Schmelzpunkt

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    1990

    Defintion

    Der Schmelzpunkt (engl. melting point/ liquefaction point) eines Feststoffes ist die Temperatur, bei welcher sich der Aggregatzustand von fest nach flüssig verändert.


    Beschreibung

    Am Schmelzpunkt befinden sich der feste und der flüssige Aggregatzustand im Gleichgewicht. Diser ist druckabhängig und ist definiert bei Normalatmosphäre (Details siehe unten).

    Der umgekehrte Prozess tritt ein am Gefrier- oder Kristallisationspunkt. Wird eine Flüssigkeit unter ihren Kristallisationspunkt abgekühlt ohne sich zu verfestigen spricht man von „Supercooling“. Im Gegensatz zum Schmelzpunkt ist die Kristallisation- oder Gefriertemperatur deshalb nicht gut geeignet zur Charakterisierung einer Substanz.

    Das chemische Element mit dem höchsten Schmelzpunkt ist Wolfram (W, Ordnungszahl 74, engl. tungsten). Dieser liegt bei 3687 K (3414 °C). Einige Substanzen besitzen bei Normalatmosphäre keinen Schmelzpunkt, da sie direkt sublimieren (Übergang fest – gasförmig). Erst bei extremer Druckerhöhung tritt auch ein flüssiger Aggregatzustand auf. So sublimiert Kohlenstoff bei circa 4000K. Wird der Druck auf 10 MPa erhöht kommt es zwischen 4300-4700K zu einer Verflüssigung

    Theoretisches Phasendiagramm des Kohlenstoffs. Zeigt die Abhängigkeit des Aggregatzustands von Temperatur und Druck
    Theoretisches Phasendiagramm des Kohlenstoffs. Zeigt die Abhängigkeit des Aggregatzustands von Temperatur und Druck

    Abhängigkeit Druck – Schmelzpunkt

    Der Schmelzpunkt ist nur in geringem Ausmaß vom Druck abhängig. So verändert sich der Schmelzpunkt bei einer Druckerhöhung von 100 bar nur um circa 1 K.


    Verhältnis Schmelzpunkt – Gefrierpunkt

    Hysterese
    Schmelzpunkt (Blau) Siedepunkt (pink) der ersten acht Carbonsäuren

    Die meisten Substanzen besitzen einen identischen Schmelz- und Gefrierpunkt.  So liegt dieser bei Quecksilber bei 234,32 Kelvin (-38,83 °C).  Sind beide Temperaturen nicht identisch, spricht man von Hysterese. Als Beispiel dient Wasser. Liegen keimbildende (=Kristallbildende) Substanzen im Wasser vor, sind Gefrier- und Schmelzpunkt identisch bei 273,15K (0°C; 32°F). Ist Wasser hochrein kann es bis zu -42°C supergekühlt werden.

     


    Schmelzpunktbestimmung

    Die Bestimmung des Schmelzpunktes  mit einem Schmelzpunktmessgerät ist eine gängige Methode der Probenanalyse, die wesentliche Informationen über Materialzusammensetzung und Reinheit liefert. Diese Analyse ist auch ohne Spezialausrüstung durchführbar. Seit Jahrhunderten wird diese Analyse zur Ermittlung der Reinheit und der Identität einer Substanz oder eines Gemisches eingesetzt. (siehe auch Artikel „Bestimmung des Schmelzpunktes“)


    Thermodynamik

    Thermodynamisch betrachtet gibt es am Schmelzpunkt keine Veränderung der freien Gibbs-Energie (ΔG), jedoch erhöht sich die Enthalpie (H) und die Entropie (S) des Materials. Schmelzen tritt dann auf, wenn die freie Gibbs-Energie der Flüssigkeit niedriger ist, als die des Feststoffs.

