Температура при которой вещество плавится: как называется температура, при которой вещество плавится и кристаллизуется?

Плавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое

Внутренняя энергия жидкости

больше, чем

у твёрдого тела

Тело

принимает энергию

1. Как изменяется внутренняя энергия вещества?

2. Как изменяется энергия молекул и их расположение?

3. Как изменяется характер движения молекул?

4. В какой момент тело начнет плавиться?

5. Изменяются ли молекулы вещества при плавлении?

6. Как изменяется температура вещества при плавлении?

7. Сравните внутреннюю энергию твердого тела и жидкости?

нагревание

нагревание

1. При нагревании увеличивается температура тела.

2. Скорость колебания частиц возрастает.

3. Увеличивается внутренняя энергия тела.

4. Когда тело нагревается до температуры плавления, кристаллическая решетка начинает разрушаться.

5. Энергия нагревателя идет на разрушение решетки кристалла.

Поглощение Q

плавление

Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления вещества .

Каждое вещество имеет собственную температуру плавления (стр.32).

нагревание

Физическая величина, показывающая какое количество теплоты

необходимо для превращения 1 кг кристаллического вещества,

взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называется удельной теплотой плавления

(стр.37)

Поглощение Q

плавление

 («ламбда»)

Обозначается:

Единица измерения:

1

t , ºC

2

t , мин

Кристаллизация — переход вещества из жидкого состояния в твердое

Внутренняя энергия кристалла

меньше, чем

жидкости

Жидкость

отдает энергию

1. Как изменяется внутренняя энергия вещества?

2. Как изменяется энергия молекул и их расположение?

3. Как изменяется характер движения молекул?

4. Когда тело начнет кристаллизоваться?

5. Изменяются ли молекулы вещества при кристаллизации?

6. Как изменяется температура вещества при отвердевании?

7. Сравните внутреннюю энергию жидкости и твёрдого тела.

охлаждение

охлаждение

1. При охлаждении уменьшается температура жидкости.

2. Скорость движения частиц уменьшается.

3. Уменьшается внутренняя энергия жидкости.

4. Когда тело охлаждается до температуры плавления, кристаллическая решетка начинает восстанавливаться.

Выделение Q

отвердевание

t плавления = t отвердевания

Температуру, при которой вещество отвердевает, называют температурой отвердевания .

Количество теплоты, выделяющееся при отвердевании (кристаллизации), равно количеству теплоты, поглощённому при плавлении.

нагревание

охлаждение

График

плавления и кристаллизации

D

Поглощение Q

Выделение Q

F

B

плавление

отвердевание

C

E

t плавления = t отвердевания

G

А

Как изменялась внутренняя энергия вещества,

характер движения и взаимодействия молекул

на каждом участке графика?

ЗАПОМНИ:

• При плавлении происходит разрушение кристаллической решётки. Расстояние между частицами вещества увеличивается. Соответственно уменьшается потенциальная энергия частиц.
• При отвердевании вещества происходит образование кристаллической решетки, потенциальная энергия частиц увеличивается .

Рассмотрите график и ответьте на вопросы:

1. В какой момент времени начался процесс плавления вещества?

2. В какой момент времени вещество кристаллизовалось?

3. Чему равна температура плавления вещества? Температура кристаллизации?

4. Сколько длилось: а) нагревание твердого тела ;

б) плавление вещества ;

с) остывание жидкости?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

§ 12 – 15, читать, отвечать на вопросы;

Упр.8 № 1 – 3

Доклад ( § 3, стр-182)- Овсянникова Диана

Спасибо за урок!

Желаю успехов!

Литература:

1. Перышкин А.В. Физика 7 кл.- Москва: Дрофа, 2010.

2. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике 7-9.- Москва: Просвещение, 2008.

3.Источники иллюстраций, Интернет-ресурсы: http://video.yandex.ru/#search?text=%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%B5%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%BA%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B5%208%20%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%20%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%B8%20%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F&where=all&id=31904860-10-12

http://class-fizika.narod.ru/

Что представляет собой капиллярный метод определения температуры плавления?

Большинство фармакопеи рекомендуют для определения температуры плавления капиллярный метод, однако в терминах «температура плавления», «точка плавления» и «область плавления» остается некоторое различие.

Согласно Британской фармакопее 1968 г., отмечают температуру, при которой вещество плавится, на что указывает образование отчетливого мениска. Исправленная температура рассматривается как точка плавления вещества. Если в монографии указан интервал плавления, точка плавления испытуемого вещества должна находиться в указанных пределах.

По Фармакопее США XVII для фармакопейных целей область плавления или температура плавления твердого вещества определяется как та температура, в пределах которой, или та точка, при которой столбик твердого вещества спадается и полностью расплавляется.

Температура, при которой столбик вещества четко спадается вдоль стенок капилляра в любой его точке, считается началом плавления, и температура, при которой вещество полностью расплавлено, считается концом плавления. Эти две температуры должны находиться в указанных пределах.

Международная фармакопея, Первое издание, рекомендовала отмечать начало плавления по возникновению первых капель расплавленного вещества, а конец плавления по образованию отчетливого мениска.

Во Втором издании Международной фармакопеи внесено изменение в отношении определения окончания плавления: «областью (интервалом) плавления вещества является интервал между исправленной температурой, при которой столбик вещества начинает спадаться или на стенке капилляра образуются капли, и исправленной температурой, при которой все вещество расплавлено, на что указывает отсутствие твердой фазы».

Фармакопея Скандинавских стран, как и Второе издание Международной фармакопеи, определяет «область плавления», указывая одновременно, что термин «точка плавления между с° и д°» для вещества означает, что температура, при которой ‘вещество полностью расплавлено, должна быть не менее с° и не более д°.

Согласно Государственной фармакопее СССР X издания, практически определяют температурный интервал плавления, т. е. интервал между началом плавления — появлением первых капель жидкости, и концом плавления — полным превращением вещества в жидкое состояние. Для большинства фармакопейных препаратов этот интервал не должен превышать 2°.

Некоторые приведенные выше фармакопейные определения температуры плавления в зависимости от изменений вещества при плавлении обобщены в табл. 2.

При выборе определения «температура плавления» по капиллярному методу используются показатели, которые больше всего приближаются к истинной температуре плавления, а также могут содержать определенную информацию о чистоте исследуемого вещества.

Предлагаем рассмотреть с этой точки зрения отдельные стадии (см. табл. 2), наблюдаемые при нагревании в капилляре вещества А, содержащего примесь другого вещества Б, при условии, что смесь этих двух веществ плавится при определенной эвтектической температуре (Т₃).

Таблица 2

{mosimage}

БФ 68 — Британская фармакопея 1968 г.

МФ I -Международная фармакопея, Первое издание.

СШАXVII -Фармакопея США, XVII издание.

МФ II -Международная фармакопея, Второе издание.

ГФ X -Государственная фармакопея СССР, X издание.

Сканд. — Фармакопея Скандинавских стран.

ГДР 7 -Фармакопея ГДР, VII издание.

В процессе нагревания при достижении температуры Т_э примесь вещества Б, образующая эвтектическую смесь с веществом А, будет плавиться. Так как содержание примеси незначительно, то это изменение может остаться незамеченным. При повышении температуры частицы вещества начнут плавиться (T₁), затем столбик твердого вещества начнет оседать и уменьшаться (Т₂). При определенной температуре (Т₃) расплавленное вещество образует отчетливый мениск и, наконец, при температуре (Т₄), несколько отличающейся от температуры плавления абсолютно чистого вещества (Т), расплавятся последние частицы твердого тела.

