Температура плавления: от чего зависит, как характеризуется и другое

От чего зависит температура плавления?

Вещества начинают плавиться при разной температуре. Температура перехода металлов в жидкость зависит от двух факторов:

1. чистоты вещества (примеси придают системе большую и меньшую устойчивость);
2. химического строения, состава (некоторые сплавы переходят в жидкое состояние при температуре выше 200°С, а другие при 2500°С).

Особенности различных температур плавления применяют в металлургической промышленности. Устойчивость к нагреванию повышает легирование стали, т. е. изменение химического состава.

Содержание

Одно и то же вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях в зависимости от условий. Например, лед, вода и водяной пар (рисунок 1).

Рисунок 1. Агрегатные состояния одного вещества на примере льда, воды и пара

Соответственно, это одно вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии. Эти состояния отличаются друг от друга расположением, характером движения и взаимодействия молекул. В жидких и твердых телах, в отличии от газов, молекулы не могут далеко удалиться друг от друга. Изначально они расположены близко друг к другу и их средняя кинетическая энергия недостаточна для того, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения.

Тем не менее, на практике мы часто наблюдаем, как тела переходят из твердого состояния в жидкое, и наоборот. Например, процесс таяния льда или его замерзания. В данном уроке мы более подробно рассмотрим эти процессы, узнаем при каких условиях они проходят.

Как определить температуру плавления?

Существует несколько методов экспериментального определения температуры плавления.

1. Капиллярный способ Измельченное твердое вещество необходимо поместить в капилляр с открытым концом. Капилляр нагревают в таких условиях, чтобы тонкое стекло не лопнуло. Когда все вещество переходит в жидкую фазу, температуру фиксируют.
2. Открытый капиллярный метод Этот способ схож с предыдущим, но вместо закрытого капилляра используют открытый.
3. Мгновенное плавление На металлический блок, нагретый до температуры на 10°С ниже справочной температуры плавления, кладут измельченные порции сухого вещества. Регулируют нагревание так, чтобы градус повышался на 1°С в минуту. Затем записывают изначальную температуру t1, при которой вещество приобретает свойства жидкости сразу после контакта с блоком. После нахождения данной величины нагревание приостанавливают и очищают место соприкосновения блока и вещества. При постепенном охлаждении продолжают класть на блок порции вещества. Таким образом устанавливают конечную температуру t2, при которой вещество перестает плавиться.

Формула определения температуры плавления по методу «мгновенного плавления»:

Тпл = (t1 + t2) / 2

Для определения температуры плавления твердых веществ, которые быстро превращаются в порошок, используют методы №1 и №3, а для аморфных веществ, плавящихся при температуре ниже 100°С, — метод №2.

Температуру плавления нельзя определить теоретическим путем с помощью формул. Ознакомиться с ней можно в специальном химическом справочнике.

Примеры

Дальнейшая информация: Список элементов по температуре плавления

Точки плавления (синим цветом) и точки кипения (розовым цветом) первых восьми карбоновые кислоты (° C)

Для большинства веществ таяние и замораживание баллы примерно равны. Например, точка плавления и

точка замерзания Меркурий составляет 234,32 Кельвин (−38.83 ° C или −37,89° F).[2] Однако некоторые вещества обладают разными температурами перехода твердое тело-жидкость. Например, агар плавится при 85 ° C (185 ° F) 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. [3] до 0 ° С (32 ° F, 273 К); это также известно как ледяная точка. В присутствии зародышеобразователи, точка замерзания воды не всегда совпадает с точкой плавления. В отсутствие нуклеаторов вода может существовать как переохлажденный жидкость до -48,3 ° C (-55 ° F, 224,8 K) перед замерзанием.

В химический элемент с самой высокой температурой плавления вольфрампри 3414 ° С (6177 ° F, 3687 К);[4] это свойство делает вольфрам идеальным для использования в качестве нити в лампочках. Часто цитируемый углерод не плавится при атмосферном давлении, но возвышенный примерно при 3726,85 ° С (6740,33 ° F; 4000,00 К); 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. ). Карбид тантала гафния (Та4HfC5) это огнеупорный соединение с очень высокой температурой плавления 4215 К (3942 ° C, 7128 ° F).[5] Квантово-механическое компьютерное моделирование предсказало, что сплав HfN0.38C0.51 будет иметь еще более высокую температуру плавления (около 4400 К),[6] что сделало бы его веществом с наивысшей температурой плавления при атмосферном давлении. Это предсказание позже было подтверждено экспериментом.[7] На другом конце шкалы гелий не замерзает при нормальном давлении даже при температурах, сколь угодно близких к абсолютный ноль; давление более чем в двадцать раз выше нормы атмосферное давление необходимо.

