Als Schmelzpunkt (oder Schmelztemperatur) bezeichnen wir die Temperatur, bei der ein Stoff vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Fusion ist eine Eigenschaft, bei der ein Element von der flüssigen in die feste Phase übergeht.
Der Schmelzpunkt wird normalerweise bei normalem Atmosphärendruck (1 Atmosphäre oder 100.000 Pascal) und für eine reine Substanz angegeben.
Der Schmelzpunkt eines reinen Elements ist immer höher als der einer unreinen Substanz. Aus diesem Grund werden Schmelzpunkte häufig zur Charakterisierung organischer und anorganischer Verbindungen und zur Bestimmung ihrer Reinheit verwendet. Steigt der Anteil anderer Komponenten, verringert sich der Schmelzpunkt und der Schmelzpunktbereich wird breiter.
Um das Gesagte besser zu verstehen, betrachten wir einen Eisenblock und nehmen an, dass wir ihn erhitzen. Zunächst beginnt seine Temperatur zu steigen, bis eine Temperatur erreicht ist, bei der der Eisenblock zu schmelzen beginnt (flüssiger Zustand). Die Temperatur, bei der dieser Prozess stattfindet, wird als Schmelzpunkt bezeichnet.
Der Schmelzprozess eines Elements erfolgt bei konstanter Temperatur, wie bei jedem Phasenwechsel. Die während der Fusionsphase abgegebene Wärme wird als latente Schmelzwärme bezeichnet.
Faktoren, die den Schmelzpunkt einer Substanz beeinflussen
Der Schmelzpunkt einer Substanz hängt von mehreren grundlegenden Faktoren ab, die die Menge an thermischer Energie beeinflussen, die zum Aufbrechen der Wechselwirkungen erforderlich ist, die ihre Struktur in einem festen Zustand aufrechterhalten.
1. Intermolekulare Kräfte
Die Stärke der Kräfte, die die Moleküle oder Atome in einem Feststoff zusammenhalten, bestimmt, wie viel Energie nötig ist, um sie aufzubrechen und die Substanz in eine Flüssigkeit umzuwandeln. Einige der wichtigsten Kräfte sind:
- Ionische Bindungen : Sie kommen in Verbindungen wie Kochsalz (NaCl) vor und sind extrem starke Wechselwirkungen zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen. Dies führt dazu, dass ionische Feststoffe sehr hohe Schmelzpunkte aufweisen.
- Van-der-Waals-Kräfte : Dies sind schwache Wechselwirkungen zwischen unpolaren Molekülen. Durch diese Kräfte gebildete Feststoffe (wie etwa Edelgase im festen Zustand) haben niedrige Schmelzpunkte, da die Anziehungskräfte mit geringer Wärmeentwicklung leicht überwunden werden können.
- Wasserstoffbrücken : Dies sind intermolekulare Kräfte, die stärker sind als Van-der-Waals-Kräfte und in Verbindungen wie Wasser (H₂O) oder Essigsäure vorhanden sind. Sie erhöhen den Schmelzpunkt im Vergleich zu ähnlichen Stoffen ohne diese Bindungsart.
- Dipol-Dipol-Wechselwirkungen : Sie treten in polaren Molekülen auf und beeinflussen den Schmelzpunkt je nach Intensität des Dipols. Je stärker die Anziehung zwischen Dipolen ist, desto höher ist die Temperatur, die zum Schmelzen der Substanz erforderlich ist.
2. Kristallstruktur
Die Art und Weise, wie Atome oder Moleküle in einem Feststoff angeordnet sind, beeinflusst direkt dessen Schmelzpunkt:
- Feststoffe mit starken Kristallgittern : Materialien wie Metalle, Ionenkristalle und kovalente Feststoffe (wie Diamant und Quarz) weisen hochorganisierte und starke Strukturen auf, deren Aufbrechen große Energiemengen erfordert. Dadurch erhalten sie sehr hohe Schmelzpunkte.
- Amorphe Substanzen : Materialien wie Glas und einige Polymere haben keine genau definierte Kristallstruktur und daher keinen genauen Schmelzpunkt. Anstatt abrupt zu schmelzen, werden sie mit steigender Temperatur allmählich weicher.
3. Druck
Auch der Druck spielt für den Schmelzpunkt einer Substanz eine wichtige Rolle:
- Bei den meisten Feststoffen führt ein Druckanstieg zu einem Anstieg des Schmelzpunkts, da die Partikel stärker komprimiert werden und mehr Energie benötigen, um sich frei zu bewegen.