Наблюдение начала плавления при температуре Т_э может указывать на содержание примеси, однако, используя капиллярный метод, невозможно получить данные о количественном содержании примеси, тем более что, как было сказано выше, при незначительном содержании примеси эта температура, как правило, остается незамеченной. С другой стороны, начало плавления при температуре Т, указывает на наличие примеси, так как эта температура будет тем ниже, чем больше содержание примеси. Эта температура не имеет определенного физического значения для смеси двух веществ и допускает лишь приблизительную оценку содержания примесей. Тем не менее определение начала плавления по образованию первых капель жидкости имеет практическое преимущество, так как позволяет отмечать изменение состояния вещества. Температура, при которой наблюдается оседание столбика, менее удобна в этом отношении.

Температура Тз, при которой образуется отчетливый мениск, предпочитается некоторыми исследователями, в то время как другие считают, что ее определение не имеет практического значения.

Температура Т₄ больше всего приближается к истинной температуре плавления чистого вещества и поэтому имеет определенное значение при испытаниях на подлинность, в то время как разница в температурах Т и Т₄ может быть показателем содержания примеси.

Высокоочищенные вещества имеют обычно резко выраженную температуру плавления, т. е. существует небольшая разница (порядка 1° или менее) между началом и концом плавления.

Чистота исходного сырья, наличие изомеров или других химических примесей, образовавшихся в процессе производства, а также присутствие следов растворителей определяют свойства конечного продукта и оказывают влияние на характер плавления.

В фармакопейном анализе при определении температуры плавления капиллярным способом в первую очередь преследуется цель подтверждения подлинности анализируемого вещества. Чистота вещества может быть также приблизительно установлена, если отмечаются начальная температура T₁ и конечная температура плавления Т₄. Поэтому большинство фармакопеи рекомендует определять температурный интервал плавления, который обозначается термином «температура плавления». В этом случае так называемая исправленная температура плавления обычно должна находиться в определенных указанных пределах.

Простейшим прибором для определения температуры плавления капиллярным способом служит открытый стакан, наполненный подходящей жидкостью и снабженный мешалкой (рис. 5). Некоторые другие приборы, рекомендуемые различными фармакопеями, приведены иа рис 6, 7, 8 и 9.

{mosimage}

Определение температуры плавления по Государственной фармакопее СССР X издания производят в приборе из термостойкого стекла. Прибор (см. рис. 6) состоит из круглодонной колбы емкостью 100-150 мл с горлом длиной 20 см, диаметром 3-4 см и вставленной в него пробиркой диаметром 2-2,5 см, отстоящей от дна колбы на 1 см.

{mosimage}

Колбу заполняют на 3/4 объема шара одной из следующих жидкостей:

а) водой для веществ с температурой плавления ниже 80°,

б) концентрированной серной кислотой для вещества с температурой плавления 80-260°,

в) раствором 30 частей сульфата калия в 70 частях (весовых) концентрированной серной кислоты, для веществ с температурой плавления выше 260°.

Для получения раствора смесь ингредиентов кипятят в течение 5 минут при энергичном перемешивании, так как при недостаточном перемешивании могут образоваться два слоя, в результате чего может произойти взрывообразное закипание смеси.

Вместо концентрированной серной кислоты можно применять вазелиновое масло и жидкие силиконы. Однако некоторые силиконы имеют тенденцию к полимеризации, что может выражаться в увеличении вязкости среды и привести к неравномерному нагреванию. Вазелиновое масло темнеет при многократном использовании.

Прибор снабжают укороченным термометром с ценой деления не менее 0,5°, укрепленным при помощи пробки с прорезом так, чтобы конец его отстоял от дна внутренней пробирки прибора на 1 см.

Методика определения температуры плавления в капилляре (ГФХ).

Метод 1 и 1а — для твердых веществ, легко превращаемых в порошок: устойчивых при нагревании (метод 1) и неустойчивых при нагревании (метод 1а).

Если нет других указаний, тонко измельченное вещество предварительно сушат в вакуум-эксикаторе над серной кислотой |в течение 24 часов или при температуре 100-105° в течение 2 часов. Высушенное вещество помещают в капиллярную трубку диаметром 0,9-1,2 мм, длиной 6-8 см, с толщиной стенки 0,1-0,15 ,мм, запаянную с одного конца. Для уплотнения вещества капилляр многократно бросают в стеклянную трубку высотой 80 см, поставленную вертикально на стекло, или уплотняют с помощью капиллярной палочки. Высота слоя в капиллярной трубке должна быть 3-4 мм. Капиллярную трубку с веществом сохраняют до начала определения в эксикаторе.

Во внутреннюю пробирку прибора помещают термометр так, чтобы его конец отстоял от дна пробирки на 1 см. Нагревание проводят сначала быстро, а затем регулируют его так, чтобы к моменту плавления была достигнута необходимая скорость подъема температуры, указанная ниже.

За 10° до ожидаемого начала плавления капиллярную трубку с веществом вносят в прибор, опуская ее на нитке или другим каким-либо способом, например быстро вынув термометр; прикрепляют к нему капиллярную трубку с веществом с помощью резинового колечка или тонкой проволоки и снова вносят в прибор. Капилляр помещают таким образом, чтобы запаянный конец его находился на уровне середины ртутного шарика термометра.

Продолжают нагревание со скоростью:

для веществ, плавящихся по методу 1, в зависимости от определяемой температуры;

0,5-1° в минуту при определении температуры плавления ниже 100°;

1-1,5° в минуту при определении температуры плавления от 100 до 150°;

1,5-2° в минуту при определении температуры плавления выше 150°.

Для веществ, плавящихся по методу 1а — 3±0,5° в минуту.

Проводят не менее двух определений; за температуру плавления принимают среднее значение нескольких определений, проведенных в одинаковых условиях и отличающихся друг от друга не более чем на 1°.

Метод 2. а) Для мягких веществ. Капиллярную трубку длиной 6 см и внутренним диаметром 1-2 мм, открытую с обоих концов, погружают в вещество так, чтобы оно заполнило нижнюю часть трубки и образовался слой высотой 10 мм.

б) Для твердых веществ. Испытуемое вещество расплавляют на бане при возможно более низкой температуре, хорошо перемешивают и набирают его в капиллярную трубку, как указано выше (см. метод 2а). Капилляр охлаждают при температуре не выше 10° в течение 24 часов или на льду в течение 2 часов. С заполненным тем или другим способом капилляром проводят определение температуры плавления по методу 1.

За температуру плавления принимают ту температуру, при которой столбик вещества становится жидким и поднимается в некоторых случаях по капилляру.

Необходимо проводить два определения и брать средний результат: расхождение между двумя определениями не должно превышать 1°.

Ни колба, ни пробирка во время определения не должны быть закрыты герметически.

Согласно Второму изданию Международной фармакопеи, небольшое количество мелко измельченного вещества сушат в вакуум-эксикаторе над силикагелем или пятиокисью фосфора в течение 24 часов или при температуре, указанной в фармакопейной статье.

Переносят высушенный порошок в капилляр и уплотняют порошок постукиванием капилляра о твердую поверхность таким образом, чтобы получить столбик вещества высотой около 3 мм. Вносят капилляр в баню, нагретую на 5° ниже ожидаемой температуры плавления, и регулируют подъем температуры на 1° в минуту, если это не указано отдельно. Капилляр должен быть помещен в баню таким образом, чтобы его закрытый конец находился посередине шарика ртути термометра.

Если нет специальных указаний, отмечают температуру, при которой вещество начинает образовывать капли или спадаться, и температуру, при которой вещество полностью расплавлено, на что указывает исчезновение твердой фазы.

К показаниям температуры прибавляют поправку на отклонение показаний термометра, применяемого в опыте, от показаний стандартного термометра (см. ниже раздел «Термометр»).

