Punto di fusione

Il punto di fusione (o punto di fusione ) di una sostanza pura o di un eutettico è, ad una determinata pressione , la temperatura alla quale i liquidi e solidi stati di tale sostanza può coesistere in equilibrio . Se la sostanza (inizialmente solida) viene riscaldata, si scioglie a questa temperatura e la temperatura non può aumentare finché tutto il solido non è scomparso. Viceversa, se la sostanza (inizialmente liquida) viene raffreddata, solidifica a questa stessa temperatura, che può quindi essere chiamata anche punto di solidificazione (o temperatura di solidificazione ). Per alcune sostanze l' acqua , la solidificazione è spesso indicato congelamento: il punto di congelamento dell'acqua a 1 atm è 0.002 519  ±  0.000 002 ° C .   

Le sostanze diverse dalle sostanze pure e dagli eutettici non hanno un punto di fusione perché la loro fusione (o solidificazione) avviene in un intervallo di temperature. C'è quindi un inizio di temperatura di fusione (chiamata temperatura di solidus o semplicemente solidus) e una temperatura di fine fusione (temperatura di liquidus o semplicemente liquidus).

Teoria

La maggior parte delle sostanze si liquefa e si solidifica approssimativamente alla stessa temperatura. Ad esempio, per il mercurio , il punto di fusione e di congelamento sono 234,32  K ( −38,82  ° C ). Tuttavia, diverse sostanze hanno la caratteristica di poter essere super raffreddate e possono quindi congelare ad una temperatura inferiore al loro punto di congelamento teorico. L'acqua è un esempio perché la pressione superficiale delle molecole di acqua pura è difficile da rimuovere e le gocce d'acqua fino a -42  ° C possono essere trovate nelle nuvole se non contengono un nucleo gelido .

Termodinamica

Quando un corpo solido puro viene riscaldato, la temperatura aumenta fino a raggiungere il punto di fusione. A questo punto la temperatura rimane costante fino a quando il corpo non è entrato completamente nella fase liquida. La differenza di energia per realizzare la completa fusione di questo corpo puro non è quindi solo dovuta a quella che deve essere aggiunta per raggiungere la temperatura critica, ma è anche necessario aggiungere il calore latente ( ) per passare dallo stato solido a stato liquido. Lf{\ displaystyle L_ {f}}

Dal punto di vista della termodinamica , l' entalpia ( ) ed entropia ( ) del materiale quindi aumentare ( ) presso la fusione temperatura in tal modo un che possano essere espressi quando si cambia un corpo di massa m pure.: H{\ displaystyle H}S{\ displaystyle S}ΔH,ΔS>0{\ displaystyle \ Delta H, \ Delta S> 0}T{\ displaystyle T}

ΔH=mLf{\ displaystyle \ Delta H = mL_ {f}}

ΔS=mLfT{\ displaystyle \ Delta S = {\ frac {mL_ {f}} {T}}}

ΔS=ΔHT{\ displaystyle \ Delta S = {\ frac {\ Delta H} {T}}}

con:

• Lf{\ displaystyle L_ {f}} Calore latente di massa espresso in J / kg;
• ΔH{\ displaystyle \ Delta H} Cambiamento di entalpia in J;
• ΔS{\ displaystyle \ Delta S} Cambiamento di entropia in J / K;
• m{\ displaystyle m} massa in kg;
• T{\ displaystyle T} Temperatura in K.

Caratteristiche

A differenza della temperatura di vaporizzazione ( punto di ebollizione ), la temperatura di fusione è abbastanza indipendente dalle variazioni di pressione, poiché i volumi molari della fase solida e della fase liquida sono abbastanza vicini.

Generalmente, quando si rimane nella stessa famiglia di composti chimici, il punto di fusione aumenta con la massa molare .

L'elemento della tavola periodica con la più alta temperatura di fusione è il tungsteno a 3683  K ( 3410  ° C ), che lo ha reso una scelta eccellente , ad esempio , per le lampade ad incandescenza . Tuttavia, carbonio ( grafite ) ha una temperatura di fusione di 3825  ° C . Il Ta 4 HfC 5è il materiale refrattario con il punto di fusione più alto a 4.488  K ( 4.215  ° C ) .

