Fúzní bod

Bod tání (nebo teplota tání ) čisté látky nebo eutektika je při daném tlaku teplota, při které mohou v rovnováze koexistovat kapalný a pevný stav této látky . Pokud se látka (zpočátku pevná látka) zahřeje, roztaje se při této teplotě a teplota se nemůže zvýšit, dokud nezmizí veškerá pevná látka. Naopak, je-li látka (původně kapalina) ochlazena, tuhne při stejné teplotě, kterou lze proto také nazvat bod tuhnutí (nebo teplota tuhnutí ). U některých látek, až se voda , tuhnutí se často označuje zmrazení: ZAŘÍZENÍ bod tuhnutí vody při 1 atm je 0,002 519 ± 0,000 002 ° C .

Látky jiné než čisté látky a eutektika nemají teplotu tání, protože k jejich tání (nebo tuhnutí) dochází v rozmezí teplot. Existuje tedy nástup teploty tání (nazývaná teplota solidu nebo jednoduše solidus) a konec teploty tání (teplota likvidu nebo jednoduše likvidu).

Teorie

Většina látek zkapalňuje a tuhne přibližně při stejné teplotě. Například pro rtuť je teplota tání a tuhnutí 234,32 K ( -38,82 ° C ). Některé látky však mají tu vlastnost, že mohou být podchlazeny, a proto mohou zmrazovat při teplotě pod jejich teoretickým bodem mrazu. Příkladem je voda, protože povrchový tlak molekul čisté vody je obtížné odstranit a kapičky vody až do -42 ° C lze najít v oblacích, pokud neobsahují mrazivé jádro .

Termodynamika

Když se čisté pevné těleso zahřeje, teplota stoupá, dokud nedosáhne bodu tání. V tomto okamžiku zůstává teplota konstantní, dokud tělo úplně nepřejde do kapalné fáze. Rozdíl v energii k dosažení úplné fúze tohoto čistého těla tedy není způsoben pouze tím, který je nutné přidat k dosažení kritické teploty, ale je také nutné přidat latentní teplo ( ), které přechází z pevného stavu do kapalný stav. $L_ {f}$

Z hlediska termodynamiky je entalpie ( ) a entropie ( ) materiálu se proto zvýšit ( ) v v tání teplotě takovým způsobem, že mohou být vyjádřeny při výměně těleso o hmotnosti m i.: $H$ $S$ $\ Delta H, \ Delta S> 0$ $T$

\ Delta H = ml_ {f}

a co dává

\ Delta S = {\ frac {ml_ {f}} {T}}

\ Delta S = {\ frac {\ Delta H} {T}}

$L_ {f}$ Hmotnostní latentní teplo vyjádřené v J / kg;
$\ Delta H$ Změna entalpie v J;
$\ Delta S$ Změna entropie v J / K;
$m$ hmotnost v kg;
$T$ Teplota v K.

Vlastnosti

Na rozdíl od teploty odpařování (teplota varu ) je teplota tání zcela nezávislá na změnách tlaku, protože molární objemy pevné fáze a kapalné fáze jsou si velmi blízké.

Obecně platí, že když člověk zůstane ve stejné rodině chemických sloučenin, teplota tání se zvyšuje s molární hmotou .

Prvkem na periodické tabulce s nejvyšší teplotou tání je wolfram při 3683 K ( 3410 ° C ), což z něj činí vynikající volbu například pro žárovky . Nicméně, uhlíku ( grafit ), má teplotu tání 3825 ° C . Ta 4 HfC 5je žáruvzdorný materiál s nejvyšší teplotou tání při 4 488 K ( 4 215 ° C ) .

Na druhém konci spektra mrzne hélium pouze při teplotě blízké absolutní nule a pod tlakem 20 atmosfér .

Bod tání je tedy způsob kontroly čistoty látky: jakákoli nečistota mění bod tání zkoušené látky.

Speciální případy

K přechodu mezi pevnou látkou a kapalinou však u některých látek dochází v určitém teplotním rozmezí. Například agar taje při 85 ° C, ale tuhne mezi 31 ° C a 40 ° C procesem hystereze . Na druhé straně amorfní látky , jako je sklo nebo určité polymery , obecně nemají žádnou teplotu tání, protože nepodléhají skutečnému tání, ale skelnému přechodu .

Existují také další výjimky:

dvě polymorfní formy mají často dvě různé teploty tání;
některé látky nemají pozorovatelnou teplotu tání. Může to být způsobeno několika jevy:
- sublimace, to znamená přímý přechod do plynného stavu (například jódu nebo uhlíku ),
- rozklad v pevném stavu (příklad diazoniových solí ),
- zesítěné polymery nemají teplotu tání, protože zesíťování brání jakémukoli klouzání řetězců vůči sobě navzájem. Formálně je „blok polymerů“ pouze jednou jedinou molekulou.

