Тачка топљења

Тачка топљења је температура при којој супстанција из чврстог агрегатног стања прелази у течно.[1] То је карактеристична константа за сваку супстанцу. Она је обично једнака тачки очвршћавања. Тачке топљења и очвршћавања добро су дефинисане само за кристалне материјале. Аморфни материјали, на пример стакло, не топе се на одређеној температури већ са порастом темепратуре омекшавају.

Тачка топљења леда је 0 °С

Под посебним околностима, могуће је чврсто тело загревати изнад тачке топљења без фазног прелаза у течно стање (суперзагревање), односно хладити течност испод тачке мржњења (суперхлађење). То је рецимо случај са водом на веома чистој површини од стакла. Фине емулзије чисте воде су експериментално хлађене на -38 °C, а да се нису заледиле. Згрушавање течности се иницира путем мале промене у особини материјала (рецимо вибрација). Ако се материја остави у потпуно мирном стању, могуће је постићи појаву суперхлађења или суперзагревања. Материје у оваквом стању су термодинамчки нестабилне и могу нагло променити агрегатно стање. Ове појаве су сличне хистерезису код сталних магнета.

Када се посматра као температура реверзне промене из течног у чврсто стање, назива се тачка смрзавања или тачка кристализације. Због способности супстанци да се суперхладе, тачка смрзавања се лако може учинити да је испод своје стварне вредности. Када се одређује „карактеристична тачка смрзавања“ неке супстанце, заправо је стварна методологија скоро увек „принцип посматрања нестанка, а не формирања леда, односно тачке топљења“.[2]

ПримериУреди

 
Тачке топљења (плаво) и тачке кључања (розе) првих осам карбоксилних киселина (°C)

За већину супстанци, тачке топљења и смрзавања су приближно једнаке. На пример, тачка топљења и тачка смрзавања живе је234,32 kelvins (−38,83 °C; −37,89 °F).[3] Међутим, поједине супстанце поседују различите температуре прелаза између чврстог стања и течности. На пример, агар се топи на 85 °C (185 °F; 358 K) и очвршћава на 31 °C (88 °F; 304 K); таква зависност од смера је позната као хистереза. Тачка топљења леда при притиску од 1 атмосфере је веома близу[4] 0 °C (32 °F; 273 K); ово је такође познато као ледена тачка. У присуству нуклеирајућих супстанци, тачка смрзавања воде није увек иста као тачка топљења. У одсуству нуклеатора вода може постојати као суперохлађена течност до −48,3 °C (−54,9 °F; 224,8 K) пре смрзавања.

Метал са највишом тачком топљења је волфрам, са 3.414 °C (6.177 °F; 3.687 K);[5] ово својство чини волфрам одличним за употребу као електрични филамент у сијалицама са жарном нити. Често цитирани угљеник се не топи на амбијенталном притиску, већ сублимира на око 3.700 °C (6.700 °F; 4.000 K); течна фаза постоји само изнад притисака од 10 MPa (99 atm) и процењује се на 4.030—4.430 °C (7.290—8.010 °F; 4.300—4.700 K) (погледајте фазни дијаграм угљеника). Тантал хафнијум карбид (Ta4HfC5) је ватростално једињење са веома високом тачком топљења од 4.215 K (3.942 °C; 7.127 °F).[6] Квантномеханичке компјутерске симулације су предвиделе да ће легура HfN0.38C0.51 имати још вишу тачку топљења (око 4400 K),[7] што би је учинило супстанцом са највишом тачком топљења на амбијенталном притиску. Ово предвиђање је касније потврђено експериментом.[8] На другом крају скале, хелијум се уопште не смрзава при нормалном притиску чак и на температурама произвољно близу апсолутне нуле; неопходан је притисак већи од двадесет пута нормалног атмосферског притиска.

