Punto de fusion

El punto de fusión de un sólido cristalino es el rango de temperatura a la que cambia estado de sólido a líquido . Aunque la frase sugeriría una temperatura específica y se utiliza comúnmente e incorrectamente, como tal, en la mayoría de libros de texto y la literatura, la mayoría de los compuestos cristalinos en realidad se funden en un rango de unos pocos grados o menos. En el punto de fusión existe la fase sólida y líquida en equilibrio. Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de líquido a sólido, que se conoce como el punto de congelación. Debido a la capacidad de algunas sustancias a supercool, el punto de congelación no se considera que es una propiedad característica de una sustancia.

Fundamentos

Los puntos de fusión (en azul) y puntos de ebullición (en rosa) de los primeros ocho ácidos carboxílicos (° C)

Para la mayoría de las sustancias, fusión y puntos de congelación son esencialmente iguales. Por ejemplo, el punto de fusión y el punto de congelación del elemento mercurio es 234,32 kelvin (-38,83 ° C o -37.89 ° F). Sin embargo, ciertas sustancias poseen temperaturas de transición sólido-líquido diferentes. Por ejemplo, agar se funde a 85 ° C (185 ° F) y se solidifica a partir de 31 ° C a 40 ° C (89,6 ° F a 104 ° F); este proceso es conocido como histéresis.

Ciertos materiales, tales como vidrio , pueden endurecer sin cristalizar; estos son llamados sólidos amorfos. Los materiales amorfos, así como algunos polímeros no tienen un verdadero punto de fusión ya que no hay cambio de fase abrupta a cualquier temperatura específica. En su lugar, hay un cambio gradual en su propiedades viscoelásticas más de una gama de temperaturas. Tales materiales se caracterizan por una temperatura de transición vítrea que puede ser más o menos definido como el punto "rodilla" de la densidad de la materia frente gráfico de temperatura.

El punto de fusión del agua a 1 atmósfera de presión está muy cerca de 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), esto también se conoce como el punto de hielo. En la presencia de nucleación sustancias el punto de congelación del agua es el mismo que el punto de fusión, pero en ausencia de agua puede nucleadores supercool a -42 ° C (-43.6 ° F, 231 K) antes de la congelación.

A diferencia del punto de ebullición , el punto de fusión es relativamente insensible a presión debido a la transición sólido / líquido representa sólo un pequeño cambio en el volumen. Los puntos de fusión se utilizan a menudo para caracterizar compuestos orgánicos y para determinar la pureza. El punto de fusión de una sustancia pura es siempre superior y tiene un rango menor que el punto de una sustancia impura de fusión. Cuanto más impureza está presente, el punto de fusión más bajo y el más amplio rango. Finalmente, se alcanzará un punto de fusión mínimo. La proporción de mezcla que resulta en el punto de fusión más bajo posible se conoce como el punto eutéctico.

El elemento químico con el punto de fusión más alto es de tungsteno , a 3695 K (3422 ° C, 6192 ° F) por lo que es excelente para su uso como filamentos de bombillas. El frecuentemente citado de carbono no se funde a la presión ambiente, pero sublima a aproximadamente 4000 K; una fase líquida sólo existe presiones por encima de 10 MPa y estimada 4300-4700 K. Tantalio carburo de hafnio (HfC Ta _{4 5)} es una compuesto refractario con un punto de fusión muy alto de 4488 K (4215 ° C, 7619 ° F). En el otro extremo de la escala, el helio no se congela en absoluto a presión normal, incluso a temperaturas infinitesimalmente cerca de cero absoluto ; presiones de más de 20 veces la presión atmosférica normal son necesarios.

Mediciones de punto de fusión

Muchos Existen técnicas de laboratorio para la determinación de puntos de fusión. Un banco de Kofler es una tira de metal con un (intervalo de temperatura ambiente a 300 ° C) gradiente de temperatura. Cualquier sustancia puede ser colocado en una sección de la tira revelando su comportamiento térmico a la temperatura en ese punto. Calorimetría de barrido diferencial proporciona información sobre el punto de fusión junto con su La entalpía de fusión.

Un aparato de punto de fusión básica para el análisis de los sólidos cristalinos consiste en una baño de aceite con una ventana transparente (más diseño básico: una Tubo de Thiele) y una lupa simple. Los varios granos de un sólido se colocan en un tubo de vidrio delgada y parcialmente sumergidos en el baño de aceite. El baño de aceite se calienta (y se agitó) y con la ayuda de la lupa de fusión (y fuente de luz externa) de los cristales individuales a una cierta temperatura puede ser observado. En los dispositivos actuales se automatiza esta detección óptica.

Termodinámica

Dependencia de la presión de punto de fusión del agua (MPa / K)

No sólo se requiere calor para elevar la temperatura del sólido al punto de fusión, pero la propia fusión requiere calor llamado calor de fusión.

Desde un punto de vista de la termodinámica, en el punto de fusión por el cambio en la energía libre de Gibbs ( ) Del material es cero, debido a que la entalpía ( ) Y la entropía ( ) Del material están aumentando ( ). Melting fenómeno que ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido se hace menor que el sólido para ese material. En diversas presiones esto ocurre a una temperatura específica. También puede demostrarse que:

El " "," ", Y" "En lo anterior son, respectivamente, la temperatura en el punto de fusión, el cambio de entropía de fusión, y el cambio de entalpía de fusión.

Regla de Carnelley

En química orgánica Regla de Carnelley establecido en 1882 por Thomas Carnelley, establece que el alto simetría molecular está asociada con alto punto de fusión. Carnelley basa su gobierno en el examen de 15.000 compuestos químicos. Por ejemplo, para tres isómeros estructurales con fórmula molecular C ₅ H ₁₂ el punto de fusión aumenta en la serie isopentano -160 ° C (113 K) n-pentano -129,8 ° C (143 K) y neopentano -18 ° C (255 K). Asimismo, en xilenos y también Diclorobencenos el punto de fusión aumenta en el orden meta, orto y luego párr. La piridina tiene una simetría más baja que el benceno , por tanto, su punto de fusión más bajo, pero el punto de fusión aumenta de nuevo con diazina y triazinas. Muchos compuestos de jaula como adamantano y cubane con alta simetría tienen puntos de fusión muy altas.

Un alto punto de fusión fruto de un elevado calor de fusión o un bajo entropía de fusión o una combinación. En moléculas altamente simétricas la fase cristalina está densamente poblada por muchas interacciones intermoleculares eficientes que ocasionen un cambio de entalpía de fusión más alto en.