|
|}
'''Температу́ра плавле́ння і затверді́ння''' - [[температура]], при якій тверде кристалічне тіло здійснює перехід у рідкий стан і навпаки. При температурі плавлення [[речовина]] може перебувати як у рідкому, так і у твердому стані. При підведені додаткового тепла [[речовина]] перейде в рідкий стан, а температура не змінюватиметься доки вся [[речовина]] в системі не розплавиться. При відведенні зайвого тепла (охолодженні) [[речовина]] буде переходити у твердий стан (застигати) і доки воно не застигне повністю, [[температура]] не зміниться.
Терміном
«температура плавлення» позначають діапазон температур, в якому відбувається
перетворення твердої речовини в рідку. Температуру плавлення твердого речовини
вимірюють для визначення ступеня його чистоти. Домішки в чистому речовині
зазвичай знижують температуру плавлення або збільшують інтервал, в якому
плавиться з’єднання. Метод з використанням капіляра є класичним для контролю
вмісту домішок. Теплота, що надана твердому тілу під час плавлення, йде на
збільшення його внутрішньої енергії. Внутрішня енергія тіла складається з
кінетичної та потенціальної енергії всіх молекул, з яких воно складається.
Оскільки температура тіла під час плавлення залишається постійною, то середня
кінетична енергія його молекул не змінюється. Але при перетворенні твердого
тіла у рідину руйнується кристалічна ґратка, тобто збільшується потенціальна
енергія системи молекул, з яких складається тіло.
Температура плавлення (затвердіння) і [[температура кипіння]] вважаються одними з найважливіших фізичних властивостей [[речовина|речовини]]. Температура затвердіння збігається з температурою плавлення лише для чистої речовини. Некристалічні речовини не мають температури плавлення (затвердіння) взагалі й здійснюють перехід в певному діапазоні температур (у сумішей рідин діапазон особливо широкий).
Кількість
теплоти, яка затрачена на руйнування кристалічної ґратки твердого тіла,
називається його теплотою плавлення. Для характеристики речовини вводять
поняття питомої теплоти плавлення.
Оскільки під час плавлення [[об'єм]] тіла змінюється незначно, [[тиск]] мало впливає на температуру плавлення. Однак саме під дією високого тиску, що чиниться полозом ковзана, лід плавиться, і спортсмен легко ковзає по ньому. Залежність температури фазового переходу (в тому числі і плавлення, і кипіння) від тиску для однокомпонентрої системи дається [[рівняння Клапейрона-Клаузіуса|рівнянням Клапейрона-Клаузіуса]]. Температуру плавлення при нормальному [[атмосферний тиск|атмосферному тиску]] (1013,25 [[Паскаль (одиниця СІ)|гПа]], чи 760 [[Міліметр ртутного стовпчика|мм ртутного стовпчика]]) називають '''точкою плавлення'''.
Питомою теплотою плавлення λ речовини називається
кількість теплоти, яку необхідно надати одиниці маси цієї речовини для
перетворення з твердого стану в рідкий при незмінній температурі і тиску.
Під час кристалізації надлишок внутрішньої енергії
(тобто потенціальної енергії системи частинок тіла при впорядкуванні їх
взаємного розташування) виділяється у вигляді теплоти кристалізації. Під час
кристалізації, як і під час плавлення, температура речовини залишається сталою
і рівною температурі плавлення. Питома теплота кристалізації речовини дорівнює
її питомій теплоті плавлення.
Чисті (без
домішок) рідини можна охолодити до температури, більш низької, ніж температура
кристалізації. Стан переохолодження рідини нестійкий. Якщо її потрусити або
ввести в неї невеликий кристалик тієї ж речовини або просто тверду частинку, то
в переохолодженій рідині почнеться кристалізація.
Аморфні
тверді тіла (наприклад, смола, скло) не мають певної температури плавлення. Під
час нагрівання вони поступово стають все м’якішими і поступово тверднуть при
охолодженні. Тому аморфні тіла можна вважати згустілими рідинами.
Для
визначення температури плавлення капілярним методом використовують скляні
капіляри довжиною близько
і діаметром близько ,
запаяні з одного кінця в полум'ї пальника. Якщо немає готових капілярів, їх
можна витягнути з легкоплавких скляних трубок діаметром близько або пробірок.
Методика
1.
Температура плавлення речовини знаходиться в
інтервалі 25—300°С. Невелику кількість добре подрібненої, висушеної
досліджуваної речовини поміщають на чисту тверду поверхню (найкраще
використовувати предметне скло). Узявши капіляр за запаяний кінець, постукують
по речовині відкритим кінцем (рис. 1.87, а) і таким чином уводять речовину в
капіляр, щоб у відкритому кінці капіляра утворився стовпчик речовини висотою
2—3 мм. Для того щоб перемістити досліджуваний зразок до запаяного кінця,
капіляр або постукують запаяним кінцем по предметному склу, або використовують
скляну трубку відповідного розміру — ставлять її вертикально на тверду поверхню
і кидають капіляр усередину трубки запаяним кінцем униз (рис. 1.87, б). Цю
операцію виконують доти, поки вся речовина не переміститься вниз. Стовпчик
речовини в капілярі має бути щільним, без видимих розривів. Підготовлений
капіляр закріплюють на термометрі за допомогою гумового кільця. Стовпчик
речовини має знаходитися на рівні середини ртутного резервуара термометра. Термометр з одним або декількома капілярами закріплюють
у чистій сухій пробірці за допомогою пробки, яка має виріз напроти шкали
термометра (рис. 1.88). Він не повинен торкатися до стінок пробірки, а його
резервуар має знаходитися вище дна пробірки на 0,5— . Пробірку з термометром
закріплюють вертикально в лапці штатива і підводять під неї на кільці із сіткою
склянку (або колбу) з вазеліновим маслом. Рівень рідини має бути вищим від
резервуара термометра, а пробірка повинна знаходитися на Рис 187 Техніка
введення ре-відстані не менше ніж 0,5—1 см від новини в капіляр (а) і
ущільнен-дна склянки (колби). ня її в капілярі (б)
I.
