Punto de fusión

El punto de fusión (o punto de fusión ) de una sustancia pura o de un eutéctico es, a una presión dada, la temperatura a la que los estados líquido y sólido de esa sustancia pueden coexistir en equilibrio . Si la sustancia (inicialmente sólida) se calienta, se derrite a esta temperatura y la temperatura no puede aumentar hasta que todo el sólido haya desaparecido. Por el contrario, si la sustancia (inicialmente líquida) se enfría, solidifica a esta misma temperatura, por lo que también puede denominarse punto de solidificación (o temperatura de solidificación ). Para algunas sustancias del agua , la solidificación se refiere a menudo congelación: el punto de congelación del agua a 1 atm es 0,002 519 ± 0,000 002 ° C .

Las sustancias distintas de las sustancias puras y los eutécticos no tienen un punto de fusión porque su fusión (o solidificación) se produce en un rango de temperaturas. Por lo tanto, hay un inicio de la temperatura de fusión (llamada temperatura solidus o simplemente solidus) y un final de la temperatura de fusión (temperatura liquidus o simplemente liquidus).

Teoría

La mayoría de las sustancias se licúan y solidifican aproximadamente a la misma temperatura. Por ejemplo, para el mercurio , los puntos de fusión y congelación son 234,32 K ( -38,82 ° C ). Sin embargo, varias sustancias tienen la característica de poder sobreenfriarse y, por tanto, pueden congelarse a una temperatura por debajo de su punto de congelación teórico. El agua es un ejemplo porque la presión superficial de las moléculas de agua pura es difícil de eliminar y se pueden encontrar gotas de agua de hasta -42 ° C en las nubes si no contienen un núcleo de congelación .

Termodinámica

Cuando se calienta un cuerpo sólido puro , la temperatura aumenta hasta que alcanza el punto de fusión. En este punto, la temperatura permanece constante hasta que el cuerpo ha entrado completamente en la fase líquida. La diferencia de energía para lograr la fusión completa de este cuerpo puro se debe, por tanto, no solo a la que se debe agregar para alcanzar la temperatura crítica, sino que también es necesario agregar el calor latente ( ) para pasar del estado sólido a estado liquido. $L_ {f}$

Desde el punto de vista de la termodinámica , la entalpía ( ) y la entropía ( ) del material aumentan por lo tanto ( ) a la temperatura de fusión de tal manera que se pueden expresar también al cambiar un cuerpo de masa m.: $H$ $S$ $\ Delta H, \ Delta S> 0$ $T$

\ Delta H = mL_ {f}

y que da

\ Delta S = {\ frac {mL_ {f}} {T}}

\ Delta S = {\ frac {\ Delta H} {T}}

con :

$L_ {f}$ Calor latente masivo expresado en J / kg;
$\ Delta H$ Cambio de entalpía en J;
$\ Delta S$ Cambio de entropía en J / K;
$metro$ masa en kg;
$T$ Temperatura en K.

Caracteristicas

A diferencia de la temperatura de vaporización ( punto de ebullición ), la temperatura de fusión es bastante independiente de los cambios de presión, ya que los volúmenes molares de la fase sólida y la fase líquida están bastante cerca.

Generalmente, cuando uno permanece en la misma familia de compuestos químicos, el punto de fusión aumenta con la masa molar .

El elemento de la tabla periódica con la temperatura de fusión más alta es el tungsteno a 3683 K ( 3410 ° C ), lo que lo ha convertido en una excelente opción para lámparas incandescentes, por ejemplo. Sin embargo, el carbono ( grafito ) tiene una temperatura de fusión de 3825 ° C . El Ta 4 HfC 5es el material refractario con el punto de fusión más alto a 4.488 K ( 4.215 ° C ) .

En el otro extremo del espectro, el helio se congela solo a una temperatura cercana al cero absoluto y bajo una presión de 20 atmósferas .

Por tanto, el punto de fusión es una forma de comprobar la pureza de una sustancia: cualquier impureza variará el punto de fusión de la sustancia analizada.

Casos particulares

La transición entre sólido y líquido, sin embargo, ocurre en un cierto rango de temperatura para algunas sustancias. Por ejemplo, el agar se funde a 85 ° C pero solidifica entre 31 ° C y 40 ° C mediante un proceso de histéresis . Por otro lado, las sustancias amorfas , como el vidrio o ciertos polímeros , generalmente no tienen punto de fusión, porque no experimentan una fusión real sino una transición vítrea .