Списак уобичајених хемикалија
Хемикалија[upper-roman 1] Густина (g/cm3) Топљење (K)[9] Кључање (K)
Вода @СТП 1 273 373
Лем (Pb60Sn40) 456
Какао путер 614 -
Парафински восак 0,9 310 643
Водоник 0,00008988 14,01 20,28
Хелијум 0,0001785 [upper-roman 2] 4,22
Берилијум 1,85 1560 2742
Угљеник 2,267 [upper-roman 3][10] 4000[upper-roman 3][10]
Азот 0,0012506 63,15 77,36
Кисеоник 0,001429 54,36 90,20
Натријум 0,971 370,87 1156
Магнезијум 1,738 923 1363
Алуминијум 2,698 933,47 2792
Сумпор 2,067 388,36 717,87
Хлор 0,003214 171,6 239,11
Калијум 0,862 336,53 1032
Титанијум 4,54 1941 3560
Гвожђе 7,874 1811 3134
Никал 8,912 1728 3186
Бакар 8,96 1357,77 2835
Цинк 7,134 692,88 1180
Галијум 5,907 302,9146 2673
Сребро 10,501 1234,93 2435
Кадмијум 8,69 594,22 1040
Индијум 7,31 429,75 2345
Јод 4,93 386,85 457,4
Тантал 16,654 3290 5731
Волфрам 19,25 3695 5828
Платина 21,46 2041,4 4098
Злато 19,282 1337,33 3129
Жива 13,5336 234,43 629,88
Олово 11,342 600,61 2022
Бизмут 9,807 544,7 1837

Напомене

  1. ^ Z је стандардни симбол за атомски број; C је стандардни симбол за топлотни капацитет; а χ је стандардни симбол за електронегативност на Полинговој скали.
  2. ^ Хелијум се не очвршћава при притиску од једне атмосфере. Хелијум може да се очврсне само при притисцима изнад 25 атмосфера, што одговара тачки топљења од апсолутне нуле.
  3. ^ а б Угљеник се не топи ни на једној температури под стандардним притиском, већ сублимира на 4100K

ТермодинамикаУреди

 
Зависност тачке топљења воде од притиска.
 
Као и многа једињења високе симетрије, тетракис(триметилсилил)силан има веома високу тачку топљења (т.т.) од 319-321 °C. Ово једињење тежи ка сублимацији, те одређивање тачке топљења захтева да узорак буде затворен у епрувети.[11]

Да би се чврста материја растопила, потребна је топлота за подизање њене температуре до тачке топљења. Затим је потребно обезбедити даљу топлоту да би се топљење одвило: то се зове топлота фузије и представља пример латентне топлоте.

Са термодинамичке тачке гледишта, на тачки топљења промена Гибсове слободне енергије (ΔG) материјала је нула, али се енталпија (H) и ентропија (S) материјала повећавају (ΔH, ΔS > 0). Феномен топљења се дешава када Гибсова слободна енергија течности постане нижа од чврсте за тај материјал. При различитим притисцима то се дешава на специфичној температури. Такође се може показати да:

 

Овде су T, ΔS и ΔH респективно температура на тачки топљења, промена ентропије топљења и промена енталпије топљења.

Тачка топљења је осетљива на изузетно велике промене притиска, али генерално ова осетљивост је за редове величине мања од оне за тачку кључања, јер прелаз чврсто стање-течност представља само малу промену запремине.[12][13] Ако је, као што се примећује у већини случајева, супстанца гушћа у чврстом него у течном стању, тачка топљења ће се повећати са повећањем притиска. У супротном долази до обрнутог понашања. Посебно, ово је случај код воде, као што је графички илустровано са десне стране, али и Si, Ge, Ga, Bi. Са изузетно великим променама притиска, примећују се значајне промене тачке топљења. На пример, тачка топљења силицијума при амбијенталном притиску (0,1 MPa) је 1415 °C, док при притисцима већим од 10 GPa опада на 1000 °C.[14]

Карнелијево правилоУреди

У органској хемији, Карнелијево правило, које је 1882. установио Томас Карнели, наводи да је висока молекуларна симетрија повезана са високом тачком топљења.[15] Карнели је своје правило засновао на испитивању 15.000 хемијских једињења. На пример, за три структурна изомера са молекулском формулом C5H12 тачка топљења расте у серији изопентан -160 °C (113 K), n-пентан -129,8 °C (143 K) и неопентан -16,4 °C (256,8 K).[16] Исто тако, код ксилена и такође дихлоробензена, тачка топљења расте у редоследу мета, орто, а затим пара. Пиридин има нижу симетрију од бензена, отуда и нижу тачку топљења, али се тачка топљења поново повећава са диазином и триазином. Многа једињења налик кавезу попут адамантана и кубана са високом симетријом имају релативно високе тачке топљења.

Висока тачка топљења је резултат високе топлоте фузије, ниске ентропије фузије или комбинације оба. У високо симетричним молекулима кристална фаза је густо збијена са многим ефикасним интермолекуларним интеракцијама које резултирају већом променом енталпије при топљењу.