Если термометр, калиброванный на полное погружение, используется в условиях опыта частично погруженным, для определения поправки на выступающий столбик ртути необходим вспомогательный термометр. Эти два термометра должны помещаться в стеклянной трубке, укрепленной над поверхностью нагреваемой бани. В момент плавления вещества отмечают как показания основного, так и показания вспомогательного термометра, прикрепленного таким образом, чтобы шарик ртути его находился на половине расстояния между ожидаемой температурой плавления и поверхностью нагреваемой жидкости. Иногда отмечают среднюю температуру столбика ртути над жидкостью, заполняющей баню, т. е. температуру в средней точке выступающего столбика.

Поправка на выступающий столбик ртути определяется по формуле:

0,00015N(T-t),

где Т — температура основного термометра; t — температура вспомогательного термометра; N — длина столбика в градусах между поверхностью бани и шариком ртути вспомогательного термометра.

Термометры, калиброванные на частичное погружение, следует помещать в прибор точно по метке. Если средняя температура выступающего столбика термометра, используемого в опыте, отличается от температуры, при которой термометр был калиброван, необходимо вносить соответствующую поправку на разность температур. Для этой цели должны быть известны условия калибрования термометра. В этом случае поправку рассчитывают по приведенной выше формуле, в которой значение Т заменено на Т_с, что означает среднюю температуру выступающего столбика во время калибрования термометра.

Прибор для определения температуры плавления капиллярном способом по Чехословацкой фармакопее III издания состоит из металлического нагревательного элемента, сделанного преимущественно из алюминия в виде призмы со скошенными углами и с отверстиями для термометра и капилляра, а также с отверстием для наблюдения вещества в капилляре и ручки. Общий вид прибора в нескольких проекциях приведен на рис. 10. Для изоляции тепла прибор обвертывают асбестом.

В качестве источника тепла используют обычную горелку. Вещество в капилляре наблюдают

с помощью увеличительного стекла в проходящем дневном свете или в свете электрической лампы. Пока вещество остается твердым порошком, свет через горизонтальный канал виден очень слабо, но, когда вещество расплавлено, свет становится ярким.

Определение температуры плавления в капилляре используется для идентификации веществ в аптеке и является обязательным. В сомнительных случаях основной является температура, найденная по методу Кофлера под микроскопом и указанная в Чехословацкой фармакопее. В отдельном приложении к этой фармакопее приводится список температур плавления для капиллярного метода.

{mosimage}

Какие факторы влияют на определение температуры плавления капиллярным методом?

Теоретически чистое вещество должно иметь постоянную температуру плавления независимо от того, где и кем проводилось определение. Однако, подобно другим методам, определение температуры плавления подвержено на практике влиянию различных факторов.

Сюда могут относиться:

различие в образце, взятом для анализа, и в обработке, которой подвергается образец,

различие в приборах,

различие среди термометров,

изменение в скорости подъема температуры,

различие в комнатной температуре и, наконец, различие среди персонала, выполняющего определение, их методика и интерпретации температуры плавления.

Учет и оценка степени влияния всех факторов на результаты опыта являются важной частью определения температуры плавления.

26.05.2015

Характеристики твердого, жидкого и газообразного состояний

В разделах 1.3 и 2.5A3, мы отметили, что физические свойства конкретного вещества определяют его состояние при комнатной температуре. Если и его нормальная температура плавления, и его нормальное кипение температура ниже комнатной (20 ° C), при нормальной температуре вещество является газом. условия. Нормальная температура плавления кислорода составляет -218 ° C; его нормальное кипение точка -189 ° C.Кислород — это газ при комнатной температуре. Если нормальное плавление точка вещества ниже комнатной температуры, вещество является жидкостью при комнатная температура. Бензол плавится при 6 ° C и кипит при 80 ° C; это жидкость при комнатной температуре. Если и нормальная температура плавления, и нормальное кипение точки выше комнатной температуры, вещество твердое. Натрия хлорид плавится при 801 ° C и кипит при 1413 ° C. Хлорид натрия — твердое вещество под нормальные условия. Рисунок 9.1 иллюстрирует взаимосвязь между физическими состояние и нормальные температуры плавления и кипения.

A. Форма и объем
Твердое тело имеет фиксированную форму и объем, которые не меняются вместе с формой его контейнера.Рассмотрим камень и его размер и форма, независимо от того, куда вы его положите. Жидкость имеет постоянный объем, но ее форма соответствует форме емкости. Рассмотрим образец молока. Его объем остается неизменным, кладете ли вы его в блюдце для кошки или в стакан для себя; ясно, что его форма меняется, чтобы соответствовать форме контейнера. Газ меняет свою форму и объем, чтобы соответствовать форме и объему своего сосуда. Рассмотрим образец воздуха. Он заполнит пустую комнату, воздушный шар, шину или резиновый плот.Его форма и объем соответствуют форме и объему контейнера, в который он помещен. Рисунок 9.2 иллюстрирует эти моменты.

Б. Плотность
Плотность жидкостей и твердых веществ измеряется в граммах на миллилитр и граммах на кубический сантиметр, соответственно, и очень мало изменяется при изменении температуры образца.Газы имеют гораздо меньшую плотность, настолько низкую, что плотность газа измеряется в граммах на литр, а не в граммах на миллилитр. Плотность газа значительно меняется при изменении температуры газа. В таблице 9.1 показаны плотности трех обычных веществ, по одному в каждом из трех физических состояний, при двух разных температурах.

C. Сжимаемость
Объем твердого тела или жидкости не очень сильно меняется под давлением.Ты не может изменить объем кирпича, сжимая его, ни вы не можете сжать один литр жидкости в бутылку емкостью 0,5 л. Объем газа действительно сильно меняет справляться с давлением; Вы можете втиснуть баллон объемом 1,0 л в пространство объемом 0,5 л.

D. Выводы о межмолекулярной структуре
Постоянство формы и объема твердого тела предполагает, что его частицы (атомы, ионы или молекулы) удерживаются вместе довольно жесткими связями. Изменяемая форма и постоянный объем жидкости предполагают, что между ее частицы, но эти связи не жесткие и, вероятно, менее прочны, чем те в твердом.Тот факт, что газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объем предполагает, что нет никаких связей и только очень незначительные взаимодействующие силы между частицами газа. Разнообразие сжимаемости предполагает другие гипотезы. Если твердые тела и жидкости нельзя сжать, частицы которых они должны быть составлены очень близко друг к другу. Высокая сжимаемость газ подразумевает, что частицы газа очень далеко друг от друга и пространства между ними.Эта последняя гипотеза подтверждается различием между плотности твердых тел и жидкостей и плотности газов. Один мл твердое или жидкое вещество всегда имеет массу намного больше, чем один миллилитр газа.

12,5: плавление, замораживание и сублимация

Цели обучения

• Определите плавление, замораживание и сублимацию.

В зависимости от окружающих условий нормальное вещество обычно существует в виде одной из трех фаз : твердой, жидкой или газовой.

Фазовое изменение — это физический процесс, в котором вещество переходит из одной фазы в другую. Обычно изменение происходит при добавлении или удалении тепла при определенной температуре, известной как точка плавления или точка кипения вещества. Точка плавления — это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое (или из жидкости в твердое). Точка кипения — это температура, при которой вещество переходит из жидкости в газ (или из газа в жидкость). Характер фазового перехода зависит от направления теплопередачи.Тепло, переходящее в вещество , превращает его из твердого тела в жидкость или из жидкости в газ. Удаление тепла из вещество превращает газ в жидкость или жидкость в твердое тело.

Следует подчеркнуть два ключевых момента. Во-первых, при температуре плавления или кипения вещества могут существовать две фазы одновременно. Возьмем, к примеру, воду (H ₂ O). По шкале Цельсия H ₂ O имеет точку плавления 0 ° C и точку кипения 100 ° C. При 0 ° C твердая и жидкая фазы H ₂ O могут сосуществовать.Однако при добавлении тепла часть твердого H ₂ O расплавится и превратится в жидкость H ₂ O. Если отвести тепло, произойдет обратное: часть жидкого H ₂ O превратится в твердый H ₂ O. Аналогичный процесс может происходить при 100 ° C: добавление тепла увеличивает количество газообразного H ₂ O, а удаление тепла увеличивает количество жидкого H ₂ O (Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).