También hay otras excepciones:

dos formas polimórficas a menudo tienen dos puntos de fusión diferentes;
algunas sustancias no tienen un punto de fusión observable. Esto puede deberse a varios fenómenos:
- sublimación, es decir, la transición directa al estado gaseoso (por ejemplo, yodo o carbono ),
- una descomposición en estado sólido (ejemplo de sales de diazonio ),
- los polímeros reticulados no tienen punto de fusión porque la reticulación evita cualquier deslizamiento de las cadenas entre sí. Formalmente, el "bloque de polímeros" es una sola molécula.

Aparatos de medición

Existen diferentes dispositivos de medición del punto de fusión, todos basados en la restitución de un gradiente de temperatura. Pueden consistir en una placa de metal caliente como el banco Kofler o el bloque Maquenne , o en un baño de aceite como el tubo de Thiele .

En el trabajo práctico de laboratorio, se utilizan dispositivos de medición automática del punto de fusión. Son fáciles de usar, funcionan más rápido, proporcionan resultados repetibles y son más precisos.

Punto de fusión de cuerpos simples bajo presión atmosférica.

La siguiente tabla muestra la temperatura de fusión, en grados Celsius (° C), de elementos químicos ( cuerpos simples ) en su estado estándar .

H
−259

Él
−272

Li
181

Ser
1287

B
2.075

C
3500

N
−210

O
−219

F
−219

Ne
−249

Na
98

Mg
650

Al
660

Si
1.414

P
44

S
115

Cl
−102

Ar
−189

K
64

Ca
842

Sc
1,541

Ti
1,668

V
1 910

Cr
1,907

Mn
1 246

Fe
1 538

Co
1495

Ni
1,455

Cu
1.085

Zn
420

Ga
30

Gé
938

Ace
817

Se
221

Br
−7

Kr
−157

Rb
39

Sr
777

Y
1.522

Zr
1 855

Nb
2 477

MB
2,623

Tc
2 157

Ru
2 333

Rh
1.964

Pd
1.555

Ag
962

Cd
321

En
157

Sn
232

Sb
631

Te
450

Yo
114

Xe
−112

Cs
29

Ba
727

Leer
1663

Hf
2233

Tu
3 017

W
3 422

Re
3 185

Hueso
3.033

Ir
2446

Pt
1.768

En
1064

Hg
-39

Tl
304

Pb
327

Bi
271

Po
254

En
302

Rn
−71

Viernes
27

Ra
696

Lr
1,627

Monte

Nueva Hampshire

Florida

↓

El
920

Este
799

Pr
931

Nd
1.016

Pm
1042

Sm
1.072

Eu
822

Di-s
1313

Tb
1.359

Dy
1.412

Ho
1 472

Er
1529

Tm
1 545

Yb
824

Ac
1050

Ju
1 750

Pa
1.572

U
1 135

Np
644

PU
640

Soy
1176

Cm
1345

Bk
986

Cf
900

Es
860

1.527 FM

Md
827

No
827

Observamos en particular que:

Once (quizás doce) elementos, gaseosos a temperatura ambiente , tienen un punto de fusión mucho más bajo, de −71 ° C ( Rn ) a −272 ° C ( He ): los gases nobles ( He , Ne , Ar , Kr , Xe y Rn , más quizás Og ); los halógenos F y Cl ; el calcógeno O ; el pnicogen N ; el hidrógeno (H);
siete elementos, líquidos o sólidos a temperatura ambiente, tienen un punto de fusión cercano a esta temperatura ambiente: halógeno Br ( -7 ° C ); los metales Hg ( -39 ° C ), Fr ( 27 ° C ), Cs ( 29 ° C ), Ga ( 30 ° C ) y Rb ( 39 ° C ); el pnicogen P ( 44 ° C );
todos los demás elementos, que son sólidos a temperatura ambiente, tienen un punto de fusión mucho más alto: de 64 ° C ( K ) a 3500 ° C ( C ).

Notas y referencias

R. Feistel y W. Wagner, “ Una nueva ecuación de estado para H 2 OIce Ih ”, Revista de datos de referencia físicos y químicos , vol. 35,2006, p. 1021-1047 ( DOI 10.1063 / 1.2183324 ).
La relación exacta se expresa en la fórmula de Clapeyron
(in) " J10 Heat: Cambio del estado agregado de las sustancias a través del intercambio del contenido de calor: Cambio del estado agregado de las sustancias y la ecuación de Clapeyron-Clausius ' (consultado el 19 de febrero de 2008 )
Dispositivos de medición del punto de fusión , en el sitio kruess.com , consultado el26 de julio de 2012
(en) David R. Lide, Manual CRC de Química y Física , CRC Press,2009, 90 ª ed. , 2804 p. , Tapa dura ( ISBN 978-1-4200-9084-0 ).
(en) Christine Middleton, " Las muchas caras del galio líquido " , Physics Today ,20 de abril de 2021( DOI 10.1063 / PT.6.1.20210420a ).