Предвиђање тачке топљењаУреди

У фебруару 2011, предузеће Алфа Ајсар је објавило преко 10.000 тачака топљења једињења из свог каталога као отворене податке. Овај скуп података је коришћен за креирање модела случајне шуме за предвиђање тачке топљења који је сада бесплатно доступан.[17] Отворени подаци о тачки топљења су такође доступни из часописа Nature Precedings.[18] Висококвалитетне податке добијене из патената, као и моделе[19] развијене на основу ових података објавили су Тетко et al.[20]

Види јошУреди

РеференцеУреди

  1. ^ Hofmann 2008, стр. 67.
  2. ^ Ramsay, J. A. (1. 5. 1949). „A New Method of Freezing-Point Determination for Small Quantities”. Journal of Experimental Biology. 26 (1): 57—64. PMID 15406812. doi:10.1242/jeb.26.1.57. 
  3. ^ Haynes, p. 4.122.
  4. ^ The melting point of purified water has been measured as 0.002519 ± 0.000002 °C, see Feistel, R.; Wagner, W. (2006). „A New Equation of State for H2O Ice Ih”. J. Phys. Chem. Ref. Data. 35 (2): 1021—1047. Bibcode:2006JPCRD..35.1021F. doi:10.1063/1.2183324. 
  5. ^ Haynes, p. 4.123.
  6. ^ Agte, C.; Alterthum, H. (1930). „Researches on Systems with Carbides at High Melting Point and Contributions to the Problem of Carbon Fusion”. Z. Tech. Phys. 11: 182—191. 
  7. ^ Hong, Q.-J.; van de Walle, A. (2015). „Prediction of the material with highest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations”. Phys. Rev. B. 92 (2): 020104(R). Bibcode:2015PhRvB..92b0104H. doi:10.1103/PhysRevB.92.020104 . 
  8. ^ Buinevich, V.S.; Nepapushev, A.A.; Moskovskikh, D.O.; Trusov, G.V.; Kuskov, K.V.; Vadchenko, S.G.; Rogachev, A.S.; Mukasyan, A.S. (март 2020). „Fabrication of ultra-high-temperature nonstoichiometric hafnium carbonitride via combustion synthesis and spark plasma sintering”. Ceramics International. 46 (10): 16068—16073. S2CID 216437833. doi:10.1016/j.ceramint.2020.03.158. 
  9. ^ Holman, S. W.; Lawrence, R. R.; Barr, L. (1. 1. 1895). „Melting Points of Aluminum, Silver, Gold, Copper, and Platinum”. Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 31: 218—233. JSTOR 20020628. doi:10.2307/20020628. 
  10. ^ а б „Carbon”. rsc.org. 
  11. ^ Gilman, H.; Smith, C. L. (1967). „Tetrakis(trimethylsilyl)silane”. Journal of Organometallic Chemistry. 8 (2): 245—253. doi:10.1016/S0022-328X(00)91037-4. 
  12. ^ The exact relationship is expressed in the Clausius–Clapeyron relation.
  13. ^ „J10 Heat: Change of aggregate state of substances through change of heat content: Change of aggregate state of substances and the equation of Clapeyron-Clausius”. Приступљено 19. 2. 2008. 
  14. ^ Tonkov, E. Yu. and Ponyatovsky, E. G. (2005) Phase Transformations of Elements Under High Pressure, CRC Press, Boca Raton, p. 98 ISBN 0-8493-3367-9
  15. ^ Brown, R. J. C.; R. F. C. (2000). „Melting Point and Molecular Symmetry”. Journal of Chemical Education. 77 (6): 724. Bibcode:2000JChEd..77..724B. doi:10.1021/ed077p724. 
  16. ^ Haynes, pp. 6.153–155.
  17. ^ Predict melting point from SMILES. Qsardb.org. Retrieved on 13 September 2013.
  18. ^ Bradley, Jean-Claude; Lang, Andrew; Williams, Antony; Curtin, Evan (11. 8. 2011). „ONS Open Melting Point Collection”. Nature Precedings. doi:10.1038/npre.2011.6229.1 . 
  19. ^ OCHEM melting point models. ochem.eu. Retrieved on 18 June 2016.
  20. ^ Tetko, Igor V; m. Lowe, Daniel; Williams, Antony J (2016). „The development of models to predict melting and pyrolysis point data associated with several hundred thousand compounds mined from PATENTS”. Journal of Cheminformatics. 8: 2. PMC 4724158 . PMID 26807157. doi:10.1186/s13321-016-0113-y. 

ЛитератураУреди

Спољашње везеУреди