All'altra estremità dello spettro, l' elio congela solo a una temperatura prossima allo zero assoluto e ad una pressione di 20 atmosfere .

Il punto di fusione è quindi un modo per controllare la purezza di una sostanza: qualsiasi impurità varierà il punto di fusione della sostanza testata.

Casi speciali

La transizione tra solido e liquido, tuttavia, avviene entro un certo intervallo di temperatura per alcune sostanze. Ad esempio, l' agar si scioglie a 85  ° C ma solidifica tra 31  ° C e 40  ° C mediante un processo di isteresi . D'altra parte, le sostanze amorfe , come il vetro o alcuni polimeri , generalmente non hanno punto di fusione, perché non subiscono una vera e propria fusione ma una transizione vetrosa .

Ci sono anche altre eccezioni:

• due forme polimorfiche hanno spesso due differenti punti di fusione;
• alcune sostanze non hanno un punto di fusione osservabile. Ciò può essere dovuto a diversi fenomeni:
  • sublimazione, ovvero il passaggio diretto allo stato gassoso (ad esempio iodio o carbonio ),
  • decomposizione allo stato solido (esempio di sali di diazonio ),
  • i polimeri reticolati non hanno punto di fusione perché la reticolazione impedisce qualsiasi scorrimento delle catene l'una rispetto all'altra. Formalmente, il "blocco di polimeri" è solo una singola molecola.

Dispositivi di misurazione

Esistono diversi dispositivi di misurazione del punto di fusione tutti basati sulla restituzione di un gradiente di temperatura. Possono essere costituiti sia da una piastra riscaldante metallica come la panca Kofler o il blocco Maquenne , sia da un bagno d'olio come il tubo Thiele .

Nel lavoro pratico di laboratorio vengono utilizzati dispositivi automatici di misurazione del punto di fusione. Sono facili da usare, funzionano più velocemente, forniscono risultati ripetibili e sono più precisi.

Punto di fusione di corpi semplici sotto pressione atmosferica

La tabella sottostante riporta la temperatura di fusione, in gradi Celsius (° C), degli elementi chimici ( corpi semplici ) nel loro stato standard .

Notiamo in particolare che:

• undici (forse dodici) elementi, gassosi a temperatura ambiente , hanno un punto di fusione molto più basso, da -71  ° C ( Rn ) a -272  ° C ( He ): i gas nobili ( He , Ne , Ar , Kr , Xe e Rn , più forse Og ); gli alogeni F e Cl  ; il calcogeno O  ; il pnicogeno N  ; l' idrogeno (H);
• sette elementi, liquidi o solidi a temperatura ambiente, hanno un punto di fusione prossimo a questa temperatura ambiente: alogeno Br ( −7  ° C ); i metalli Hg ( −39  ° C ), Fr ( 27  ° C ), Cs ( 29  ° C ), Ga ( 30  ° C ) e Rb ( 39  ° C ); il pnicogeno P ( 44  ° C );
• tutti gli altri elementi, che sono solidi a temperatura ambiente, hanno un punto di fusione molto più alto: da 64  ° C ( K ) a 3500  ° C ( C ).

Note e riferimenti

1. R. Feistel e W. Wagner, “  una nuova equazione di stato per H 2 OIce Ih  ", Journal of Physical and Chemical Reference Data , vol.  35,2006, p.  1021-1047 ( DOI  10.1063 / 1.2183324 ).
2. La relazione esatta è espressa nella formula di Clapeyron
3. (in) "  J10 Heat: Cambiamento dello stato aggregato delle sostanze attraverso lo scambio del contenuto di calore: Cambiamento dello stato aggregato delle sostanze e l'equazione di Clapeyron-Clausius  ' (visitato il 19 febbraio 2008 )
4. Misuratori del punto di fusione , sul sito kruess.com , consultato il26 luglio 2012
5. (a) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press,2009, 90 °  ed. , 2804  p. , Rilegato ( ISBN  978-1-4200-9084-0 ).
6. (in) Christine Middleton, "  Le molte facce del gallio liquido  " , Physics Today ,20 aprile 2021( DOI  10.1063 / PT.6.1.20210420a ).

Vedi anche

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