    Schmelzpunkt Gibbs-Energie

    ΔS = Veränderung der Entropie am Schmelzpunkt
    ΔH = Veränderung der Enthalpie am Schmelzpunkt
    T = Temperatur Schmelzpunkt

    Der Schmelzpunkt verändert sich im Gegensatz zum Siedepunkt erst bei extremen Druckveränderung. Dies erklärt sich aus der deutlich geringeren Volumenänderung. In den meisten Fällen besitzen Substanzen eine höhere Dichte in ihrem festen als in ihrem flüssigem Zustand. Hier erhöht sich der Schmelzpunkt bei steigendem Druck. Bei einigen Substanzen ist dies umgekehrt der Fall. Als Beispiele hierfür gelten Wasser, Silicium, Germanium, Gallium und Bismut. Der Schmelzpunkt von Silicium (1415 °C) erniedrigt sich bei einer Druckerhöhung auf 10 GPa auf 1000°C.

    Schmelzpunkt werden häufig zur Charakterisierung und zur Reinheitsermittlung von Substanzen bestimmt. Der Schmelzpunkt einer reinen Substanz ist immer höher als mit Unreinheiten. Je weniger Verunreinigungen, desto höher, näher und exakter ist der Schmelzpunkt an der der Reinsubstanz.

    Die Temperatur, bei welchem eine Probe beginnt zu schmelzen wird „Solidus“ genannt. Die Temperatur bei welcher diese vollkommen geschmolzen ist „Liquidus“. Ein Eutektitisches Gemisch (Euthetikum) verhält sich wie eine einheitliche Phase und schmilzt an einem klar definierten Punkt unter Bildung einer homogenen Flüssigkeit.

    Im Gegensatz zu kristallinen Feststoffen besitzen glasartige Substanzen keinen definierten Schmelzpunkt, sondern einen Übergangsbereich als visköse Flüssigkeit. Bei weitere Erwärmung kommt es zu einer zunehmenden Erniedrigung der Viskösität.


    Carnelley´s Gesetz

    In der organischen Chemie wurde 1882 von Thomas Carnelley die Theorie formuliert, dass hohe molekulare Symmetrie mit einem hohen Schmelzpunkt korreliert. Die Beobachtung basierte auf der Analyse von 15 000 verschiedenen Substanzen. Als Beispiel können die Schmelzpunkte von drei Strukturisomeren mit der Formel C5H12 angeführt werden:

    1. Isopentan -160 °C (113K)
      Isopentan
    2. n-Pentan  -129,8 °C (143K)
      n-Pentan
    3. neopentan -16,4 °C (256,8K)
      Neopentan

    Entsprechendes gilt für Dichlobenzole, deren Schmelzpunkt ansteigt bei Substitution in Stellung meta, ortho, para.


    Vorhersage des Schmelzpunkts

    1910 stellt Frederick Lindemann das nach ihm benannte Lindemann-Kriterium auf. Die Idee welche diese Theorie begründet beruht auf der Beobachtung, das die durchschnittliche Amplitude thermaler Vibrationen sich mit zunehmender Temperatur erhöht. Schmelzen tritt dann ein, sobald die Vibrationen so groß werden, dass benachbarte Atome teilweise den gleichen Raum belegen.

    In der Annahme, dass alle Atome innerhalb eines Kristalls mit der selben Frequenz v schwingen, kann die mittlere thermale Energie abgeschätzt werden durch das Äquipartitionstheorem:

    Aequipartitionstheorem

    m = Atommasse
    v = Frequenz
    u = mittlere Schwingungsamplitude
    kb = Boltzmann-Konstante
    T = absolute Temperatur

    Wenn der Schwellenwert von u² = c² a² wobei c die Lindemann-Konstante ist und a der Atomabstand, dann läßt sich für den Schmelzpunkt ableiten:

    Abschaetzung Schmelzpunkt


    Datenbanken zu bekannten Schmelzpunkten

    Im Februar 2011 veröffentlichte das Unternehmen Alfa Aesar 10 000 Schmelzpunkte ihrer Produkte.


    Videos zum Thema:

     

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