Во-вторых, температура вещества не меняется при переходе вещества из одной фазы в другую. Другими словами, фазовые переходы являются изотермическими (изотермический означает «постоянная температура»). Снова рассмотрим H ₂ O в качестве примера. Твердая вода (лед) может существовать при 0 ° C. Если к льду добавить тепло при 0 ° C, часть твердого вещества изменит фазу, превратившись в жидкость, которая также имеет температуру 0 ° C.Помните, что твердая и жидкая фазы H ₂ O могут сосуществовать при 0 ° C. Только после того, как все твердое вещество превратилось в жидкость, добавление тепла изменяет температуру вещества.

Для каждого фазового превращения вещества существует характерное количество тепла, необходимое для выполнения фазового превращения на грамм (или на моль) материала. Теплота плавления (Δ H _fus ) — это количество тепла на грамм (или на моль), необходимое для фазового перехода, происходящего при температуре плавления.Теплота парообразования (Δ H _vap ) — это количество тепла на грамм (или на моль), необходимое для фазового превращения, которое происходит при температуре кипения. Если вам известно общее количество граммов или молей материала, вы можете использовать Δ H _fus или Δ H _vap , чтобы определить общее тепло, передаваемое для плавления или затвердевания, используя следующие выражения:

\ [\ text {heat} = n \ times ΔH_ {fus} \ label {Eq1a} \]

, где \ (n \) — количество молей, а \ (ΔH_ {fus} \) выражается в энергии / моль или

\ [\ text {heat} = m \ times ΔH_ {fus} \ label {Eq1b} \]

где \ (m \) — масса в граммах, а \ (ΔH_ {fus} \) выражается в энергии на грамм.

Для кипения или конденсации используйте следующие выражения:

\ [\ text {heat} = n \ times ΔH_ {vap} \ label {Eq2a} \]

, где \ (n \) — количество моль), а \ (ΔH_ {vap} \) выражается в энергии / моль или

\ [\ text {heat} = m \ times ΔH_ {vap} \ label {Eq2b} \]

где \ (m \) — масса в граммах, а \ (ΔH_ {vap} \) выражается в энергии на грамм.

Помните, что фазовый переход зависит от направления теплопередачи. При передаче тепла твердые вещества становятся жидкими, а жидкости становятся твердыми при температурах плавления и кипения соответственно.Если тепло передается, жидкости затвердевают, а газы конденсируются в жидкости.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Сколько тепла необходимо, чтобы растопить 55,8 г льда (твердый H ₂ O) при 0 ° C? Теплота плавления H ₂ O составляет 79,9 кал / г.

Решение

Мы можем использовать соотношение между теплотой и теплотой плавления (уравнение \ (\ PageIndex {1} \) b), чтобы определить, сколько джоулей тепла необходимо, чтобы растопить этот лед:

\ [\ begin {align *} \ text {heat} & = m \ times ΔH_ {fus} \\ [4pt] & = (55.8 \: \ cancel {g}) \ left (\ dfrac {79.9 \: cal} {\ cancel {g}} \ right) = 4,460 \: cal} \ end {align *} \]

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Сколько тепла необходимо для испарения 685 г H ₂ O при 100 ° C? Теплота испарения H ₂ O составляет 540 кал / г.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) перечисляет значения теплоты плавления и испарения некоторых распространенных веществ. Обратите внимание на единицы измерения этих величин; Когда вы используете эти значения при решении проблем, убедитесь, что другие переменные в вашем расчете выражены в единицах, соответствующих единицам измерения удельной теплоты или теплоты плавления и испарения.

Взгляд поближе: сублимация

Существует также фазовый переход, когда твердое вещество переходит непосредственно в газ:

\ [\ text {solid} \ rightarrow \ text {gas} \ label {Eq3} \]

Это изменение фазы называется сублимацией . Каждое вещество имеет характерную теплоту сублимации, связанную с этим процессом. Например, теплота сублимации (Δ H _sub ) H ₂ O составляет 620 кал / г.\ circ C} CO_2 (g)} \ label {Eq4} \]

Твердый диоксид углерода называется сухим льдом, потому что он не проходит через жидкую фазу. Вместо этого он идет прямо в газовую фазу. (Углекислый газ может существовать в виде жидкости, но только под высоким давлением.) Сухой лед имеет множество практических применений, включая долгосрочное хранение медицинских образцов.

Даже при температуре ниже 0 ° C твердый H ₂ O будет медленно возгоняться. Например, тонкий слой снега или инея на земле может медленно исчезнуть по мере сублимации твердого H ₂ O, даже если внешняя температура может быть ниже точки замерзания воды.Точно так же кубики льда в морозильной камере со временем могут стать меньше. Хотя твердая вода заморожена, она медленно сублимируется, оседая на более холодных охлаждающих элементах морозильной камеры, что требует периодического размораживания (морозильные камеры без обледенения минимизируют это повторное отложение). Снижение температуры в морозильной камере уменьшит потребность в частом размораживании.

При аналогичных обстоятельствах вода также выделяется из замороженных продуктов (например, мяса или овощей), придавая им непривлекательный вид с крапинками, называемый ожогом при заморозке.На самом деле это не «ожог», и еда не обязательно испортилась, хотя выглядит неаппетитно. Ожог при замораживании можно свести к минимуму, снизив температуру в морозильной камере и плотно обернув продукты, чтобы у воды не было места для сублимации.

Точка плавления

Твердые тела похожи на жидкости в том, что оба являются конденсированными состояниями с частицами, которые расположены гораздо ближе друг к другу, чем частицы газа. Однако, в то время как жидкости жидкие, твердые тела — нет. Частицы большинства твердых веществ плотно упакованы и упорядочены.Движение отдельных атомов, ионов или молекул в твердом теле ограничено колебательным движением вокруг фиксированной точки. Твердые тела почти полностью несжимаемы и являются наиболее плотными из трех состояний материи.

Когда твердое тело нагревается, его частицы вибрируют быстрее, поскольку твердое тело поглощает кинетическую энергию. В конце концов, организация частиц внутри твердой структуры начинает разрушаться, и твердое тело начинает плавиться. Точка плавления — это температура, при которой твердое вещество превращается в жидкость.\ text {o} \ text {C} \).

\ [\ ce {H_2O} \ left (s \ right) \ rightleftharpoons \ ce {H_2O} \ left (l \ right) \]

Мы склонны думать о твердых телах как о материалах, которые тверды при комнатной температуре. Однако все материалы имеют ту или иную температуру плавления. Газы становятся твердыми при очень низких температурах, а жидкости также становятся твердыми, если температура достаточно низкая. В таблице ниже приведены температуры плавления некоторых распространенных материалов.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

1. Объясните, что происходит, когда тепло течет внутрь вещества или выходит из него при его температуре плавления или кипения.
2. Как количество тепла, необходимое для фазового перехода, соотносится с массой вещества?

Ответьте на

На изменение фазы идет энергия, а не температура.

Ответ б

Количество тепла на грамм вещества постоянно.

Сводка

• Есть изменение энергии, связанное с любым изменением фазы.
• Сублимация — это изменение состояния с твердого на газ без перехода через жидкое состояние.
• Осаждение — это изменение состояния от газа к твердому.
• Двуокись углерода — это пример материала, который легко подвергается сублимации.
• Точка плавления — это температура, при которой твердое вещество превращается в жидкость.
• Межмолекулярные силы оказывают сильное влияние на температуру плавления.