- Es gibt jedoch Ausnahmen. Bei Eis (festem H₂O) senkt eine Erhöhung des Drucks den Schmelzpunkt. Dies liegt daran, dass Eis eine weniger dichte Struktur als flüssiges Wasser hat und daher Druck ausgeübt wird, der den Übergang in die Flüssigkeit begünstigt.
Unterschied zwischen Schmelzpunkt und Gefrierpunkt
Der Hauptunterschied zwischen Schmelzpunkt und Gefrierpunkt liegt in dem Zustandsänderungsprozess, den sie beschreiben:
- Schmelzpunkt : Dies ist die Temperatur, bei der eine Substanz bei Wärmezufuhr vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. An diesem Punkt gewinnen die Partikel genügend Energie, um die intermolekularen Kräfte zu überwinden, die sie in einer starren Struktur gehalten haben.
- Gefrierpunkt : Dies ist die Temperatur, bei der eine Substanz durch Wärmeabgabe vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Dabei reduzieren die Teilchen ihre kinetische Energie und ordnen sich zu einer stabileren Struktur an, es entsteht ein Festkörper.
Bei vielen reinen Substanzen liegen Schmelzpunkt und Gefrierpunkt bei der gleichen Temperatur, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Beispielsweise schmilzt und gefriert reines Wasser bei 0 °C unter normalem atmosphärischem Druck. Allerdings können Faktoren wie Druck oder das Vorhandensein von Verunreinigungen den Gefrierpunkt verändern, ohne den Schmelzpunkt zu beeinflussen (Salz senkt beispielsweise den Gefrierpunkt von Wasser, nicht jedoch dessen Schmelzpunkt).
Wie wird der Schmelzpunkt bestimmt?
Die Schmelzpunktmessung wird mit einem Thiele -Gerät oder in einem Schmelzblock durchgeführt. Der Vorgang läuft wie folgt ab:
- Das Element wird in ein Kapillarröhrchen eingeführt, um es in der Thiele-
- Das Kapillarröhrchen wird langsam erhitzt, bis es seine Phase ändert.
- Die beim Phasenwechsel gemessene Temperatur entspricht der Schmelztemperatur.
Eutektischer Punkt
Der eutektische Punkt ist die Mindesttemperatur, bei der eine Mischung aus zwei oder mehr festen Komponenten vollständig schmelzen und sich in eine Flüssigkeit verwandeln kann, ohne dass eine feste Phase zurückbleibt. Dieses Phänomen tritt auf, wenn die Mischung eine bestimmte und feste Zusammensetzung der beteiligten Substanzen aufweist.
Am eutektischen Punkt schmelzen die Komponenten der Mischung bei einer einzigen Temperatur, die niedriger ist als die Schmelzpunkte der einzelnen reinen Substanzen.
Beim Erreichen eutektischer Bedingungen befinden sich beide Komponenten der Mischung im Gleichgewicht zwischen der festen und flüssigen Phase, was bedeutet, dass die Substanzen bei der gleichen Temperatur schmelzen und kristallisieren. Dieser Schmelzpunkt ist in der Industrie und bei der Herstellung von Metalllegierungen wichtig, da eutektische Legierungen verwendet werden, um bestimmte Eigenschaften wie Härte oder Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, die durch das Schmelzen einzelner reiner Metalle nicht erreicht werden können.
In manchen Fällen umfasst der eutektische Punkt nicht nur zwei Komponenten, sondern kann eine Mischung aus drei oder mehr Substanzen sein, jede mit ihrem eigenen Schmelzpunkt.
Ein klassisches Beispiel für eine eutektische Legierung ist die Kombination aus Blei und Zinn, deren eutektischer Punkt bei einer niedrigeren Temperatur liegt als der jedes Metalls einzeln. Dies macht eutektische Legierungen für Anwendungen wie das Löten nützlich, bei denen ein niedriger Schmelzpunkt erforderlich ist, um eine Beschädigung anderer Komponenten zu vermeiden.
Beispiele für die Schmelztemperatur einiger Materialien
Wir berichten über die Werte der Schmelztemperaturen und Siedepunkte einiger Substanzen, die bei einem Druck von 1 atm bestimmt wurden.
|
Chemische Substanz |
Schmelzpunkt in Grad Celsius |
Siedepunkt in Grad Celsius |
|
Wasser |
0 |
100 |
|
Wasserstoff |
-259,19 |
-252,92 |
|
Kohlenstoff |
3526,8 |
4026,8 |
|
Aluminium |
660,27 |
2518,8 |
|
Quecksilber |
-38,77 |
356,68 |