Температури плавлення речовин Речовина Температура плавлення (°С)Вольфрам 3414Платина 1755Залізо 1538Мідь 1083Золото 1063Срібло 961Кальцій 851Алюміній 660Магній 651Свинець 328Олово 232Натрій 98Калій 63,5Ртуть -38,83

Температу́ра плáвлення — температура, за якої тверде кристалічне тіло здійснює перехід у рідкий стан і навпаки. За іншим визначенням — температура, за якої тверда фаза речовини перебуває в рівновазі з рідкою.

Температура плавлення речовини залежить від тиску та зазвичай визначається за стандартного тиску, як-от 1 атм або 100 кПа. Власне температура переходу твердої речовини в рідинний стан, фіксується в момент, коли зразок переходить у розплав (у краплю).

Коли йдеться про температуру зворотного переходу з рідкого стану в твердий, її називають точкою замерзання або точкою кристалізації (також температурою кристалізації, температурою затверді́ння, температурою тве́рднення, температурою замерза́ння). Через здатність речовин до переохолодження точка замерзання може виявитися нижчою за своє фактичне значення. Коли визначається «характеристична точка замерзання» речовини, насправді методологія майже завжди полягає в «принципі спостереження за зникненням, а не за утворенням льоду, тобто точки плавлення».

Корегована температура плавлення — з урахуванням поправки на виступаючий стовпчик термометра, некорегована — без такої поправки.

Загальний опис

За температури плавлення речовина може перебувати як у рідкому, так і у твердому стані. При підведенні тепла речовина перейде в рідкий стан, а температура не змінюватиметься, доки вся речовина в системі не розплавиться. При відведенні тепла (охолодженні) речовина переходитиме у твердий стан (застигатиме), і доки воно не застигне повністю, температура не зміниться.

Температуру плавлення (затвердіння) і температуру кипіння відносять до найважливіших фізичних властивостей речовини. Температура затвердіння збігається з температурою плавлення лише для чистої речовини. Некристалічні (аморфні) речовини взагалі не мають температури плавлення (затвердіння) й перехід відбувається в певному діапазоні температур (у сумішей рідин діапазон особливо широкий).

Оскільки під час плавлення об'єм тіла змінюється незначно, тиск мало впливає на температуру плавлення. Однак саме під дією високого тиску леза ковзана лід плавиться, і спортсмен легко ковзає по ньому. Залежність температури фазового переходу (як-от плавлення, кипіння) від тиску для однокомпонентної системи задає рівняння Клаузіуса — Клапейрона. Температуру плавлення за нормального атмосферного тиску (1013,25 гПа, чи 760 мм рт. ст.) називають точкою плавлення.

Приклади

Для більшості речовин температури плавлення та тверднення приблизно рівні. Наприклад, температури плавлення та тверднення ртуті становлять . Однак деякі речовини мають різні температури переходу між твердим та рідким станами. Наприклад, агар плавиться за і твердне за ; така залежність від напрямку відома як гістерезис. Температура плавлення льоду за тиску 1 атм дуже близькаThe melting point of purified water has been measured as 0.002519 ± 0.000002 °C, see до ; вона також відома як точка замерзання. За наявності зародкоутворюючих речовин точка замерзання води не завжди збігається з точкою плавлення. За відсутності зародкоутворювачів вода перед замерзанням може існувати як переохолоджена рідина до .

З металів найвищу температуру плавлення має вольфрам — ; ця властивість робить його чудовим матеріалом для електричних ниток розжарення в лампах розжарення. Часто згадуваний вуглець не плавиться за атмосферного тиску, а сублімується приблизно за ; рідка фаза існує лише за тиску вище від та, за оцінками, (див. діаграму фаз вуглецю). Карбонітрид гафнію (HfCN) — тугоплавка сполука з найвищою відомою на сьогодні температурою плавлення серед усіх речовин, і єдина, для якої підтверджено температуру плавлення вище від за кімнатного тиску. Квантово-механічні комп'ютерні симуляції передбачили, що цей сплав (HfN0,38C0,51) матиме температуру плавлення близько 4400 К. Пізніше це передбачення підтверджено експериментально, хоча точне вимірювання його точної точки плавлення ще не підтверджено. З іншого боку, гелій взагалі не твердне за нормального тиску навіть за температур, як завгодно близьких до абсолютного нуля; для цього необхідний тиск, що перевищує нормальний атмосферний тиск більш ніж у двадцять разів.

Температура плавлення — важлива фізична константа мінералів, зв'язувальних речовин тощо. Наприклад, під час брикетування вугілля зі зв'язуючими для нафтозв'язуючих вона становить 102—103 °С, а для кам'яновугільного пеку — 105—108 °С.

Вимірювання температури плавлення

Існує багато лабораторних методів визначення температур плавлення. являє собою металеву стрічку з градієнтом температури (діапазон від кімнатної температури до 300 °C). На ділянку смужки поміщають речовину, виявляючи її теплову поведінку за температури в цій точці. Диференціальна сканувальна калориметрія дає інформацію про температуру плавлення разом з ентальпією плавлення.

Прилад для визначення точки плавлення кристалічних твердих речовин складається з з прозорим вікном (найпростіша конструкція: ) та звичайної лупи. Кілька зерен твердої речовини поміщають у тонку скляну трубку та частково занурюють в оливну баню. Оливну баню нагрівають (і перемішують), і за допомогою лупи (і зовнішнього джерела світла) спостерігають плавлення окремих кристалів за певної температури. Замість оливної бані можна використати металевий блок. Деякі сучасні прилади мають автоматичне оптичне детектування.