Материалы и авторство

Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

• Фонд CK-12 Шэрон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

Изменяющееся состояние — Плавление | Глава 2: Состояния материи

Таяние — Энциклопедия Нового Света

В физике и химии плавление — это процесс преобразования твердого вещества в жидкую форму, обычно путем нагревание вещества до температуры, называемой его точкой плавления .В обратном процессе, называемом замораживание , жидкое вещество охлаждается до температуры, называемой точкой замерзания , когда оно переходит в твердую форму. Температура плавления и точка замерзания обычно совпадают.

Плавление или замерзание вещества известно как фазовый переход или фазовый переход . Химически вещество остается прежним, но его физическое состояние (или «фаза») изменяется. В отличие от точки кипения вещества, его точка плавления относительно нечувствительна к давлению.

Наши знания о плавлении и замораживании можно применять по-разному. Например, чистоту многих твердых соединений можно определить, проверив их температуры плавления. Кроме того, замораживание — это знакомый метод сохранения продуктов. Плавление твердого вещества, такого как кусок металла или пластмассы, является чрезвычайно ценным средством придания ему желаемой формы. Приготовление сплавов включает соединение металлов после их плавления. Учитывая смесь нескольких веществ в твердом состоянии, плавление — это способ, с помощью которого некоторые из этих веществ могут быть отделены от других (с более высокими температурами плавления).Материалы с высокими температурами плавления ценны для изготовления продуктов, которые должны выдерживать высокие температуры.

Сравнение плавления и замерзания

В большинстве случаев точка плавления вещества равна его температуре замерзания. Например, точка плавления и точка замерзания элемента ртути составляет 234,32 Кельвина (K) (-38,83 ° C или -37,89 ° F).

Некоторые вещества, напротив, обладают разными температурами перехода твердое тело-жидкость. Например, агар плавится при 85 ° C (185 ° F) и затвердевает от 32 ° C до 40 ° C (89.От 6 ° F до 104 ° F) — этот процесс известен как «гистерезис». Некоторые материалы, такие как стекло, могут затвердевать без кристаллизации; они называются «аморфными» твердыми телами.

Температура плавления воды при давлении в 1 атмосферу составляет 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), также известная как точка льда . В присутствии зародышеобразователей ^[1] , таких как частицы пыли, точка замерзания воды совпадает с точкой плавления. С другой стороны, в отсутствие таких агентов вода может быть переохлаждена до -42 ° C (-43.6 ° F, 231 K), прежде чем он замерзнет. Поскольку зародышеобразователи обычно присутствуют в окружающей среде, дождевая вода и водопроводная вода обычно замерзают при температуре плавления чистой воды (или близкой к ней).

Кроме того, если вещество быстро охлаждается под воздействием криогенных (чрезвычайно низких) температур, оно замерзнет ниже точки плавления. Этот процесс известен как «мгновенное замораживание».

Примеси влияют на точку плавления

Если вещество содержит небольшое количество примесей, его точка плавления (и точка замерзания) становится ниже, чем у чистого вещества.Чем больше количество примесей, тем ниже температура плавления. В конце концов, при определенном составе смеси будет достигнута минимальная температура плавления. На этой стадии говорят, что смесь находится в «эвтектической точке», или ее называют «эвтектической смесью».

Некоторые примеры

• Углерод не плавится при атмосферном давлении, но сублимируется (переходит из твердого состояния непосредственно в газообразное) примерно при 4000 К. Жидкая фаза существует только при давлениях выше 10 мегапаскалей (МПа) и давлении расчетная температура 4300–4700 К.

• Карбид гафния тантала (Ta ₄ HfC ₅ ) представляет собой тугоплавкое соединение с очень высокой температурой плавления 4488 K (4215 ° C, 7619 ° F). ^[2]

• С другой стороны, гелий вообще не замерзает при нормальном давлении, даже при температурах бесконечно близких к абсолютному нулю (0 K). Для его замерзания необходимо давление, превышающее нормальное атмосферное давление более чем в 20 раз.

Скрытая теплота плавления

Если твердое вещество нагреть, его температура будет повышаться до тех пор, пока оно не достигнет точки плавления.При подаче дополнительного тепла вещество начинает плавиться, а температура остается прежней, пока материал не расплавится полностью.

Количество тепла, поглощаемое 1 граммом вещества при его температуре плавления при переходе из твердого состояния в жидкое, называется скрытой теплотой плавления или энтальпией плавления (символ: ΔfusH {\ displaystyle \ Delta {} _ {fus} H}). Например, скрытая теплота плавления льда составляет примерно 80 калорий на грамм.Это означает, что 1 грамм льда при температуре плавления (0 ° C) поглотит 80 калорий тепла, прежде чем полностью растает.

Для обратного процесса, когда 1 грамм того же вещества в жидком состоянии замораживается до твердого состояния, выделяется такое же количество тепла.

Приложения

• Точки плавления часто используются для характеристики соединений и определения их чистоты.

• Учитывая, что лед имеет относительно высокую скрытую теплоту плавления (отмеченную выше), он полезен для охлаждения, то есть для охлаждения теплых предметов и поддержания их при низкой температуре.

• Плавление твердого вещества — чрезвычайно ценный способ изменения формы твердого тела. Это часто происходит, когда металлам и пластмассам придают новые формы.

• Если имеется смесь нескольких твердых веществ, плавление — это способ, с помощью которого одни вещества (с более низкими температурами плавления) могут быть отделены от других (с более высокими температурами плавления).

• Приготовление сплавов включает плавление металлов, их комбинирование, когда они находятся в расплавленном состоянии, а затем предоставление им возможности затвердеть.

• Материалы с высокой температурой плавления ценны для изготовления продуктов, которые должны выдерживать высокие температуры. Например, вольфрам с его чрезвычайно высокой температурой плавления используется в нити для ламп накаливания.

Другие значения плавления и замораживания

• В генетике плавление ДНК означает разделение двухцепочечной ДНК на две одноцепочечные цепи путем нагревания или воздействия химических веществ.

• В биологии замораживание — это реакция животного на вызывающую страх ситуацию, позволяющую ему оставаться незамеченным хищником и готовить реакцию «бей или беги».

Справочные значения

Теплота плавления воды составляет 79,72 калорий на грамм или 334,5 джоулей на грамм. Теплота плавления некоторых других распространенных веществ приведена в таблице ниже.

См. Также

Примечания

1. ↑ Зародышевый агент для замораживания или кристаллизации — это то, что дает крошечные «зародыши» (такие как частицы пыли или мельчайшие кристаллы), которые способствуют началу процесса фазового перехода .
2. ↑ Запись о гафнии на Britannica.com
3. ↑ Лиде, Дэвид Р. (ред.). CRC Справочник по химии и физике , 62-е издание. Обновленное 85-е издание, 2005 г. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 0849304865

Ссылки

• Kleinert, Hagen. Калибровочные поля в конденсированных средах , Vol. II, «Напряжения и дефекты; дифференциальная геометрия, плавление кристаллов», стр. 743-1456. Сингапур: World Scientific, 1989. ISBN 9971502100. онлайн. Проверено 13 октября 2014 года.
• Лиде, Дэвид Р. (ред.). CRC Справочник по химии и физике . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2005. ISBN 0849304865

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства.Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна для исследователей здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. могут применяться ограничения на использование отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Chemistry Online @ UTSC

Определение точки плавления

Точка плавления вещества — это температура, при которой кристаллический вещества переходят из твердого в жидкое состояние. В процессе плавления вся энергия, добавленная к веществу, расходуется в виде теплоты плавления, и температура остается постоянной. Чистое вещество плавится при точно определенной температура, характерная для каждого кристаллического вещества.С чистым вещества, температура плавления — самый быстрый и доступный метод для химик-органик для подтверждения идентичности соединения. Кроме того, он может также может использоваться как способ оценки чистоты продукта путем сравнения измеренных температуры плавления до известных литературных значений. В точке плавления твердая и жидкая фаза находятся в равновесии. Таким образом, температура плавления зависит от по давлению и обычно сообщается при стандартном давлении.