Техніка лабораторних робіт
Рис. 1.88. Прилад для визначення температури
плавлення: 1 — круглодонна колба; 2 — капіляр з речовиною; 3 — пробірка; 4 —
відростки для втримання пробірки; 5 — отвір; 6 —пробка з термометром
Складений прилад повільно нагрівають, уважно
стежачи за підвищенням температури і станом речовини в капілярі. Спостерігаючи
за речовиною в капілярі, відмічають і записують зміну забарвлення, розкладання,
злипання, спікання тощо. Коли стовпчик речовини починає помітно стискуватися і
«мокнути», нагрівання припиняють. Початком плавлення вважають появу першої
краплі в капілярі, а закінченням — зникнення останніх кристалів. Точність
визначення температури складає не більше ± 0,5 °С. Методика 2. Температура плавлення
речовини понад 300°С. У цьому разі застосовують металеві прилади, названі
блоками (рис. 1.89). Блок виготовлений з вилитого алюмінієвого циліндра
довжиною 11 і діаметром .
Циліндр просвердлений по осі на глибину, яка точно відповідає рівню занурення
термометра. Поруч з отвором під невеликим кутом до нього просвердлений другий
отвір рівного діаметра з таким розрахунком, щоб обидва канали або зійшлися, або
знаходилися зовсім поруч біля дна блока. Другий отвір закривають зверху
алюмінієвою пробкою з просвердленими в трьох місцях маленькими каналами для
капілярів.
Спостереження ведуть через горизонтальний виріз,
що доходить точно до каналу з термометром. Отвір вирізу закритий наґвинчуваною
пробкою з вічком зі слюди. Освітлення зразка відбувається через інший канал,
розташований під кутом світла; 60° до
першого. Блок обігрівають електрикою або пальником, передача теплоти через
метал теоретично ідеальна.
Методика 3. Визначення температури плавлення за
допомогою мікроскопа (метод Кофлера). Визначення температури плавлення за
допомогою оптичного мікроскопа з 50—100-кратним збільшенням має певні переваги
в порівнянні з капілярним методом. По-перше, під мікроскопом можна простежити
поводження кожного окремого кристала і за рівномірністю плавлення зробити
висновок про ступінь чистоти досліджуваної речовини. По-друге, речовини
потрібно значно менше, ніж у капілярному методі.
За методом Кофлера (рис. 1.90) кілька кристалів
речовини на предметному склі поміщають в обігрівальний блок і розташовують на
столику мікроскопа. Нагрівання регулюють реостатом, який виставляють так, щоб
температура підвищувалася на 2—4 °С за хвилину в інтервалі очікуваної
температури плавлення (визначеної заздалегідь). Інтервал температури плавлення
визначають від скруглення кутів і граней найбільших кристалів до повного
їхнього зникнення. Визначення проводять швидко. Метод особливо ефективний для
речовин, що плавляться з розкладанням.
Проте для нових, невивчених речовин цей метод
застосовувати не рекомендується, тому що через відсутність контакту між
кристалами, що плавляться і не плавляться, під покривним склом мікроскопа
розплавлення всієї проби відбувається в дуже широкому інтервалі температур.
Температури плавлення, визначені в скляних капілярах,— точніший і більш
значущий критерій чистоти речовини.
Як правило, розплавлення чистої речовини
відбувається в інтервалі температур від декількох десятих до цілого градуса.
Для речовин, які розплавляються з розкладанням, спостерігають ширші межі
фазового переходу. Значення останніх дуже залежать від швидкості нагрівання, що
часто служить причиною складного відтворення показників температури
розкладання. Як правило, при розкладанні речовини спостерігаються видимі зміни
розплаву — виділення газу, зміна забарвлення. Деякі речовини обвуглюються при
нагріванні, і про їхню точку плавлення взагалі не говорять.
Температуру плавлення сублімованих речовин
визначають у запаяних капілярах (у разі методик 1, 2) або в плоских запаяних
кюветах (за методикою 3).
Домішки знижують температуру плавлення і
збільшують її інтервал, що використовується не тільки для встановлення чистоти,
але і для визначення ідентичності речовин з однаковими температурами плавлення.
Готують так звану змішану пробу, яка складається з рівної кількості
порівнюваних речовин. У випадку різних неізоморфних сполук спостерігають
зниження температури плавлення проби порівняно з показником кожного з вихідних
речовин.
== Див. також ==
| 