Правило Карнелли

В органическая химия, Правило Карнелли

, основанная в 1882 г. Томас Карнелли, утверждает, что
высоко молекулярная симметрия связана с высокой температурой плавления
.[13] Карнелли основал свое правило на исследовании 15 000 химических соединений. Например, для трех структурные изомеры с молекулярная формула C5ЧАС12 температура плавления увеличивается в серии изопентан -160 ° С (113 К) н-пентан −129,8 ° С (143 К) и неопентан -16,4 ° С (256,8 К).[14] Точно так же в ксилолы а также дихлорбензолы температура плавления увеличивается на порядок мета, орто и затем пара. Пиридин имеет более низкую симметрию, чем бензол следовательно, его температура ниже, но температура плавления снова увеличивается с диазин и триазины. Многие клеточные соединения, такие как адамантан и кубан с высокой симметрией имеют относительно высокие температуры плавления.

Высокая температура плавления является следствием высокого теплота плавления, низкий энтропия плавленияили их комбинацию. В высокосимметричных молекулах кристаллическая фаза плотно упакована с множеством эффективных межмолекулярных взаимодействий, приводящих 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 ° C. Он имеет тенденцию к возвышенному, поэтому m.p. Для определения требуется, чтобы образец был запечатан в пробирке.[15]

Проект «Абсолютный ноль»

Вы когда-нибудь пробовали разогреть зефир с помощью микроволновой печи? По мере нагревания газов внутри зефира, молекулы начинают двигаться быстрее. Во время движения молекулы сталкиваются друг с другом и отдаляются. Когда газы накапливают больше энергии, им требуется больше пространства. Именно поэтому разбухает. Французский учёный Жак Шарль ещё в 1780-х годах нашел связь между изменением состояния газов и температурой. Он отметил, что если масса и давление остаются неизменными, объём газа будет увеличиваться по мере повышения температуры. Это свойство газов было названо Законом Шарля:

V1/T1=V2/T2.

Если газ расширяется по мере нагревания, логично предположить, что при охлаждении он сжимается. Что будет, если температура газа снизится настолько, что все частицы прекратят движение? Это также будет значить, что молекулы максимально приблизятся друг к другу, доводя объём газа до нуля. Практически это невозможно, однако учёные обдумывают это с теоретической точки зрения. Согласно их теории абсолютный ноль – это температура, при которой движение молекул прекращается полностью.

Несмотря на то, что снизить температуру газа до абсолютного нуля невозможно, вы можете провести эксперимент, который даст количественный показатель взаимосвязи между газами и объёмом. Если вы знаете показатели объёма и температуры, вы сможете всё рассчитать. А если вы всё рассчитаете, сможете предположить (вывести заключение, опираясь на полученную информацию) и понять, что представляет собой абсолютный ноль.

Цель – выяснить, как можно определить показатель абсолютного нуля.

Что нам понадобится:

• ведро;
• лёд;
• большая ложка;
• вода;
• защитные очки;
• колба Эрленмейера (125 мл);
• большой стакан (хотя бы 500 мл);
• резиновая пробка с отверстием для колбы 125 мм;
• короткая стеклянная палочка (5 – 10 см), диаметр которой соответствует диаметру отверстия в пробке;
• кольцевой штатив;
• зажим;
• нагревательная плита;
• пинцет, которым можно взять колбу 125 мл;
• термометр (по Цельсию);
• мерный цилиндр;
• ватман;
• линейка.

Все стеклянные материалы должны быть изготовлены из пирексного стекла, чтобы посуда не потрескалась при нагревании.