Инструкции:

В УТСК оборудование Используемая для измерения температуры плавления называется «Система точки плавления MP50». В Аппарат состоит из четырех прорезей для пробирок, в которых вещества могут быть проверены как а также экран, на котором люди могут настраивать ключевые критерии в отношении их сущность.

Прежде всего, вы бы возьмите образец твердого вещества из мешка для образцов или из неизвестного образца, который было дано вам вашим TA, и, используя капиллярную трубку, получите небольшой количество мелкого порошка, осторожно прокручивая трубку через вещество.

Если ваш продукт частицы слишком велики, чтобы поместиться в капиллярную трубку, поместите их в ступку и растолочь в мелкий порошок.

Во-вторых, чтобы понизить вещества на дно пробирки, либо постучите по закрытому концу капилляра. энергично поставьте трубку на стол или опустите трубку в длинный прозрачный пластик. трубку и позвольте ей подпрыгивать на скамейке.Убедитесь, что есть примерно 3 мм образца внутри пробирки.

Затем нажмите метод значок на машине MP50 в соответствии с указаниями вашего технического специалиста.

Затем вставить капиллярную трубку в держатель образца машины. Нажми на старт и дождитесь появления на экране точки плавления.Вы можете просмотреть ваш капилляр и твердое тело тают на экране машины.

Запись плавления точку вашего вещества в записной книжке и очистите экран, нажав кнопку «Домой» для следующего ученика. Найдя значение точки плавления, перейти к сравнению с задокументированными известными значениями температуры плавления.Это поможет вы в определении того, какое соединение у вас есть. Машина обычно дает вам диапазон температуры плавления, с начальным значением, когда твердое вещество начинает расплав, и конечное значение, когда все твердое тело расплавится. Обязательно записать эти числа как диапазон для определения вашей точки плавления.

Как только у вас будет точку плавления и определить, какое у вас соединение, вы можете продолжить завершите анализ лаборатории.Исходя из полученной температуры плавления, вы можете определите, есть ли в вашем образце какие-либо примеси. Если ваша точка плавления намного ниже и в более широком диапазоне, чем литературные значения, примеси присутствуют в ваш образец. Это может быть связано с экспериментальными ошибками, которые произошли в вашем эксперимент. Обязательно обратите внимание на эти наблюдения при обсуждении в вашей лаборатории. ноутбук.

фазовых переходов: плавление, кипение и сублимация

10.2-фазные переходы: плавление, кипение и сублимация

Цели обучения

1. Опишите, что происходит во время смены фазы.
2. Рассчитайте изменение энергии, необходимое для изменения фазы.

Вещества могут менять фазу — часто из-за изменения температуры. При низких температурах большинство веществ твердые; при повышении температуры они становятся жидкими; еще при более высоких температурах они становятся газообразными.

Процесс превращения твердого тела в жидкость называется плавлением. Процесс превращения твердого тела в жидкость. (более старый термин, который вы иногда можете встретить, — fusion ). Противоположный процесс, когда жидкость становится твердым телом, называется отверждением. Процесс превращения жидкости в твердое тело. Для любого чистого вещества температура, при которой происходит плавление, известная как точка плавления. Характерная температура, при которой твердое вещество становится жидкостью. является характеристикой этого вещества. Чтобы твердое вещество превратилось в жидкость, требуется энергия.Каждое чистое вещество имеет определенное количество энергии, необходимое для перехода из твердого состояния в жидкое. Это количество называется энтальпией плавления (или теплотой плавления). Количество энергии, необходимое для перехода от твердого тела к жидкости или от жидкости к твердому. вещества, представленного как Δ H _fus . Некоторые значения Δ H _fus перечислены в таблице 10.2 «Энтальпии плавления различных веществ»; предполагается, что эти значения относятся к температуре плавления вещества.Обратите внимание, что единица измерения Δ H _fus — килоджоули на моль, поэтому нам нужно знать количество материала, чтобы знать, сколько энергии задействовано. Δ H _fus всегда указывается в таблице как положительное число. Однако его можно использовать как для процессов плавления, так и для процессов затвердевания, если вы помните, что плавление всегда эндотермическое (поэтому Δ H будет положительным), в то время как затвердевание всегда будет экзотермическим (поэтому Δ H будет отрицательный).

Таблица 10.2 Энтальпии плавления различных веществ

Пример 2

Каково изменение энергии при плавлении 45,7 г H ₂ O при 0 ° C?

Решение

Δ H _fus H ₂ O составляет 6,01 кДж / моль.Однако наше количество дано в граммах, а не в молях, поэтому первым шагом является преобразование граммов в моль, используя молярную массу H ₂ O, которая составляет 18,0 г / моль. Тогда мы можем использовать Δ H _fus в качестве коэффициента преобразования. Поскольку вещество плавится, процесс эндотермический, поэтому изменение энергии будет иметь положительный знак.

Без знака число считается положительным.

Проверьте себя

Каково изменение энергии, когда 108 г C ₆ H ₆ замерзают при 5.5 ° С?

Ответ

−13,8 кДж

При плавлении энергия идет исключительно на изменение фазы вещества; это не влияет на изменение температуры вещества. Следовательно, плавление — это изотермический процесс, который не изменяет температуру. процесс, потому что вещество остается при той же температуре. Только когда все вещество расплавлено, дополнительная энергия уходит на изменение его температуры.

Что происходит, когда твердое вещество становится жидкостью? В твердом теле отдельные частицы застревают на месте, потому что межмолекулярные силы не могут быть преодолены за счет энергии частиц.Когда подается больше энергии (например, за счет повышения температуры), наступает момент, когда частицы имеют достаточно энергии, чтобы двигаться, но недостаточно энергии, чтобы разделиться. Это жидкая фаза: частицы все еще контактируют, но могут перемещаться друг вокруг друга. Это объясняет, почему жидкости могут принимать форму своих контейнеров: частицы перемещаются и под действием силы тяжести заполняют минимально возможный объем (если жидкость не находится в условиях невесомости — см. Рисунок 10.3 «Жидкости и гравитация»).

Фазовый переход между жидкостью и газом имеет некоторое сходство с фазовым переходом между твердым телом и жидкостью. При определенной температуре частицы в жидкости обладают достаточной энергией, чтобы стать газом. Процесс превращения жидкости в газ называется кипением (или испарением). Процесс превращения жидкости в газ., В то время как процесс превращения газа в жидкость называется конденсацией. Процесс превращения газа в жидкость. На процесс преобразования твердое тело / жидкость на процесс преобразования жидкость / газ заметно влияет окружающее давление на жидкость, потому что на газы сильно влияет давление.Это означает, что температура, при которой жидкость становится газом, точка кипения, характеристическая температура, при которой жидкость становится газом, может изменяться в зависимости от давления окружающей среды. Поэтому мы определяем нормальную точку кипения — характеристическую температуру, при которой жидкость становится газом, когда окружающее давление составляет ровно 1 атм. как температура, при которой жидкость превращается в газ, когда окружающее давление составляет ровно 1 атм, или 760 торр. Если не указано иное, предполагается, что точка кипения соответствует давлению 1 атм.

Подобно переходу между твердой / жидкой фазой, переход жидкость / газ включает в себя энергию. Количество энергии, необходимое для преобразования жидкости в газ, называется энтальпией испарения. Количество энергии, необходимое для перехода от жидкости к газу или от газа к жидкости. (или теплота испарения), представленная как Δ H _vap . Некоторые значения Δ H _vap перечислены в таблице 10.3 «Энтальпии испарения для различных веществ»; предполагается, что эти значения относятся к нормальной температуре кипения вещества, которая также указана в таблице.Единица измерения Δ H _vap — это также килоджоули на моль, поэтому нам нужно знать количество материала, чтобы знать, сколько энергии требуется. Δ H _vap также всегда указывается в таблице как положительное число. Его можно использовать как для процессов кипения, так и для процессов конденсации, если вы помните, что кипение всегда эндотермическое (поэтому Δ H будет положительным), в то время как конденсация всегда будет экзотермической (поэтому Δ H будет отрицательным). .

Таблица 10.3 энтальпии испарения различных веществ

Пример 3

Каково изменение энергии при конденсации 66,7 г Br ₂ (г) в жидкость при 59,5 ° C?

Решение

Δ H _vap Br ₂ составляет 15.4 кДж / моль. Несмотря на то, что это процесс конденсации, мы все равно можем использовать числовое значение Δ H _vap , если мы понимаем, что мы должны отнимать энергию, поэтому значение Δ H будет отрицательным. Чтобы определить величину изменения энергии, мы должны сначала преобразовать количество Br ₂ в моль. Тогда мы можем использовать Δ H _vap в качестве коэффициента преобразования.

Поскольку процесс является экзотермическим, фактическое значение будет отрицательным: Δ H = −6.43 кДж.

Проверьте себя

Каково изменение энергии при кипении 822 г C ₂ H ₅ OH (ℓ) при нормальной температуре кипения 78,3 ° C?

Ответ

689 кДж

Как и при плавлении, энергия при кипении идет исключительно на изменение фазы вещества; это не влияет на изменение температуры вещества. Так что кипячение — это тоже изотермический процесс. Только когда все вещество закипело, дополнительная энергия уходит на изменение его температуры.

Что происходит, когда жидкость становится газом? Мы уже установили, что жидкость состоит из соприкасающихся друг с другом частиц. Когда жидкость становится газом, частицы отделяются друг от друга, и каждая частица движется в космосе своим путем. Вот как газы наполняют свои контейнеры. Действительно, в газовой фазе большая часть объема — это пустое пространство; только около 1/1000 объема фактически занято веществом (Рисунок 10.4 «Жидкости и газы»). Именно это свойство газов объясняет, почему они могут сжиматься, и этот факт рассматривается в главе 6 «Газы».

Рисунок 10.4 Жидкости и газы

В (а) частицы представляют собой жидкость; частицы контактируют, но также могут перемещаться друг вокруг друга. В (b) частицы представляют собой газ, и большая часть объема фактически представляет собой пустое пространство. Частицы не соответствуют масштабу; в действительности, точки, представляющие частицы, будут иметь размер примерно 1/100 от изображенного.

При некоторых обстоятельствах твердая фаза может переходить непосредственно в газовую фазу, минуя жидкую фазу, а газ может непосредственно становиться твердым.Преобразование твердого вещества в газ называется сублимацией. Процесс превращения твердого вещества в газ., В то время как обратный процесс называется осаждением. Процесс превращения газа в твердое тело. Сублимация является изотермической, как и другие фазовые переходы. Во время сублимации наблюдается измеримое изменение энергии; это изменение энергии называется энтальпией сублимации. Количество энергии, необходимое для перехода от твердого тела к газу или от газа к твердому телу, представлено как Δ H _sub . Соотношение между Δ H _sub и другими изменениями энтальпии выглядит следующим образом:

Таким образом, Δ H _sub не всегда табулируется, потому что его можно просто вычислить из Δ H _fus и Δ H _vap .

Есть несколько распространенных примеров сублимации. Хорошо известный продукт — сухой лед — на самом деле представляет собой твердый CO ₂ . Сухой лед является сухим, потому что он возгоняется, при этом твердое вещество, минуя жидкую фазу, переходит прямо в газовую фазу. Сублимация происходит при температуре −77 ° C, поэтому с ней нужно обращаться осторожно. Если вы когда-нибудь замечали, что кубики льда в морозильной камере со временем становятся меньше, это связано с тем, что твердая вода очень медленно сублимируется. «Морозный ожог» на самом деле не ожог; это происходит, когда определенные продукты, такие как мясо, медленно теряют твердую воду из-за сублимации.Еда по-прежнему хорошая, но выглядит неаппетитно. Уменьшение температуры морозильной камеры замедлит сублимацию твердой воды.

Химические уравнения можно использовать для представления фазового перехода. В таких случаях крайне важно использовать метки фаз на веществах. Например, химическое уравнение таяния льда с образованием жидкой воды выглядит следующим образом:

Никаких химических изменений не происходит; однако происходят физические изменения.

Ключевые выводы

• Фазовые изменения могут происходить между любыми двумя фазами материи.
• Все фазовые изменения происходят с одновременным изменением энергии.
• Все фазовые переходы изотермические.

Упражнения

1. В чем разница между плавлением и затвердеванием ?

2. В чем разница между кипящим и конденсационным ?

3. Опишите молекулярные изменения, когда твердое вещество становится жидкостью.

4. Опишите молекулярные изменения, когда жидкость становится газом.

5. Каково изменение энергии при плавлении 78,0 г Hg при -38,8 ° C?

6. Каково изменение энергии, когда 30,8 г алюминия затвердевают при 660 ° C?

7. Каково изменение энергии при кипении 111 г Br ₂ при температуре 59 ° C.5 ° С?

8. Каково изменение энергии при конденсации 98,6 г H ₂ O при 100 ° C?

9. Каждое из следующих утверждений неверно. Перепишите их, чтобы они были правильными.

   1. Изменение температуры при смене фазы.
   2. Процесс превращения жидкости в газ называется сублимацией.

10. Каждое из следующих утверждений неверно. Перепишите их, чтобы они были правильными.

    1. Объем газа содержит только около 10% вещества, а остальное — пустое пространство.
    2. Δ H _sub равно Δ H _vap .

11. Напишите химическое уравнение плавления элементарного натрия.

12. Напишите химическое уравнение затвердевания бензола (C ₆ H ₆ ).

13. Напишите химическое уравнение сублимации CO ₂ .

14. Напишите химическое уравнение кипения пропанола (C ₃ H ₇ OH).

16. Δ H _sub I ₂ составляет 60,46 кДж / моль, в то время как его Δ H _пара составляет 41,71 кДж / моль. Что такое Δ H _fus I ₂ ?

ответов

1. Плавление — это фазовый переход из твердого состояния в жидкое, тогда как затвердевание — это фазовый переход из жидкого состояния в твердое.

3. У молекул достаточно энергии, чтобы двигаться друг относительно друга, но недостаточно, чтобы полностью отделиться друг от друга.

9. 1. Температура не меняется при смене фазы.
   2. Процесс превращения жидкости в газ называется кипением; процесс превращения твердого тела в газ называется сублимацией.

Точка плавления — обзор

3.16.4.2.2 Статистические методы

МП являлась целью моделирования в течение долгого времени. Уже в 1881 году Миллс разработал модели QSPR для углеводородной цепи следующим образом: ¹³⁸

(34) MPK = βx / 1 + gx,

, где β и g являются константами для данного класса для достижения точности. предсказания менее 1 K и x — количество метильных групп. Этот результат указывает на то, что для некоторых конкретных классов химических веществ может быть достигнута высокая точность прогноза MP.К сожалению, высокая точность уравнения. (34) был очень частным случаем, и даже после 140 лет исследований такие высокоточные модели для различных соединений не существуют и фактически не могут быть разработаны, как анализируется позже.

Во второй половине прошлого столетия появилось большое количество статей, посвященных анализу других химических рядов, которые хорошо рассмотрел Дирден. ⁴⁴ В таких исследованиях часто участвовали несколько десятков, а иногда и несколько сотен соединений, сгруппированных по химическому классу, например, алканы, углеводороды, ПАУ (полициклические ароматические углеводороды), спирты, анилины и т. Д.Средние ошибки для неароматических соединений составляли ~ 20 К и увеличивались до ~ 30 К для ароматических углеводородов, то есть, указывая на то, что предсказание последних соединений было более трудным. Дескрипторы, используемые для химических рядов, часто включали несколько топологических индексов или других дескрипторов (например, физико-химические, квантово-химические и структурные), в то время как для больших разнообразных наборов, содержащих более тысячи соединений, использовались GC, структурные и часто поправочные коэффициенты. тоже.

