Ponto de fusão

O ponto de fusão de um sólido cristalino , é a gama de temperatura à qual muda estado de sólido para líquido . Embora a frase sugeriria uma temperatura especifica e é normalmente utilizado incorrectamente e, como tal, na maioria dos livros de texto e literatura, a maioria dos compostos cristalinos realmente fundir ao longo de um intervalo de alguns graus ou menos. No ponto de fusão da fase sólida e líquida existir em equilíbrio. Quando considerado como a temperatura da alteração inversa de líquido para sólido, que é referido como o ponto de congelação. Por causa da capacidade de algumas substâncias que supercool, o ponto de congelação não é considerada como sendo uma propriedade característica de uma substância.

Fundamentos

Os pontos de fusão (em azul) e pontos de ebulição (em rosa) dos oito primeiros ácidos carboxílicos (° C)

Para a maioria das substâncias, e fusão pontos de congelamento são essencialmente iguais. Por exemplo, o ponto de fusão e ponto de congelação do elemento de mercúrio é 234,32 Kelvin (-38,83 ° C ou -37,89 ° F). No entanto, determinadas substâncias possuem temperaturas de transição diferentes sólido-líquido. Por exemplo, Agar funde a 85 ° C (185 ° F) e se solidifica a partir de 31 ° C a 40 ° C (89,6 ° F a 104 ° F); este processo é conhecido como histerese.

Certos materiais, tais como vidro , podem endurecer sem cristalização; estes são chamados sólidos amorfos. Os materiais amorfos, bem como alguns polímeros não têm um verdadeiro ponto de fusão que não há mudança de fase abrupta a qualquer temperatura específica. Em vez disso, há uma mudança gradual na sua propriedades viscoelásticas mais de uma gama de temperaturas. Tais materiais caracterizam-se por uma temperatura de transição vítrea que pode ser aproximadamente definida como a "joelho" ponto de densidade do material, contra um gráfico de temperatura.

O ponto de fusão da água a 1 atmosfera de pressão é muito perto de 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), este também é conhecido como o ponto de gelo. Na presença de substâncias de nucleação do ponto de congelação da água é o mesmo que o ponto de fusão, mas na ausência de água nucleadores pode supercool a -42 ° C (-43,6 ° F, 231 K) antes do congelamento.

Ao contrário do ponto de ebulição , o ponto de fusão é relativamente insensível às porque a pressão de transição sólido / líquido representa apenas uma pequena alteração no volume. Os pontos de fusão são muitas vezes utilizados para caracterizar compostos orgânicos e para verificar o pureza. O ponto de fusão de uma substância pura é sempre mais elevado e tem um intervalo menor do que o ponto de fusão de uma substância impura. Quanto mais impureza está presente, menor será o ponto de fusão e o mais amplo intervalo. Eventualmente, um ponto de fusão mínimo será atingido. A proporção da mistura que resulta no menor ponto de fusão possível é conhecido como o ponto eutético.

O elemento químico com o mais alto ponto de fusão é de tungstênio , em 3695 K (3422 ° C, 6192 ° F) e é excelente para uso como filamentos em lâmpadas. O frequentemente citada carbono não derrete à pressão ambiente mas sublima a cerca de 4000 K; uma fase líquida única existe pressões acima de 10 MPa e estimada 4300-4700 K. Tântalo carboneto de háfnio (Ta ₄ HfC ₅₎ é um composto refractário com um ponto de fusão muito alta de 4488 K (4215 ° C, 7619 ° F). No outro extremo da escala, o hélio não congela em tudo, à pressão normal, mesmo a temperaturas infinitamente perto de zero absoluto ; pressões sobre a pressão atmosférica normal 20 vezes forem necessárias.

As medições de ponto de fusão

Muitos Existem técnicas laboratoriais para a determinação de pontos de fusão. Um banco de Kofler é uma tira de metal com uma (temperatura ambiente gama de 300 ° C) gradiente de temperatura. Qualquer substância pode ser colocado sobre uma secção da tira de revelar o seu comportamento térmico à temperatura a que ponto. Calorimetria de varrimento diferencial dá informação sobre o ponto de fusão juntamente com a sua Entalpia de fusão.

Um aparelho de ponto de fusão de base para a análise dos sólidos cristalinos consiste numa banho de óleo com uma janela transparente (mais design básico: a Tubo de Thiele) e uma lupa simples. Os vários grãos de um sólido são colocados num tubo de vidro fino e parcialmente imerso no banho de óleo. O banho de óleo é aquecida (e agitou-se) e com a ajuda da lente de aumento de fusão (e fonte de luz externa) dos cristais individuais numa determinada temperatura pode ser observada. Em dispositivos contemporâneos esta detecção óptica é automatizado.

Termodinâmica

A dependência da pressão de ponto de fusão da água (MPa / K)

Não só é o calor necessário para aumentar a temperatura de estado sólido para o ponto de fusão, mas o próprio calor de fusão requer a chamada calor de fusão.

De um ponto de vista termodinâmica, ao ponto de fusão a mudança na energia livre de Gibbs ( ) Do material é zero, porque a entalpia ( ) E a entropia ( ) Do material estão a aumentar ( ). Derreter fenómeno acontece quando a energia livre de Gibbs do líquido torna-se mais baixo do que o sólido para que o material. Em várias pressões isto acontece a uma temperatura específica. Ele também pode ser mostrado que:

O " "," ", E" "No exemplo acima são, respectivamente, a temperatura no ponto de fusão, a mudança de entropia de fusão, e a mudança de entalpia de fusão.

Regra de Carnelley

Em química orgânica Regra de Carnelley fundado em 1882 por Thomas Carnelley, afirma que a alta simetria molecular é associado com alto ponto de fusão. Carnelley baseou sua regra no exame de 15.000 compostos químicos. Por exemplo, para três isómeros estruturais com a fórmula molecular C ₁₂ H ₅ os aumentos ponto de fusão na série isopentano -160 ° C (113 K) n-pentano a -129,8 ° C (143 K) e neopentano -18 ° C (255 K). Da mesma forma em e também os xilenos diclorobenzenos os aumentos de ponto de fusão na ordem meta, orto e depois para. Piridina tem uma simetria mais baixo do que o benzeno daí o seu ponto de fusão mais baixa, mas o ponto de fusão novamente aumenta com diazina e triazinas. Muitos compostos de gaiola como adamantano e cubano com elevada simetria têm pontos de fusão muito altos.

Elevado ponto de fusão resulta de um elevado calor de fusão ou um baixo entropia de fusão ou uma combinação. Em moléculas altamente simétrico a fase de cristal é densamente embalado com muitas interações intermoleculares eficientes, resultando em uma variação de entalpia mais elevada em fusão.