Вимірювання також може проводитися безперервно в рамках робочого процесу. Наприклад, нафтопереробні заводи вимірюють точку замерзання дизельного палива «на льоту», тобто зразок береться з процесу та вимірюється автоматично. Це дає змогу проводити вимірювання частіше, оскільки зразок не потрібно збирати вручну та доставляти до віддаленої лабораторії.

Методи для вогнетривких матеріалів Надзвичайно високу температуру плавлення тугоплавких матеріалів (наприклад, платини, вольфраму, танталу, деяких карбідів та нітридів тощо), яка зазвичай перевищую, скажімо, 1800 °C, можна визначити, нагріваючи матеріал у печі чорного тіла та вимірюючи температуру чорного тіла оптичним пірометром. Для матеріалів з найвищою температурою плавлення це може вимагати екстраполяції на кілька сотень градусів. Відомо, що спектральна яскравість розжареного тіла є функцією його температури. Оптичний пірометр зіставляє яскравість досліджуваного тіла з яскравістю джерела, яке попередньо відкалібровано як функцію температури. В такому разі немає потреби вимірювати абсолютну величину інтенсивності випромінювання. Однак для калібрування пірометра необхідно використовувати відомі температури. Для температур, вищих від діапазону калібрування джерела, необхідно використовувати екстраполяцію. Її здійснюють на основі закону випромінювання Планка. Сталі в цьому рівнянні не відомі з достатньою точністю, що призводить до збільшення похибок екстраполяції за вищих температур. Однак для виконання цієї екстраполяції розроблено стандартні методи.

Розгляньмо випадок використання золота як джерела (tпл = 1063 °C). У цій методиці струм через нитку розжарення пірометра регулюється доти, поки інтенсивність світла нитки розжарення не зрівняється з інтенсивністю чорного тіла в точці плавлення золота. Так встановлюють первинну температуру калібрування і її можна виразити через струм у лампі пірометра. З тим самим налаштуванням струму пірометр націлюють на інше чорне тіло з вищою температурою. Між пірометром і цим чорним тілом вставляють поглинальне середовище з відомим коефіцієнтом пропускання. Потім температуру чорного тіла регулюється доти, поки інтенсивність його випромінювання не зрівняється з інтенсивністю випромінювання нитки розжарення пірометра. Справжню вищу температуру чорного тіла потім визначають за законом Планка. Потім поглинальне середовище видаляють, а струм через нитку розжарення регулюють, щоб інтенсивність випромінювання нитки розжарення відповідала інтенсивності випромінювання чорного тіла. Це встановлює другу точку калібрування пірометра. Цей крок повторюють для проведення калібрування до вищих температур. Тепер відомі температури та відповідні їм струми нитки розжарення пірометра, і можна побудувати криву залежності температури від струму. Потім її можна екстраполювати до дуже високих температур.

Для визначення температури плавлення тугоплавкої речовини цим методом необхідно або мати умови чорного тіла, або знати випромінювальну здатність вимірюваного матеріалу. В експерименті може бути складно утримати тугоплавку речовину в рідкому стані. Отже, температури плавлення деяких тугоплавких металів вимірювали через спостереження за випромінюванням з порожнини чорного тіла у твердих металевих зразках із довжиною набагато більшою від ширини. Для формування такої порожнини свердлиться отвір, перпендикулярний до довгої осі посередині стрижня з матеріалу. Потім стрижень нагрівають, пропускаючи через нього дуже великий струм, і за допомогою оптичного пірометра спостерігають випромінювання, що виходить із отвору. Точка плавлення визначається потемнінням отвору, коли з'являється рідка фаза, яка руйнує умови чорного тіла. Нині, щоб забезпечити точний контроль часу, протягом якого зразок витримується за екстремальних температур, використовують безконтейнерні методи лазерного нагрівання в поєднанні зі швидкими пірометрами та спектропірометрами. Такі експерименти тривалістю менше секунди розв'язують кілька проблем, пов'язаних із більш традиційними вимірюваннями температури плавлення, що проводяться за дуже високих температур, як-от випаровування зразка та реакція з контейнером.

Термодинаміка

Щоб тверда речовина розплавилася, потрібна певна кількість теплоти, щоб нагріти її до точки плавлення. Однак, для плавлення необхідно підвести додаткову кількість теплоти, яку називають теплотою плавлення і вона є прикладом прихованої теплоти.

З точки зору термодинаміки, в точці плавлення зміна вільної енергії Гіббса матеріалу дорівнює нулю, але ентальпія та ентропія матеріалу зростають (). Явище плавлення відбувається, коли вільна енергія Гіббса рідини стає нижчою, ніж у твердого тіла для цього матеріалу. За різних тисків це відбувається за певної температури. Також можна показати, що:

Тут  — температура в точці плавлення,  — ентропія плавлення,  — зміна ентальпії плавлення.

Температура плавлення чутлива до надзвичайно великих змін тиску, але загалом ця чутливість на порядок менша, ніж для точки кипіння, оскільки перехід із твердого стану в рідкий супроводжується лише невеликою зміною об'єму. Якщо, як спостерігається в більшості випадків, речовина має більшу густину у твердому, ніж у рідкому стані, температура плавлення зі збільшенням тиску зростає. В іншому випадку спостерігається протилежна поведінка. Примітно, що це стосується води, як показано на графіку праворуч, але також кремнію, германію, галію, бісмуту. За надзвичайно великих змін тиску спостерігаються суттєві зміни температури плавлення. Наприклад, за атмосферного тиску (0,1 МПа) температура плавлення кремнію становить 1415 °C, але за тиску понад 10 ГПа вона знижується до 1000 °C.Tonkov, E. Yu. and Ponyatovsky, E. G. (2005) Phase Transformations of Elements Under High Pressure, CRC Press, Boca Raton, p. 98