Температура плавления способ определения

Температура плавления: от чего зависит, как характеризуется и другое

Содержание:

Температура плавления – состояние, при котором твердое кристаллическое тело приобретает свойства жидкости. Она представляет собой границу между жидкостью и твердым веществом. Обозначение температуры плавления – t. При дальнейшем нагревании системы вещество переходит в жидкость, а при охлаждении – в твердое вещество.

От чего зависит температура плавления?

Как определить температуру плавления?

Существует несколько методов экспериментального определения температуры плавления.

1. Капиллярный способ
   Измельченное твердое вещество необходимо поместить в капилляр с открытым концом. Капилляр нагревают в таких условиях, чтобы тонкое стекло не лопнуло. Когда все вещество переходит в жидкую фазу, температуру фиксируют.
2. Открытый капиллярный метод
   Этот способ схож с предыдущим, но вместо закрытого капилляра используют открытый.
3. Мгновенное плавление
   На металлический блок, нагретый до температуры на 10°С ниже справочной температуры плавления, кладут измельченные порции сухого вещества. Регулируют нагревание так, чтобы градус повышался на 1°С в минуту. Затем записывают изначальную температуру t₁, при которой вещество приобретает свойства жидкости сразу после контакта с блоком. После нахождения данной величины нагревание приостанавливают и очищают место соприкосновения блока и вещества. При постепенном охлаждении продолжают класть на блок порции вещества. Таким образом устанавливают конечную температуру t₂, при которой вещество перестает плавиться.

Формула определения температуры плавления по методу «мгновенного плавления»:

Для определения температуры плавления твердых веществ, которые быстро превращаются в порошок, используют методы №1 и №3, а для аморфных веществ, плавящихся при температуре ниже 100°С, — метод №2.

Температуру плавления нельзя определить теоретическим путем с помощью формул. Ознакомиться с ней можно в специальном химическом справочнике.

Температура плавления и кипения

Рекордсмены по температуре плавления

Самую низкую температуру плавления имеет химический элемент под вторым порядковым номером в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева. Гелий начинает плавиться при -272°С. Также он обладает самой низкой температурой кипения — -268°С.

Наиболее высокую температуру плавления имеет вещество графит – аллотропная модификация углерода. Он начинается плавиться при +3000°С. Другое аллотропное состояние углерода – алмаз. Это твердое вещество начинает плавиться при 3500°С.

Источник

7.8. Определение температуры плавления. Часть 1

Температура плавления вещества — это температура фазового перехода твердая фаза ↔ расплав. Ее определяют как при плавлении вещества, так и при кристаллизации расплава.

Наиболее точным методом определения температуры плавления является метод термического анализа, основанный на измерении зависимости температуры нагреваемого вещества от времени при строго постоянной скорости нагревания или охлаждения. При этом не требуется непосредственное наблюдение за веществом. Метод в равной степени можно применять для определения как наиболее низких, так и очень высоких температур плавления. Метод заключается в построении кривых нагревания или охлаждения в координатах температура вещества -время по данным визуального отсчета температуры или непосредственной записи кривых на саморегистрирующих приборах (пирометры, дериватографы и др.).

Рекомендуется сначала понаблюдать за поведением исследуемого вещества на кончике шпателя в пламени газовой горелки: не разлагается ли оно до плавления, не взрывается ли, при какой примерно температуре плавится.

Термический анализ с визуальным отсчетом температуры. Исследуемое вещество помещают в тигель 3 (рис. 143, а) или сосуд Степанова (см. рис. 122), которые затем располагают в тигельной печи 2. В центр навески вещества устанавливают термопару 4 в защитном кварцевом чехле, а свободные концы термопары, связанные с компенсационными проводами, погружают в сосуд Дьюара 5 с ледяной кашицей и соединяют с милливольтметром 6. Выполнив все эти операции, включают нагрев тигельной печи 2 через автотрансформатор 1 для регулирования скорости нагревания и через некоторое время начинают отмечать по секундомеру показания милливольтметра 6, проградуированного в градусах Цельсия. Показания милливольтметра записывают через равные промежутки времени (20 — 30 с). По полученным записям строят график температура — время (рис. 143, б, г, д).