Měřicí zařízení

Existují různá zařízení pro měření bodu tání, vše založené na restituci teplotního gradientu . Mohou se skládat buď z horké kovové desky, jako je Koflerova lavice nebo blok Maquenne , nebo z olejové lázně, jako je trubka Thiele .

V praktické laboratorní práci se používají automatická měřicí zařízení bodu tání. Jsou snadno použitelné, běží rychleji, poskytují opakovatelné výsledky a jsou přesnější.

Bod tání jednoduchých těles za atmosférického tlaku

Níže uvedená tabulka uvádí teplotu tání chemických prvků ( jednoduchých těles ) ve stupních Celsia (° C ) v jejich standardním stavu .

H
-259

On
-272

Li
181

Být
1 287

B
2075

C
3 500

N
-210

O
-219

F
-219

Ne
-249

Na
98

Mg
650

Al
660

Pokud
1414

P
44

S
115

Cl
-102

Ar
-189

K
64

Ca
842

Sc
1541

Ti
1668

V
1 910

Cr
1907

Mn
1 246

Fe
1 538

Co
1495

Ni
1455

Cu
1 085

Zn
420

Ga
30

Ge
938

Eso
817

Se
221

Br
−7

Kr
-157

Rb
39

Sr
777

Y
1522

1 855 Zr

Nb
2 477

MB
2,623

Tc
2 157

Ru
2333

Rh
1 964

Pd
1555

Ag
962

CD
321

V roce
157

Sn
232

Sb
631

Te
450

I
114

Xe
-112

CS
29

Ba
727

Číst
1 663

Hf
2 233

Vaše
3 017

W
3 422

Re
3 185

Kost
3033

Ir
2446

Pt
1768

V
1064

Hg
−39

Tl
304

Pb
327

Bi
271

Po
254

V
302

Rn
-71

Pá
27.

Ra
696

1627 Lr

Mt.

↓

920

Toto
799

Pr
931

Nd 1
016

Pm
1042

Sm
1072

Eu
822

GD
1313

TB
1 359

Dy
1412

Ho
1472

Er
1 529

Tm
1 545

Yb
824

Ac
1050

Čt
1750

Pa
1572

U
1135

np
644

Pu
640

Pozm.
Návrh 1176

Cm
1345

Bk
986

Srov.
900

Je
860

Fm
1527

Md
827

Č.
827

Zaznamenáváme zejména, že:

jedenáct (možná dvanáct) prvků, plynných při pokojové teplotě , má mnohem nižší teplotu tání, od -71 ° C ( Rn ) do -272 ° C ( He ): vzácné plyny ( He , Ne , Ar , Kr , Xe a Rn , plus možná Og ); jsou halogeny F a Cl ; chalkogenem O ; pnicogen N ; vodíku (H);
sedm prvků, kapalných nebo pevných při pokojové teplotě, má teplotu tání blízkou této pokojové teplotě: halogen Br ( -7 ° C ); že kovy Hg ( -39 ° C ), Fr ( 27 ° C ), Cs ( 29 ° C ), Ga ( 30 ° C ) a Rb ( 39 ° C ); pnicogen P ( 44 ° C );
všechny ostatní prvky, které jsou pevné při teplotě místnosti, mají mnohem vyšší teplotu tání: od 64 ° C ( K ) do 3 500 ° C ( C ).

Poznámky a odkazy

R. Feistel a W. Wagner, „ Nová státní rovnice pro H 2 OIce Ih “, Journal of Physical and Chemical Reference Data , roč. 35,2006, str. 1021-1047 ( DOI 10.1063 / 1.2183324 ).
Přesný vztah je vyjádřen ve Clapeyronově vzorci
(in) „ J10 Teplo: Změna agregátního stavu látek prostřednictvím výměny tepelného obsahu: Změna agregovaného stavu látek a rovnice Clapeyron-Clausius ' (přístup 19. února 2008 )
Přístroje na měření bodu tání , na webu kruess.com , konzultovány s26. července 2012
(in) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press,2009, 90 th ed. , 2804 s. , Vázaná kniha ( ISBN 978-1-4200-9084-0 ).
(in) Christine Middleton, „ Mnoho tváří tekutého gália “ , Fyzika dnes ,20. dubna 2021( DOI 10.1063 / PT.6.1.20210420a ).