نقطه ذوب
نقطهٔ ذوب (به انگلیسی: Melting point) یا دمای ذوب به دمایی که در آن، ماده به‌طور کامل از حالت جامد به مایع (یا بالعکس) تبدیل می‌شود، دمای ذوب (یا دمای انجماد) می‌گویند. دمای ذوب/انجماد در نمودارهای فازی به‌عنوان نقطهٔ ذوب/نقطه انجماد مطرح می‌شود. تمامی نقاطی که روی خط میان فاز مایع و جامد قرار دارند، همگی بیانگر نقطهٔ انجماد/ذوب هستند. معروف‌ترین نقطهٔ ذوب/نقطهٔ انجماد مربوط به آب است. به دلیل توانایی مواد در فوق سرد شدن، نقطه انجماد می تواند به راحتی کمتر از مقدار واقعی خود به نظر برسد. نقطهٔ ذوب و انجماد همیشه برای مواد خالص در نظر گرفته می‌شود. نقطه ذوب یک ماده به فشار بستگی دارد و معمولاً در فشار استاندارد مانند 1 اتمسفر یا 100 کیلو پاسکال مشخص می شود. ناخالصی و فشار روی نقطهٔ ذوب/انجماد تأثیر می‌گذارد. در حین ذوب‌شدن/منجمد شدن، دمای جسم ثابت می‌ماند.وجود ناخالصی سبب کاهش نقطه ذوب می‌گردد.
تفسیر میکروسکوپیِ ذوب‌شدن
در یک جسم جامد، مولکول‌های تشکیل‌دهندهٔ آن در جای خود نوسان می‌کنند، ولی هنوز حالت کریستالی خود را حفظ کرده‌اند. اگر به جسم سخت گرما داده شود، این نوسان‌ها بیشتر می‌شوند، تا زمانی که ساختار کریستالی از هم می‌پاشد و جسم مایع می‌شود.
نقطهٔ ذوب متجانس
موادی که دارای نقطهٔ ذوب متجانس هستند، در یک دمای خاص ذوب یا منجمد می‌شوند و تا پایان استحاله دمای آنها ثابت باقی می‌ماند.
نقطهٔ ذوب نامتجانس
مواد دارای نقطهٔ ذوب نامتجانس در یک محدودهٔ دماییِ مشخص ذوب یا منجمد می‌شوند و در این محدوده با پایین‌رفتن دما مقدار فازِ جامد بیشتر شده و از مقدار فاز مایع کاسته می‌شود.
دمای انجماد
تعریف یک دما به‌عنوان دمای ذوب یا دمای انجماد به دیدگاه ما از رژیم حرارتی بستگی دارد. هنگام گرم کردن، این نقطه، نقطهٔ ذوب، و هنگام سرد کردن، نقطهٔ انجماد است.
تأثیر فشار
فشار بر نقطهٔ ذوب/نقطهٔ انجماد مواد تأثیر گذار است. با بالارفتن فشار نقطهٔ ذوب/انجماد نیز بالا می‌رود. (البته یک استثنا وجود دارد: آب، که با فشار بالاتر، نقطهٔ ذوب آن پایین می‌آید).
با افزایش فشار، نقطهٔ ذوب یخ کاهش می‌یابد.
نمونه‌ها
اطلاعات بیشتر: فهرست عناصر بر اساس نقطه ذوب
برای اکثر مواد، نقطه ذوب و انجماد تقریباً برابر است. برای مثال، نقطه ذوب و نقطه انجماد جیوه 234.32 کلوین (38.83- درجه سانتیگراد؛ -37.89 درجه فارنهایت) است. با این حال، برخی از مواد دارای دماهای انتقال جامد-مایع متفاوتی هستند. به عنوان مثال، آگار در 85 درجه سانتیگراد (185 درجه فارنهایت؛ 358 کلوین) ذوب می شود و در 31 درجه سانتیگراد (88 درجه فارنهایت؛ 304 کلوین) جامد می شود. چنین وابستگی جهتی به عنوان هیسترزیس شناخته می شود. نقطه ذوب یخ در فشار 1 اتمسفر بسیار نزدیک به 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت؛ 273 کلوین) است. این شرایط به عنوان نقطه انجماد شناخته می شود. در حضور مواد هسته زا، نقطه انجماد آب همیشه با نقطه ذوب یکسان نیست. در غیاب هسته‌سازها، آب می‌تواند قبل از انجماد به‌عنوان یک مایع فوق‌سرد شده تا دمای -48.3 درجه سانتیگراد (-54.9 درجه فارنهایت؛ 224.8 K) وجود داشته باشد.
فلزی که بالاترین نقطه ذوب را دارد تنگستن است، در دمای 3414 درجه سانتی گراد (6177 درجه فارنهایت؛ 3687 کلوین)؛ این ویژگی تنگستن را برای استفاده به عنوان رشته های الکتریکی در لامپ های رشته ای عالی می کند. کربنیترید هافنیوم (HfCN) یک ترکیب نسوز با بالاترین نقطه ذوب شناخته شده در بین هر ماده تا به امروز و تنها مورد تایید شده است که نقطه ذوب بالای 4273 کلوین (4000 درجه سانتیگراد؛ 7232 درجه فارنهایت) در فشار محیط دارد. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مکانیک کوانتومی پیش‌بینی کردند که این آلیاژ دارای نقطه ذوب حدود 4400 کلوین خواهد بود. این پیش‌بینی بعداً توسط آزمایش تأیید شد، اگرچه اندازه‌گیری دقیق نقطه ذوب آن هنوز تأیید نشده است. در انتهای دیگر مقیاس، هلیوم به هیچ وجه در فشار معمولی حتی در دماهای نزدیک به صفر مطلق منجمد نمی شود. فشار بیش از بیست برابر فشار معمولی اتمسفر ضروری است.
| فهرست مواد شیمیایی رایج | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ماده شیمیایی | چگالی (گرم/سانتیمتر مکعب) | نقطه ذوب (کلوین) | نقطه جوش (K) | |||||||||
| آب در STP | 1 | ۲۷۳ | ۳۷۳ | |||||||||
| لحیم (Pb60Sn40) | ۴۵۶ | |||||||||||
| کره کاکائو | ۳۰۷٫۲ | - | ||||||||||
| پارافین | ۰٫۹ | ۳۱۰ | ۶۴۳ | |||||||||
| هیدروژن | ۰٫۰۰۰۰۸۹۸۸ | ۱۴٫۰۱ | ۲۰٫۲۸ | |||||||||
| هلیوم | ۰٫۰۰۰۱۷۸۵ | — | ۴٫۲۲ | |||||||||
| بریلیم | ۱٫۸۵ | ۱۵۶۰ | ۲۷۴۲ | |||||||||
| کربن | ۲٫۲۶۷ | — | ۴۰۰۰ | |||||||||
| نیتروژن | ۰٫۰۰۱۲۵۰۶ | ۶۳٫۱۵ | ۷۷٫۳۶ | |||||||||
| اکسیژن | ۰٫۰۰۱۴۲۹ | ۵۴٫۳۶ | - | |||||||||
| سدیم | ۰٫۹۷۱ | ۳۷۰٫۸۷ | ۱۱۵۶ | |||||||||
| منیزیم | ۱٫۷۳۸ | ۹۲۳ | ۱۳۶۳ | |||||||||
| آلومینیوم | ۲٫۶۹۸ | ۹۳۳٫۴۷ | ۲۷۹۲ | |||||||||
| گوگرد | ۲٫۰۶۷ | ۳۸۸٫۳۶ | ۷۱۷٫۸۷ | |||||||||
| کلر | ۰٫۰۰۳۲۱۴ | ۱۷۱٫۶ | ۲۳۹٫۱۱ | |||||||||
| پتاسیم | ۰٫۸۶۲ | ۳۳۶٫۵۳ | ۱۰۳۲ | |||||||||
| تیتانیم | ۴٫۵۴ | ۱۹۴۱ | ۳۵۶۰ | |||||||||
| آهن | ۷٫۸۷۴ | ۱۸۱۱ | ۳۱۳۴ | |||||||||
| نیکل | ۸٫۹۱۲ | ۱۷۲۸ | ۳۱۸۶ | |||||||||
| مس | ۸٫۹۶ | ۱۳۵۷٫۷۷ | ۲۸۳۵ | |||||||||
| روی | ۷٫۱۳۴ | ۶۹۲٫۸۸ | ۱۱۸۰ | |||||||||
| گالیم | ۵٫۹۰۷ | ۳۰۲٫۹۱۴۶ | ۲۶۷۳ | |||||||||
| نقره | ۱۰٫۵۰۱ | ۱۲۳۴٫۹۳ | ۲۴۳۵ | |||||||||
| کادمیم | ۸٫۶۹ | ۵۹۴٫۲۲ | ۱۰۴۰ | |||||||||