Если вещество плавится, то на графике t = f(x) появляется площадка того или иного размера (кривая 1, рис. 143, б). Когда термопара расположена между стенкой тигля и веществом, то на кривой нагревания 2 вместо плащадки появляется излом.

Рис. 143. Схема установки для определения температуры плавления вещества методом простого термического анализа (с). Кривые нагревания (б, г, д) и охлаждения (в)

При кристаллизации расплава производят такие же измерения и получают кривые охлаждения (рис. 143, в). Площадка на кривой / охлаждения расплава отвечает температуре его кристаллизации, равной температуре плавления выделяющегося вещества. В случае переохлаждения расплава начало его кристаллизации несколько запаздывает и на кривой охлаждения перед площадкой т — п появляется небольшое углубление, тем большее, чем значительнее переохлаждение расплава.

Явление переохлаждения свойственно многим вещества поэтому график t = f(τ) лучше строить не по кривым охлаждения, а по кривым нагревания. К тому же охлаждение расплав трудно регулируемо.

Рис. 144. Схема установки для дифференциально-термического анализа (а) и вид кривых нагревания (б):

а. I — тигельная печь; 2 — тигель с эталонным веществом; 3 -комбинированная термопара; 4 — тигель с образцом; R1 и R2 — магазины сопротивлений; Г1 и Г2 — гальванометры; С1, С2 и С3 _ холодные спаи термопар

Когда расплав охлаждается быстро, то переохлаждение может стать настолько большим, что участок m — n (рис. 143, в) окажется ниже площадки, отвечающей температуре плавления взятого вещества.

Размер площадки на кривых нагревания и охлаждения зависит главным образом от значения внутренней энергии, полученной или выделенной веществом в форме теплоты при фазовом переходе. Чем больше значение теплоты, тем длиннее будет площадка, тем точнее будет определена температура плавления вещества. Точность измерения таким методом в значительной мере зависит также и от скорости нагревания или охлаждения исследуемого вещества. При большой скорости подвода или отвода теплоты площадка на кривой нагревания может стать очень малой (рис. 143, г) и даже превратиться в излом на кривой нагревания (рис. 143, д), к тому же при увеличении скорости нагревания или охлаждения возрастает погрешность в отсчете температуры.

В большинстве случаев скорость нагревания выбирают в интервале 5-10 град/мин, руководствуясь величиной навески вещества. Как правило, применение меньших навесок позволяет Увеличить скорость нагревания, правда, площадка при этом будет меньше, но с более резкими углами отходящих от нее кривых (рис. 143, г). Если вещество содержит примеси или образующийся расплав является очень вязким, то вместо горизонтальной площадки на кривой нагревания появляется наклонная площадка (рис. 143, д).

В дифференциально-термическом анализе (аббревиатура ДТА) применяют комбинированную термопару 3 (рис. 144, а), спаи которой C1, С2 и С3 погружают в сосуд Дьюара с ледяной крошкой (t = О °С). К концам холодных спаев С1 припаивают три медных гибких провода, которые присоединяют к гальванометрам Г1 и Г2. Для фотозаписи кривых, передающих сигналы от гальванометров, применяют приборы, называемые пирометрами (типы ПК, ФПК, НТР и др.). Вместо гальванометров для записи кривых изменения температуры 2 (рис. 144, б) и разности температур .образца и эталонного вещества используют также электронный двухточечный самописец.

На рис. 144, б приведен вид кривых записи сигналов от гальванометров Г1 (кривая 1) и гальванометра Г2 (кривая 2). Пересечение вертикальной и горизонтальной линий, проходящих соответственно через минимум кривой 1 и площадку кривой 2 дает точку 3, более точно указывающую значение температуры плавления вещества.

Определение температуры плавления вещества капиллярным методом. Этот метод пригоден только для тех веществ, температуры плавления которых меньше 300 °С. Для наблюдения за температурой плавления вещества применяют сухие, чистые, тонкостенные капилляры с внутренним диаметром 0,5 — 1,0 мм и длиной 60 — 80 мм. Открытый конец капилляра должен иметь несколько больший диаметр в виде небольшой воронки для введения исследуемого вещества.

Для заполнения капилляра его открытый конец погружают в тонкий порошок исследуемого вещества, предварительно высушенный, и, перевернув капилляр открытым концом вверх, постукиванием пальцем добиваются, чтобы порошок, попавший в капилляр, сместился в нижнюю его часть, к заплавленному концу. Затем для уплотнения порошка в капилляре его перед очередным заполнением осторожно бросают запаянным концом вниз в стеклянной трубке длиной 30 — 40 см и диаметром 10 — 15 мм. Трубку устанавливают вертикально на плотном кар тоне или куске фторопласта. Высота столбика порошка в капилляре должна быть около 2-3 мм. Температуры плавления гигроскопичных и возгоняющихся веществ, веществ, чувствительных к действию воздуха, определяют в капиллярах, запаянных с двух концов, при этом такой капилляр должен быть весь погружен в нагреваемую жидкость. Если вещество легко поглощает влагу из воздуха в процессе заполнения капилляра, то надо заполнение проводить в сухой камере (см. рис. 130),либо заполненный капилляр выдержать некоторое вре мя в вакуум-эксикатор (см. рис. 32). В том и другом случае после высушивания капилляр немедленно запаивают в сухой камере.

Рис. 145. Приборы для определения температур плавления веществ: колба с удлиненным горлом (а), сосуд Тиле (б) и сосуд со сменными капиллярами (в)

Заполненный капилляр 3 плотно прикрепляют к термометру резиновым кольцом так, чтобы столбик порошка в капилляре был около центра ртутного резервуара термометра. Затем термометр с капилляром погружают в колбу 2 (рис. 145, а) с нагреваемой жидкостью. Длинное горло колбы предотвращает разбрызгивание жидкости и уменьшает погрешность в оценке температуры, так как обогревается и выступающий из жидкости столбик ртути. Чтобы избежать довольно больших и ненадежных поправок на выступающий столбик ртути , рекомендуют применять укороченные термометры Аншютца и погружать их в жидкость так, чтобы ее уровень был выше уровня столбика ртути в момент измерения.

В качестве нагревающей жидкости применяют для температур 100 — 250 °С глицерин и различные сорта минеральных масел , а до 300 °С — силиконовое масло. Колба 2 имеет вместимость 80 — 100 мл, а наполняют ее жидкостью на 3/4 объема.

Нагревателем колбы может служить электрическая плитка 1 (или колбонагреватель и газовая горелка). Жидкость нагревают медленно, со скоростью 1 — 5 град/мин, а вблизи температуры плавления порошка скорость нагрева уменьшают до 0,5 — 1,0 град/мин для того, чтобы было достигнуто фазовое Равновесие: твердая фаза ↔ расплав.

О приближении момента расплавления вещества узнают по его усадке в капилляре наблюдение ведут через лупу 5), когда столбик вещества нажимается, отстает от стенок капилляра. За усадкой следует отпотевание — появление мельчайших капелек жидкости внутри капилляра, а само вещество как бы спекается, наконец, в капилляре над частицами порошка образуется мениск жидкости. Температуру, при которой появляется мениск жидкости и принимают за температуру плавления вещества.

Более совершенным прибором для определения температуры плавления является прибор Тиле (рис. 145, б) с циркуляцией нагретой жидкости, что позволяет более равномерно нагреть капилляр, а следовательно, и более точно измерять температуру плавления вещества.

Нагреванию подвергают участок 3. Если применяют газовую горелку 4, то этот участок оборачивают асбестовым шнуром, при электронагреве создают асбестовую рубашку , включающую электронагревательную спираль. Жидкость в нагреваемом колене 1 поднимается под действием мешалки 2, а в колене 8 опускается, проходя трубку 5, омывая ее внутри и снаружи. В этой трубке размещают термометр 7 с капилляром 6. Внутренний диаметр колен 1 и 8 равен = 25 мм. Столбик ртути термометра полностью погружен в циркулирующую жидкость, поэтому колебания температуры внутри трубки 5 не превышают 0,025 °С. Регулируя нагрев части 3 прибора Тиле, можно уменьшить скорость подъема температуры до 0,1 град/мин. Прибор позволяет одновременно рассматривать капилляр и термометр через отсчетный микроскоп (на рисунке не показан).

Источник

Способы определения температуры плавления и используемые приборы

Наиболее распространен метод определения температуры плавления веществ в запаянных с одного конца стеклянных капиллярах диаметром около 1 мм и длиной 70—90 мм. Капилляры изготавливают в стеклодувных мастерских из тонкостенных стеклянных трубок диаметром 10—15 мм. Предназначенные для изготовления капилляров трубки следует предварительно тщательно промыть дистиллированной водой и высушить. Хранить готовые капилляры необходимо в плотно закрытых пробками пробирках, чтобы они не пачкались и не пылились.

Вещество, температуру плавления которого нужно определить, высушивают до постоянной массы, после чего небольшую его порцию, равную примерно 3—5 мг, тщательно растирают на чистом часовом стекле шпателем или кончиком скальпеля в тонкий порошок. Далее открытым концом капилляра зачерпывают часть порошка и переводят его на дно капилляра легким встряхиванием. Для уплотнения вещества в капилляре последний бросают несколько раз в стеклянную трубку длиной 60—80 см, установленную вертикально на мраморной или керамической плитке. Операцию повторяют несколько раз, пока на дне капилляра не образуется слой порошка высотой около 2 мм.

Некоторые, например воскообразные вещества, не удастся растереть в топкий порошок. В таких случаях используют капилляры, открытые с обоих концов. Заполнение производят, надавливая капилляром на кусок вещества. Температуру плавления определяют в металлических блоках или приборах с воздушной баней, либо помещают капилляр с веществом в более широкий капилляр, заправленный с одного конца.

При необходимости определения температуры плавления без доступа воздуха, капилляр, вытянутый из отрезка стеклянной трубки не отламывая его от трубки, запаивают с одного конца и набивают веществом. Далее трубку подсоединяют к вакуумной линии, капилляр отпаивают либо под вакуумом либо после заполнения системы инертным газом.

Существует множество различных приборов для определения температуры плавления веществ в капиллярах. Наиболее пригодными из них следует считать те которые обеспечивают возможность равномерного и медленного повышения температуры в широком интервале. При быстром нагревании неизбежно возникают ошибки вследствие различной теплопроводности шарика термометра и капилляра с веществом, их различной массы, а также из-за невозможности мгновенного расплавления вещества. Поэтому вблизи ожидаемой температуры плавления необходимо поддерживать скорость нагрева не более 1°С в 1 мин, а во время плавления — 1 °С за 2—3 мин.

Рис. 90. Прибор Тиле для определения температуры правления 1 — капилляр с пеществом; 2 — изолированная электрическая обмотка; 3— жидким теплоноситель.

Рис. 91. Прибор для определения температуры плавления веществ: 1 — капплллр с веществом; 2 — хлоркалициовая трубка 3 — жидкий теплоноситель

При этом отмечают температурный интервал от начала слипания порошка в капилляре до исчезновения последних кристаллов и образования прозрачного расплава. Если приблизительное значение температуры плавления неизвестно, готовят сразу два капилляра с веществом. Первый используют для грубого определения температуры плавлении, которое производят при быстром нагревании — примерно на 5 O C в 1 мин во всем вероятном интервале плавления.

Из приборов с жидкими теплоносителями наибольшее распространение получил прибор Тиле (рис. 90). Его конструкция обеспечивает разномерную естественную циркуляцию нагреваемой жидкости, исключающую возникновение конвективных потоков, которые могли бы привести к неравномерности нагрева. Нижняя часть колена обогревается на небольшом пламени спиртовки, либо—предпочтительнее — обматывается нихромовой спиралью, включаемой в сеть через автотрансформатор. Регулятор последнего полезно градуировать по температуре.

Шарик термометра в приборе Тиле должен находиться на равном удалении от стенок примерно посередине вертикального участка — там, где движение жидкости наиболее равномерное.

Капилляр с веществом можно прикреплять непосредственно к термометру, например при помощи резинового колечка, однако удобнее вводить капилляр через боковую наклонную трубку — это позволяет легко его заменять, не вынимая термометра. Необходимо строго следить, чтобы конец капилляра с веществом соприкасался с серединой ртутного шарика термометра. Наблюдение за плавлением ведут через увеличительное стекло, обязательно в защитных очках или маске.

Гораздо удобнее приборы, в которых термометр и капилляр не соприкасаются с жидким теплоносителем, а находятся в воздушной бане. Капилляр прикрепляют к термометру тонкой мягкой проволокой, а если температура не выше 150°С, — с помощью резинового колечка. Прибор может иметь также боковые наклонные трубки для ввода капилляров. Чтобы в трубки не попал холодный воздух, их следует затыкать тампонами из волокнистого асбеста или стеклянной ваты.

Лучшими жидкостями для рассматриваемых приборов в настоящее время являются высококипящие силиконовые масла, поскольку они нетоксичны, неагрессивны и позволяют производить нагревание до 850 O C.

Ряд преимуществ перед стеклянными приборами имеют массивные металлические, чаще всего медные, блоки для определения температуры плавления, которые нетрудно изготовить в лабораторных мастерских (рис. 92). Блок может быть нагрет до любой необходимой температуры с помощью электрической обмотки, подключенной через ЛАТР. Равномерность и плавность нагрева обеспечиваются высокой теплопроводностью меди и большой массой блока. Важно лишь, чтобы шарик термометра и капилляр находились в непосредственной близости друг от друга и не прикасались к стенкам канала. Капилляр прикрепляют к термометру, либо вводят через специальный капал. Чтобы внутрь блока не попадал холодный воздух, отверстия канала для наблюдения должны быть закрыты слюдой или стеклянными пластинками, а каналы для ввода термометра и капилляра — волокнистым асбестом или стекловатой. Снаружи блок тщательно изолируют.

Блок, изображенный на рис. 92,6, легко смонтировать на предметном столике микроскопа.

Рис. 93. Металлические блоки для определения температуры плавления веществ: а: 1 увеличительное стекло, 2- стеклянные пластинки 3- матовое стекло, 4 -отражатель б: 1 — капилляр с веществом, 2- электрообмотка, 3- термоизоляция 4 — покровое стекло, 5 -зеркало.

В этом случае капилляр не забивают плотно, а помещают в него лишь несколько мельчайших кристалликов вещества. Наблюдение за плавлением через микроскоп позволяет получить более точные значения температуры плавления, а также отметить некоторые изменения, например выделение пузырьков газа и т. п., часто невидимые невооруженным глазом. В то же время измерение температуры плавления смешанной пробы проводить лучше обычным капиллярным методом.

Прост и удобен метод определения температуры плавления невозгоняющихся соединений, при котором небольшое количество вещества наносится непосредственно на ртутный шарик расположенного горизонтально термометра. Блок, предназначенный для этой цели, изображен на рис. 9 3. Он обеспечивает высокую точность измерения при условкн нагрева вблизи температуры плавления не быстрее чем на 1 °С в 1 мин. Для определения достаточно нанести на шарик термометра минимальное количество очень тонкого порошка. Момент расплавления с этом случае виден особенно четко.

Определение температуры плавления (с предварительным замораживанием пробы) может быть также использовано для установления степени чистоты и для предварительной идентификации многих жидких при комнатной температуре веществ. В обычный запаянный с одного конца капилляр диаметром около 1 мм вносят необходимое количество жидкости с помощью другого более узкого капилляра диаметром 0,3—0,4 мм. Затем более узкий капилляр оплавляют и используют его для перемешивания жидкости в процессе кристаллизации, если она склонна к переохлаждению. Охлаждающая баня должна иметь температуру на 10—15 °С ниже температуры застывания жидкости. В связи с этим, для охлаждения применяют либо смесь льда и соли, либо ацетон и «сухой лед». В охлаждающую баню помешают прибор для определения температуры плавления с пустой внутренней пробиркой, в колбу которого наливают спирт или ацетон. Прибор снабжают спиртовым или толуоловым термометром. После того как прибор охладится до нужной температуры, к термометру п рикрепляют охлажденный в той же бане капилляр с закристаллизовавшейся жидкостью и проводят определение температуры плавления обычным образом. Если скорость подъема температуры недостаточна, колбу обогревают струей теплого воздуха или рукой, если слишком высока — изолируют колбу ватой, оставив окошко для наблюдения.

Рис. 63. Блок для определения температуры плавления невозгоняющихся соединений на шарике термометра: 1-нихромовая спираль на керамическое подложке; 2— термоизоляции; 3— стеклянная пластина.

Источник