Ход эксперимента:

1. Сделайте ледяную ванну: заполните ведро кусочками льда и добавьте холодной воды. Ведро должно быть заполнено на ¾.
2. Время от времени помешивайте лёд с водой большой ложкой.
3. Помести пробку с отверстием в сухую колбу 125 мл.
4. Подготовьте ёмкость с горячей водой. Поместите на плиту стакан с водой (объёмом 500 мл).
5. Поместите колбу 125 мл прямо, закрепите её. Большая часть колбы должна быть погружена в горячую воду.
6. Кипятите воду 5 минут. Пустая колба должна быть погружена в воду. Это нужно для того, чтобы газ внутри колбы достиг температуры кипящей воды.
7. Запишите температуру кипящей воды (она должна быть такой же, как и температура газа в колбе). Постарайтесь измерить максимально точно, до 0.1 градуса Цельсия. Чем точнее будут измерения, тем лучше вы сможете определить абсолютный ноль.
8. Пока стакан находится в горячей воде, осторожно вставьте короткий стеклянный стержень через отверстие пробки.
9. При помощи пинцета аккуратно извлеките ёмкость из горячей воды.
10. Переверните колбу Эрленмейера, поместите её внутрь ёмкости со льдом.
11. Убедитесь, что колба находится под водой. Затем извлеките стеклянный стержень из пробки.
12. Продолжайте удерживать ёмкость в ледяной воде 6-7 минут. Время от времени помешивайте воду со льдом. Вода начнёт проходить внутрь колбы. Почему?
13. Поднимите перевёрнутую колбу, пока уровень воды внутри и снаружи не станет одинаковым. Это нужно для того, чтобы уравнять атмосферное давление и давление внутри ёмкости. Единственный показатель, который будет отличаться во время проведения данного эксперимента, – это температура.
14. Измерьте температуру воды в ведре со льдом.
15. Вставьте стеклянную палочку через отверстие пробки снова. Извлеките колбу из воды и поставьте прямо.
16. При помощи мерного цилиндра измерьте объём воды в колбе. Постарайтесь получить максимально точные результаты.
17. Наполните ёмкость до того уровня, на котором была пробка.
18. При помощи мерного цилиндра измерьте общий объём колбы.
19. Извлеките объём воды, которая попала в колбу, от общего объёма колбы. Полученное число соответствует объёму газа внутри колбы после охлаждения.

Ваша таблица данных должны выглядеть приблизительно так:

1. Постройте график, где температура будет обозначена на оси x. Температура может варьироваться от -300 до 150 градусов Цельсия. Объём в мл будет указан на оси y. Показатели объёма могут варьировать от 150 мл до 0 мл.
2. Укажите два показателя.
3. При помощи линейки нарисуйте прямую линию между ними.
4. Выровняйте линейку по той линии, которую вы начали чертить. Проведите пунктирную линию, которая будет продолжением сплошной линии. Пунктирная линия должна достигнуть оси x (отметки 0).
5. Определите температуру на том участке, где пунктирная линия пересекла ось X. Этот показатель будет соответствовать абсолютному нулю.

Вывод:

Ожидаемый показатель абсолютного нуля – это -273.15 C. Если вы получили показатель от -250 C до -300, учитывайте ограничения вашего оборудования и бумаги для графиков. Почему? После того, как вы охладили колбу в ледяной воде, движение молекул газа внутри замедлилось. Молекулы газа начали занимать меньше пространства, поэтому в колбу смогла проникнуть вода. Закон Шарля говорит о том, что по мере снижения температуры уменьшается объём.

Ещё одно важное понятие, связанное с газами, давлением и температурой, описано в законе Гей-Люссака. Давление фиксированной массы газа при постоянной температуре меняется прямо пропорционально температуре. Уравнение этого взаимодействия выглядит следующим образом:

P1/T1=P2/T2,

Вы должны помнить, что давление газа – это сила, воздействующая на поверхность. Один из ярких примеров этого феномена: при нагревании в микроволновой печи из пластиковой бутылки вылетает крышка. Температура повышается, но объём газа остаётся прежним (из-за крышки). Следовательно, при повышении температуры вылетает пробка.

