 ° С) FM 1800 К (1527 °С) Мэриленд 1100 К (827 ° С) Нет 1100 К (827 ° С)
Легенда
Значения округлены в градусах Кельвина К и Цельсия °C.
Эквивалент в градусах Фаренгейта ° F см.: Температуры плавления элементов (страница данных)
Некоторые значения являются прогнозами

ИзначальныйОт распадаСинтетический  Граница показывает естественное появление элемента

s-блок g-блок f-блок d-блок p-блок

Смотрите также

Рекомендации

Цитаты

Источники

Процитированные работы
  • Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). КПР Пресс. ISBN   978-1439855119.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2024-01-02 06:13:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте