Tačka topljenja

S Vikipedije, slobodne enciklopedije

Tačka topljenja leda je 0 °C

Tačka topljenja je temperatura pri kojoj supstancija iz čvrstog agregatnog stanja prelazi u tečno.[1] To je karakteristična konstanta za svaku supstancu. Ona je obično jednaka tački očvršćavanja. Tačke topljenja i očvršćavanja dobro su definisane samo za kristalne materijale. Amorfni materijali, na primer staklo, ne tope se na određenoj temperaturi već sa porastom temeprature omekšavaju.

Pod posebnim okolnostima, moguće je čvrsto telo zagrevati iznad tačke topljenja bez faznog prelaza u tečno stanje (superzagrevanje), odnosno hladiti tečnost ispod tačke mržnjenja (superhlađenje). To je recimo slučaj sa vodom na veoma čistoj površini od stakla. Fine emulzije čiste vode su eksperimentalno hlađene na -38 °C, a da se nisu zaledile. Zgrušavanje tečnosti se inicira putem male promene u osobini materijala (recimo vibracija). Ako se materija ostavi u potpuno mirnom stanju, moguće je postići pojavu superhlađenja ili superzagrevanja. Materije u ovakvom stanju su termodinamčki nestabilne i mogu naglo promeniti agregatno stanje. Ove pojave su slične histerezisu kod stalnih magneta.

Kada se posmatra kao temperatura reverzne promene iz tečnog u čvrsto stanje, naziva se tačka smrzavanja ili tačka kristalizacije. Zbog sposobnosti supstanci da se superhlade, tačka smrzavanja se lako može učiniti da je ispod svoje stvarne vrednosti. Kada se određuje „karakteristična tačka smrzavanja“ neke supstance, zapravo je stvarna metodologija skoro uvek „princip posmatranja nestanka, a ne formiranja leda, odnosno tačke topljenja“.[2]

Primeri[uredi | uredi izvor]

Tačke topljenja (plavo) i tačke ključanja (roze) prvih osam karboksilnih kiselina (°C)

Za većinu supstanci, tačke topljenja i smrzavanja su približno jednake. Na primer, tačka topljenja i tačka smrzavanja žive je234,32 kelvins (−38,83 °C; −37,89 °F).[3] Međutim, pojedine supstance poseduju različite temperature prelaza između čvrstog stanja i tečnosti. Na primer, agar se topi na 85 °C (185 °F; 358 K) i očvršćava na 31 °C (88 °F; 304 K); takva zavisnost od smera je poznata kao histereza. Tačka topljenja leda pri pritisku od 1 atmosfere je veoma blizu[4] 0 °C (32 °F; 273 K); ovo je takođe poznato kao ledena tačka. U prisustvu nukleirajućih supstanci, tačka smrzavanja vode nije uvek ista kao tačka topljenja. U odsustvu nukleatora voda može postojati kao superohlađena tečnost do −48,3 °C (−54,9 °F; 224,8 K) pre smrzavanja.

Metal sa najvišom tačkom topljenja je volfram, sa 3.414 °C (6.177 °F; 3.687 K);[5] ovo svojstvo čini volfram odličnim za upotrebu kao električni filament u sijalicama sa žarnom niti. Često citirani ugljenik se ne topi na ambijentalnom pritisku, već sublimira na oko 3.700 °C (6.700 °F; 4.000 K); tečna faza postoji samo iznad pritisaka od 10 MPa (99 atm) i procenjuje se na 4.030—4.430 °C (7.290—8.010 °F; 4.300—4.700 K) (pogledajte fazni dijagram ugljenika). Tantal hafnijum karbid (Ta4HfC5) je vatrostalno jedinjenje sa veoma visokom tačkom topljenja od 4.215 K (3.942 °C; 7.127 °F).[6] Kvantnomehaničke kompjuterske simulacije su predvidele da će legura HfN0.38C0.51 imati još višu tačku topljenja (oko 4400 K),[7] što bi je učinilo supstancom sa najvišom tačkom topljenja na ambijentalnom pritisku. Ovo predviđanje je kasnije potvrđeno eksperimentom.[8] Na drugom kraju skale, helijum se uopšte ne smrzava pri normalnom pritisku čak i na temperaturama proizvoljno blizu apsolutne nule; neophodan je pritisak veći od dvadeset puta normalnog atmosferskog pritiska.

Spisak uobičajenih hemikalija
Hemikalija[I] Gustina (g/cm³) Topljenje (K)[9] Ključanje (K)
Voda @STP 1 273 373
Lem (Pb60Sn40) 456
Kakao puter 307,2 -
Parafinski vosak 0,9 310 643
Vodonik 0,00008988 14,01 20,28
Helijum 0,0001785 —[II] 4,22
Berilijum 1,85 1560 2742
Ugljenik 2,267 —[III][10] 4000[III][10]
Azot 0,0012506 63,15 77,36
Kiseonik 0,001429 54,36 90,20
Natrijum 0,971 370,87 1156
Magnezijum 1,738 923 1363
Aluminijum 2,698 933,47 2792
Sumpor 2,067 388,36 717,87
Hlor 0,003214 171,6 239,11
Kalijum 0,862 336,53 1032
Titanijum 4,54 1941 3560
Gvožđe 7,874 1811 3134
Nikal 8,912 1728 3186
Bakar 8,96 1357,77 2835
Cink 7,134 692,88 1180
Galijum 5,907 302,9146 2673
Srebro 10,501 1234,93 2435
Kadmijum 8,69 594,22 1040
Indijum 7,31 429,75 2345
Jod 4,93 386,85 457,4
Tantal 16,654 3290 5731
Volfram 19,25 3695 5828
Platina 21,46 2041,4 4098
Zlato 19,282 1337,33 3129
Živa 13,5336 234,43 629,88
Olovo 11,342 600,61 2022
Bizmut 9,807 544,7 1837

Napomene

  1. ^ Z je standardni simbol za atomski broj; C je standardni simbol za toplotni kapacitet; a χ je standardni simbol za elektronegativnost na Polingovoj skali.
  2. ^ Helijum se ne očvršćava pri pritisku od jedne atmosfere. Helijum može da se očvrsne samo pri pritiscima iznad 25 atmosfera, što odgovara tački topljenja od apsolutne nule.
  3. ^ a b Ugljenik se ne topi ni na jednoj temperaturi pod standardnim pritiskom, već sublimira na 4100K

Termodinamika[uredi | uredi izvor]

Zavisnost tačke topljenja vode od pritiska.
Kao i mnoga jedinjenja visoke simetrije, tetrakis(trimetilsilil)silan ima veoma visoku tačku topljenja (t.t.) od 319-321 °C. Ovo jedinjenje teži ka sublimaciji, te određivanje tačke topljenja zahteva da uzorak bude zatvoren u epruveti.[11]

Da bi se čvrsta materija rastopila, potrebna je toplota za podizanje njene temperature do tačke topljenja. Zatim je potrebno obezbediti dalju toplotu da bi se topljenje odvilo: to se zove toplota fuzije i predstavlja primer latentne toplote.

Sa termodinamičke tačke gledišta, na tački topljenja promena Gibsove slobodne energije (ΔG) materijala je nula, ali se entalpija (H) i entropija (S) materijala povećavaju (ΔH, ΔS > 0). Fenomen topljenja se dešava kada Gibsova slobodna energija tečnosti postane niža od čvrste za taj materijal. Pri različitim pritiscima to se dešava na specifičnoj temperaturi. Takođe se može pokazati da:

Ovde su T, ΔS i ΔH respektivno temperatura na tački topljenja, promena entropije topljenja i promena entalpije topljenja.

Tačka topljenja je osetljiva na izuzetno velike promene pritiska, ali generalno ova osetljivost je za redove veličine manja od one za tačku ključanja, jer prelaz čvrsto stanje-tečnost predstavlja samo malu promenu zapremine.[12][13] Ako je, kao što se primećuje u većini slučajeva, supstanca gušća u čvrstom nego u tečnom stanju, tačka topljenja će se povećati sa povećanjem pritiska. U suprotnom dolazi do obrnutog ponašanja. Posebno, ovo je slučaj kod vode, kao što je grafički ilustrovano sa desne strane, ali i Si, Ge, Ga, Bi. Sa izuzetno velikim promenama pritiska, primećuju se značajne promene tačke topljenja. Na primer, tačka topljenja silicijuma pri ambijentalnom pritisku (0,1 MPa) je 1415 °C, dok pri pritiscima većim od 10 GPa opada na 1000 °C.[14]

Karnelijevo pravilo[uredi | uredi izvor]

U organskoj hemiji, Karnelijevo pravilo, koje je 1882. ustanovio Tomas Karneli, navodi da je visoka molekularna simetrija povezana sa visokom tačkom topljenja.[15] Karneli je svoje pravilo zasnovao na ispitivanju 15.000 hemijskih jedinjenja. Na primer, za tri strukturna izomera sa molekulskom formulom C5H12 tačka topljenja raste u seriji izopentan -160 °C (113 K), n-pentan -129,8 °C (143 K) i neopentan -16,4 °C (256,8 K).[16] Isto tako, kod ksilena i takođe dihlorobenzena, tačka topljenja raste u redosledu meta, orto, a zatim para. Piridin ima nižu simetriju od benzena, otuda i nižu tačku topljenja, ali se tačka topljenja ponovo povećava sa diazinom i triazinom. Mnoga jedinjenja nalik kavezu poput adamantana i kubana sa visokom simetrijom imaju relativno visoke tačke topljenja.

Visoka tačka topljenja je rezultat visoke toplote fuzije, niske entropije fuzije ili kombinacije oba. U visoko simetričnim molekulima kristalna faza je gusto zbijena sa mnogim efikasnim intermolekularnim interakcijama koje rezultiraju većom promenom entalpije pri topljenju.

Predviđanje tačke topljenja[uredi | uredi izvor]

U februaru 2011, preduzeće Alfa Ajsar je objavilo preko 10.000 tačaka topljenja jedinjenja iz svog kataloga kao otvorene podatke. Ovaj skup podataka je korišćen za kreiranje modela slučajne šume za predviđanje tačke topljenja koji je sada besplatno dostupan.[17] Otvoreni podaci o tački topljenja su takođe dostupni iz časopisa Nature Precedings.[18] Visokokvalitetne podatke dobijene iz patenata, kao i modele[19] razvijene na osnovu ovih podataka objavili su Tetko et al.[20]

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Hofmann 2008, str. 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 Slobodan pristup. 
  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. (mart 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. ^ a b „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”. Arhivirano iz originala 28. 02. 2008. g. Pristupljeno 19. 2. 2008. 
  14. ^ Tonkov, E. Yu. and Ponyatovsky, E. G. (2005). Phase Transformations of Elements Under High Pressure. Boca Raton: CRC Press. str. 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 Slobodan pristup. 
  19. ^ OCHEM melting point models[mrtva veza]. 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 Slobodan pristup. PMID 26807157. doi:10.1186/s13321-016-0113-y. 

Literatura[uredi | uredi izvor]

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Tačka topljenja na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Тачка_топљења&oldid=27548451”