| ایندیم | ۷٫۳۱ | ۴۲۹٫۷۵ | ۲۳۴۵ | |||||||||
| ید | ۴٫۹۳ | ۳۸۶٫۸۵ | ۴۵۷٫۴ | |||||||||
| تانتال | ۱۶٫۶۵۴ | ۳۲۹۰ | ۵۷۳۱ | |||||||||
| تنگستن | ۱۹٫۲۵ | ۳۶۹۵ | ۵۸۲۸ | |||||||||
| پلاتین | ۲۱٫۴۶ | ۲۰۴۱٫۴ | ۴۰۹۸ | |||||||||
| طلا | ۱۹٫۲۸۲ | ۱۳۳۷٫۳۳ | ۳۱۲۹ | |||||||||
| جیوه | ۱۳٫۵۳۳۶ | ۲۳۴٫۴۳ | ۶۲۹٫۸۸ | |||||||||
| سرب | ۱۱٫۳۴۲ | ۶۰۰٫۶۱ | ۲۰۲۲ | |||||||||
| بیسموت | ۹٫۸۰۷ | ۵۴۴٫۷ | ۱۸۳۷ | |||||||||
یادداشت‌ها
| ||||||||||||
اندازه گیری نقطه ذوب
مقاله اصلی: دستگاه نقطه ذوب
تکنیک های آزمایشگاهی زیادی برای تعیین نقطه ذوب وجود دارد. معیار کوفلر یک نوار فلزی با گرادیان دما (از دمای اتاق تا 300 درجه سانتیگراد) است. هر ماده ای را می توان روی قسمتی از نوار قرار داد و رفتار حرارتی آن را در دمای آن نقطه نشان داد. کالریمتری سنجشی مقیاسی اطلاعاتی در مورد نقطه ذوب همراه با آنتالپی همجوشی آن می دهد.
یک دستگاه اصلی نقطه ذوب برای تجزیه و تحلیل جامدات کریستالی شامل یک حمام روغن با یک پنجره شفاف (اصلی ترین طرح: یک لوله Thiele) و یک ذره بین ساده است. چند دانه از یک جامد در یک لوله شیشه ای نازک قرار می گیرد و تا حدی در حمام روغن غوطه ور می شود. حمام روغن گرم می شود (و هم زده می شود) و با کمک ذره بین (و منبع نور خارجی) ذوب کریستال های منفرد در دمای معینی قابل مشاهده است. ممکن است به جای حمام روغن از یک بلوک فلزی استفاده شود. برخی از ابزارهای مدرن دارای تشخیص نوری خودکار هستند.
اندازه گیری همچنین می تواند به طور مداوم با یک فرآیند عملیاتی انجام شود. به عنوان مثال، پالایشگاه های نفت نقطه انجماد سوخت دیزل را به صورت آنلاین اندازه گیری می کنند، به این معنی که نمونه از فرآیند گرفته شده و به طور خودکار اندازه گیری می شود. این امکان اندازه گیری های مکرر را فراهم می کند زیرا نمونه لازم نیست به صورت دستی جمع آوری شود و به آزمایشگاه از راه دور برده شود.
کاهش نقطه انجماد
مقاله‌های اصلی: کاهش نقطه انجماد و فوق‌سرد کردن
نقطه انجماد یک حلال زمانی کاهش می یابد که ترکیب دیگری به آن اضافه شود، به این معنی که یک محلول نقطه انجماد کمتری نسبت به یک حلال خالص دارد. این پدیده در کاربردهای فنی برای جلوگیری از یخ زدگی استفاده می شود، به عنوان مثال با افزودن نمک یا اتیلن گلیکول به آب.