Методы GC предполагают аддитивность моделируемого свойства по отношению к группам.Поскольку это предположение действительно не выполняется для MP, исследователи часто использовали поправочные коэффициенты для учета нелинейности. Например, Симамора и Ялковски использовали поправочные коэффициенты, учитывающие образование водородной связи и нарушение планарности бифенила присутствием заместителя (ей) в положениях 2,2 ‘, 6 или 6’, чтобы получить STDE = 38 K для 90 · 102 n. = 1690 соединений. Такая стратегия и развитие функциональных групп, нацеленных на МП, позволили авторам рассчитать гораздо более высокую точность по сравнению с методом ГХ Джобака и Рейда, ¹²¹ STDE = 69 K.Последний метод использовал одни и те же группы для нескольких свойств.

Комплексный ГХ, включающий три уровня описания молекул, был разработан Маернго и Гани. ¹³⁹ Группы первого порядка покрывают всю молекулу и не перекрываются. Группы второго и третьего порядка перекрывались и охватывали только определенные части молекул, таким образом улавливая взаимодействия внутри более крупных молекулярных фрагментов, чтобы лучше покрывать сложные полифункциональные молекулы. Фактически такие сложные группы играют роль корректирующих факторов.Этот метод позволил авторам рассчитать STDE = 28 K для n = 1547 соединений.

Есть только несколько исследований, опубликованных с большим набором данных о МП. Картикеян и др. ¹²³ проанализировал разнообразный набор с n = 4173 с использованием NN и различных наборов дескрипторов. Авторы обнаружили, что модели, разработанные с использованием 2D-дескрипторов, обеспечивают лучшую точность прогноза (RMSE = 48–50 K) по сравнению с моделями, основанными на 3D-индексах (RMSE = 55–56 K). Попытка улучшить модель за счет комбинации обоих наборов не улучшила результатов.Использование 3D-дескрипторов также не дало преимущества перед 2D для анализа МП ИЖ 717 бромидов азотсодержащих органических катионов. ¹⁴⁰ В этом исследовании несколько методов, таких как MLRA, частичные наименьшие квадраты (PLS), k-ближайшие соседи (kNN), NN и SVM, были проанализированы с использованием дескрипторов на основе фрагментов, ⁸⁸ индексов E-состояния, ¹⁴¹ и дескрипторы Dragon. ²⁵ При анализе производительности моделей для отдельных наборов более высокие ошибки вычислялись для более разнообразных.В то же время результаты зависели от использования методов машинного обучения: нелинейные методы, такие как NN и SVM, обеспечивали неизменно лучшие возможности прогнозирования.

При разработке модели важно также понимать, какие молекулярные свойства ответственны за снижение / увеличение MP. Исчерпывающий анализ с использованием MMP был выполнен для общедоступного набора Karthikeyan, а также для внутренних данных n = 746 соединений Schultes et al. ¹⁴² Авторы определили четыре основных фактора, влияющих на MP: количество доноров и акцепторов водородных связей, а также количество вращающихся связей и атомов галогена (I, Br и Cl).Чтобы исключить взаимные корреляции, анализ ММП проводился только для пар молекул, когда изменялся только один фактор. Количество водородных связей оказало наибольшее влияние, увеличивая MP примерно на 50 (30) К для домашнего (общественного) набора, соответственно. Увеличение количества акцепторов водорода на один способствовало увеличению MP на 22 (9) K, а увеличение количества вращающихся связей приводит к уменьшению MP на -17 (- 10) K. Это также интересно. что эффекты были более выражены для в данных , что показывает их более высокую согласованность.Добавление одного атома Br увеличивало MP на 47 (24) K. Значительное увеличение MP из-за добавления I (39) и Cl (7) также наблюдалось для общедоступного набора, но не могло быть сделано для внутреннего данные, из-за ограниченного количества MMP.

Две самые крупные модели прогнозирования МП были опубликованы Tetko et al. ^{143 , 144} Первая модель была основана на n = 47 000 соединений, собранных из базы данных OCHEM, ⁹⁹ химических соединений, предоставленных Enamine, набором данных Bergstrom MP для лекарств, ¹⁴⁵ и “Bradley ”Набор данных ¹⁴⁶ , содержащий дважды курируемые данные, собранные членами научного сообщества Open Notebook.Важным результатом этой статьи было обнаружение, что большинство данных о МП, имеющих фармацевтическое значение,> 90%, имеют МП в интервале от 50 ° C (323,15 K) до 250 ° C (523,15 K) (диапазон значений MP для лекарственных препаратов, Рис.16 ). Таким образом, в принципе, при разработке и тестировании моделей для использования в фармацевтике можно сосредоточиться на их характеристиках для этого температурного диапазона. Как и в исследовании Varnek et al. ¹⁴⁰ было продемонстрировано, что MP является нелинейным свойством: использование ассоциативных нейронных сетей и SVM позволило вычислить значительно меньшие ошибки по сравнению с использованием линейных методов.Этот набор был расширен за счет n = 225 000 соединений, добытых по патентам. Эти соединения также имели около 90% своих данных в подобной лекарственному средству области MP.

Рис. 16. Экспериментальные и расчетные ошибки модели консенсуса в зависимости от температуры MP для различных подмножеств. Линия экспериментальной точности построена на основе N = 18 058 разностей температур МП.

Ошибка окончательной модели консенсуса для данных о патентах точно соответствовала расчетной экспериментальной ошибке данных. Эта ошибка составила 33 K для диапазона MP, подобного лекарственному средству, и идеально соответствовала STDE = 32 K, рассчитанному с использованием экспериментальных данных. Для MP <50 ° C (323,15 K) та же модель рассчитала RMSE = 47 K и RMSE = 28 K для данных, полученных из патентов и набора Брэдли, соответственно.Опять же, большая разница в обеих ошибках связана с более высокой точностью данных в последнем наборе. Этот результат показал, что использованный подход (консенсусное моделирование) и дескрипторы были достаточными для прогнозирования MP до уровня точности экспериментальных данных. Таким образом, это противоречит заключению Hughes et al., ¹⁴⁷ , который объяснил низкую точность моделей для прогнозирования MP недостатком используемых дескрипторов.

Экспериментальная ошибка 33 К выглядит очень большой. Большинство экспериментальных измерений в патентах были представлены в виде интервалов со стандартным отклонением STDE = 3 K между обоими измерениями, которые можно использовать в качестве оценки заявленной экспериментальной точности измерений для отдельных экспериментов.Есть еще много аспектов, способствующих изменению измерений MP из-за подготовки образцов того же соединения, которые были хорошо резюмированы Preiss et al. ¹⁴⁸ в их анализе МП органических солей. Автор указал, что такие факторы, как загрязнение, полиморфизм, присутствие жидких и пластичных кристаллов и разложение, могут легко вносить изменения в десять градусов. Например, чистота соединений для скрининга HTS обычно составляет около 85–90%. Влияние загрязнения можно рассчитать следующим образом: ¹⁴⁸

(35) ΔMP = −MPmRΔSfus,

, где R — постоянная Авогадро, м — молярное количество загрязнителя, Δ S _fus — энтропия плавления целевого соединения.Уравнение показывает, что загрязнение сильнее влияет не только на соединения с более высоким MP, но и на соединения с более высокой молекулярной массой при том же массовом% загрязнения. Учитывая, что MP увеличивается с увеличением MW соединений, более высокие экспериментальные ошибки (снижение MP) можно ожидать для высоких значений MP. Более того, загрязняющие вещества с меньшей массой будут оказывать более сильное воздействие.