Рекомендации

Цитаты

1. Рамзи, Дж. А. (1 мая 1949 г.). «Новый метод определения точки замерзания малых количеств». Журнал экспериментальной биологии
   .
   26
   (1): 57–64. PMID 15406812.
2. Haynes, п. 4.122.
3. Температура плавления очищенной воды составляет 0,002519 ± 0,000002 ° C, см. Фейстель, Р. и Вагнер, В. (2006). «Новое уравнение состояния для H2O Ice Ih «. J. Phys. Chem. Ref. Данные
   .
   35
   (2): 1021–1047. Bibcode:2006JPCRD..35.1021F. Дои:10.1063/1.2183324.
4. Haynes, п. 4.123.
5. Agte, C. и Alterthum, H. (1930). «Исследования систем с карбидами при высокой температуре плавления и вклад в проблему плавления углерода». Z. Tech. Phys
   .
   11
   : 182–191.
6. Hong, Q.-J .; ван де Валле, А. (2015). «Прогноз материала с наивысшей известной температурой плавления на основе расчетов молекулярной динамики ab initio». Phys. Ред. B
   .
   92
   (2): 020104 (R). Bibcode:2015PhRvB..92b0104H. Дои:10.1103 / PhysRevB.92.020104.
7. Буйневич, В.С .; Непапушев, А.А .; Московских, Д.О .; Трусов, Г.В .; Кусков, К.В .; Вадченко, С.Г .; Рогачев, А.С .; Мукасян, А. (Март 2022 г.). «Производство сверхвысокотемпературного нестехиометрического карбонитрида гафния методами синтеза горением и искрового плазменного спекания». Керамика Интернэшнл
   .
   46
   (10): 16068–16073. Дои:10.1016 / j.ceramint.2020.03.158.
8. Holman, S.W .; Lawrence, R. R .; Барр, Л. (1 января 1895 г.). «Точки плавления алюминия, серебра, золота, меди и платины». Труды Американской академии искусств и наук
   .
   31
   : 218–233. Дои:10.2307/20020628. JSTOR 20020628.
9. ^ аб
   «Карбон».
   rsc.org
   .
10. Точное соотношение выражается в Соотношение Клаузиуса – Клапейрона.
11. «J10 Heat: изменение агрегатного состояния веществ через изменение теплосодержания: изменение агрегатного состояния веществ и уравнение Клапейрона-Клаузиуса». Получено 19 февраля 2008.
12. Тонков, Е.Ю. и Понятовский, Э. Г. (2005) Фазовые превращения элементов под высоким давлением.
    , CRC Press, Бока Ратон, стр. 98 ISBN 0-8493-3367-9
13. Браун, Р. Дж. С. и Р. Ф. С. (2000). «Точка плавления и молекулярная симметрия». Журнал химического образования
    .
    77
    (6): 724. Bibcode:2000JChEd..77..724B. Дои:10.1021 / ed077p724.
14. Haynes, С. 6.153–155.
15. Gilman, H .; Смит, К. Л. (1967). «Тетракис (триметилсилил) силан». Журнал металлоорганической химии
    .
    8
    (2): 245–253. Дои:10.1016 / S0022-328X (00) 91037-4.
16. Линдеманн Ф.А. (1910). «Расчет частот колебаний молекул». Phys. Z
    .
    11
    : 609–612.
17. Соркин, С., (2003), Точечные дефекты, структура решетки и плавление, Диссертация, Технион, Израиль.
18. Филип Хофманн (2008). Физика твердого тела: введение
    . Wiley-VCH. п. 67. ISBN 978-3-527-40861-0 . Получено 13 марта 2011.
19. Нельсон Д. Р. (2002), Дефекты и геометрия в физике конденсированного состояния, Издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-00400-4
20. Прогноз температуры плавления с помощью SMILES. Qsardb.org. Проверено 13 сентября 2013 г.
21. Брэдли, Жан-Клод; Ланг, Эндрю; Уильямс, Энтони; Кертин, Эван (11 августа 2011 г.). «Открытый сборник точек плавления ONS». Природа предшествует
    . Дои:10.1038 / npre.2011.6229.1.
22. Модели точки плавления OCHEM. ochem.eu. Проверено 18 июня, 2016.
23. Тетько, Игорь В; м. Лоу, Дэниел; Уильямс, Энтони Дж (2016). «Разработка моделей для прогнозирования данных о температуре плавления и пиролиза, связанных с несколькими сотнями тысяч соединений, добытых из ПАТЕНТОВ». Журнал химинформатики
    .
    8
    : 2. Дои:10.1186 / s13321-016-0113-у. ЧВК 4724158. PMID 26807157.

Источники

Процитированные работы

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