قانون کارنلی
در شیمی آلی، قانون کارنلی که در سال 1882 توسط توماس کارنلی ایجاد شد، بیان می‌کند که تقارن مولکولی بالا با نقطه ذوب بالا مرتبط است. کارنلی قانون خود را بر اساس بررسی 15000 ترکیب شیمیایی استوار کرد. به عنوان مثال، برای سه ایزومر ساختاری با فرمول مولکولی C5H12، نقطه ذوب در سری ایزوپنتان 160- درجه سانتی گراد (113 K) n-پنتان 129.8- درجه سانتی گراد (143 K) و نئوپنتان 16.4- درجه سانتی گراد (256.8 K) افزایش می یابد. به همین ترتیب در زایلن ها و همچنین دی کلروبنزن ها نقطه ذوب به ترتیب متا، ارتو و سپس پارا افزایش می یابد. پیریدین تقارن کمتری نسبت به بنزن دارد از این رو نقطه ذوب آن پایین تر است اما نقطه ذوب دوباره با دی‌آزین و تری‌آزین ها افزایش می یابد. بسیاری از ترکیبات قفس مانند مانند آدامانتان و کوبان با تقارن بالا نقطه ذوب نسبتاً بالایی دارند.
نقطه ذوب بالا ناشی از گرمای زیاد همجوشی، آنتروپی کم همجوشی یا ترکیبی از هر دو است. در مولکول های بسیار متقارن، فاز کریستالی به طور متراکم با بسیاری از برهمکنش های بین مولکولی کارآمد پر شده است که منجر به تغییر آنتالپی بالاتر در هنگام ذوب می شود.
پیش بینی نقطه ذوب
در فوریه 2011، آلفا ایسر بیش از 10000 نقطه ذوب ترکیبات را از فهرست خود به عنوان داده باز منتشر کرد. این مجموعه داده برای ایجاد یک مدل جنگل تصادفی برای پیش‌بینی نقطه ذوب استفاده شده است که اکنون به صورت رایگان در دسترس است. داده‌های نقطه ذوب نیز از مقدمات طبیعت موجود است. داده های با کیفیت بالا استخراج شده از پتنت ها و همچنین مدل های توسعه یافته با این داده ها توسط تتکو و همکاران منتشر شد.
جستارهای وابسته
منابع
- ↑ Haynes, p. 4.122.
- ↑ The melting point of purified water has been measured as 0.002519 ± 0.000002 °C, see
- ↑ Haynes, p. 4.123.
- ↑ 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.
- ↑ Buinevich, V.S.; Nepapushev, A.A.; Moskovskikh, D.O.; Trusov, G.V.; Kuskov, K.V.; Vadchenko, S.G.; Rogachev, A.S.; Mukasyan, A.S. (March 2020). "Fabrication of ultra-high-temperature nonstoichiometric hafnium carbonitride via combustion synthesis and spark plasma sintering". Ceramics International. 46 (10): 16068–16073. doi:10.1016/j.ceramint.2020.03.158. S2CID 216437833.
- ↑ Holman, S. W.; Lawrence, R. R.; Barr, L. (1 January 1895). "Melting Points of Aluminum, Silver, Gold, Copper, and Platinum". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences. 31: 218–233. doi:10.2307/20020628. JSTOR 20020628.
- ↑ "Carbon". rsc.org.
- ↑ 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.
- ↑ Haynes, pp. 6.153–155.
- ↑ Predict melting point from SMILES. Qsardb.org. Retrieved on 13 September 2013.
مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Gefrierpunkt». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای آلمانی، بازبینی‌شده در آوریل ۲۰۱۰.
Horst Kuchling (۲۰۰۱)، «Wärmelehre»، Taschenbuch der Physik، Leipzig: Fachbuchverlag Leipzig، ص. ۲۶۹-۲۷۰، شابک ۳-۴۴۶-۲۲۸۸۳-۷