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Punto de fusión

El punto de fusión (o, raramente, el punto de licuefacción) de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado de sólido a líquido. En el punto de fusión, la fase sólida y líquida existen en equilibrio. El punto de fusión de una sustancia depende de la presión y generalmente se especifica a una presión estándar, como 1 atmósfera o 100 kPa.

Los cubitos de hielo puestos en agua comenzarán a derretirse cuando alcancen su punto de fusión de 0 °C

Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de líquido a sólido, se denomina punto de congelación o punto de cristalización. Debido a la capacidad de las sustancias de sobreenfriarse, el punto de congelación puede parecer fácilmente inferior a su valor real. Cuando se determina el "punto de congelación característico" de una sustancia, de hecho, la metodología real es casi siempre "el principio de observar la desaparición más que la formación de hielo, es decir, el punto de fusión".[1]

Ejemplos

 
Puntos de fusión (en azul) y puntos de ebullición (en rosa) de los primeros ocho ácidos carboxílicos (°C)

Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación son aproximadamente iguales. Por ejemplo, el punto de fusión y el punto de congelación del mercurio es 234,32 Kelvin (−38,8 °C; −37,9 °F).[2]​ Sin embargo, ciertas sustancias poseen diferentes temperaturas de transición sólido-líquido. Por ejemplo, el agar se derrite a 85 grados Celsius (185 °F; 358,2 K) y solidifica a partir de 31 grados Celsius (87,8 °F; 304,2 K); tal dependencia de la dirección se conoce como histéresis. El punto de fusión del hielo a 1 atmósfera de presión está muy cerca de 0 grados Celsius (32,0 °F; 273,2 K);[3]​ esto también se conoce como el punto de hielo. En presencia de sustancias nucleantes, el punto de congelación del agua no siempre es el mismo que el punto de fusión. En ausencia de nucleadores, el agua puede existir como un líquido sobreenfriado −48,3 grados Celsius (−54,9 °F; 224,9 K) antes de congelarse.

El elemento químico con el punto de fusión más alto es el tungsteno, a 3414 grados Celsius (6177,2 °F; 3687,2 K);[4]​ esta propiedad hace que el wolframio sea excelente para su uso como filamentos eléctricos en lámparas incandescentes. El carbono citado a menudo no se funde a presión ambiente, sino que se sublima a aproximadamente 3700 grados Celsius (6692,0 °F; 3973,2 K); una fase líquida solo existe por encima de presiones de 10 MPa (98,7 atm) y se estima que entre 4030-4430 grados Celsius (7286,0-8006,0 °F) (4303,2-4703,2 K) (ver diagrama de fase de carbono). El carburo de hafnio de tantalio (Ta4HfC5) es un compuesto refractario con un punto de fusión muy alto de 4215 Kelvin (3941,9 °C; 7127,3 °F).[5]​ Las simulaciones por computadora de la mecánica cuántica han predicho que la aleación HfN 0.38 C 0.51 tendrá un punto de fusión aún más alto (alrededor de 4400 K),[6]​ lo que la convertiría en la sustancia con el punto de fusión más alto a presión ambiental. Esta predicción se confirmó posteriormente mediante experimentos.[7]​ En el otro extremo de la escala, el helio no se congela en absoluto a presión normal, incluso a temperaturas arbitrariamente cercanas al cero absoluto; es necesaria una presión de más de veinte veces la presión atmosférica normal.

Lista de sustancias químicas comunes
Sustancia química[nota 1] Densidad (g/cm³) Punto de fusión (K)[8] Punto de ebullición (K)
Agua 1 0 grados Celsius (273,2 K) 100 grados Celsius (373,2 K)
Soldadura (Pb60Sn40) 183 grados Celsius (456,2 K)
Mantequilla de cacao 34,1 grados Celsius (307,3 K) -
Cera de parafina 0.9 37 grados Celsius (310,2 K) 370 grados Celsius (643,2 K)
Hidrógeno 0.00008988 14.01 20.28
Helio 0.0001785 [nota 2] 4.22
Berilio 1.85 1560 2742
Carbono 2.267 3800 4300
Nitrógeno 0.0012506 63.15 77.36
Oxígeno 0.001429 54.36 90.20
Sodio 0.971 370.87 1156
Magnesio 1.738 923 1363
Aluminio 2.698 933.47 2792
Azufre 2.067 388.36 717.87
Cloro 0.003214 171.6 239.11
Potasio 0.862 336.53 1032
Titanio 4.54 1941 3560
Hierro 7.874 1811 3134
Níquel 8.912 1728 3186
Cobre 8.96 1357.77 2835
Zinc 7.134 692.88 1180
Galio 5.907 302.9146 2673
Plata 10.501 1234.93 2435
Cadmio 8.69 594.22 1040
Indio 7.31 429.75 2345
Yodo 4.93 386.85 457.4
Tántalo 16.654 3290 5731
Wolframio 19.25 3695 5828
Platino 21.46 2041.4 4098
Oro 19.282 1337.33 3129
Mercurio 13.5336 234.43 629.88
Plomo 11.342 600.61 2022
Bismuto 9.807 544.7 1837

Temperatura de fusión de los elementos químicos

La tabla siguiente muestra las temperaturas de fusión de los elementos en °C (a una atmósfera de presión):[9]

H
−259
He
−272
Li
181
Be
1287
B
2075
C
3500
N
−210
O
−219
F
−219
Ne
−249
Na
98
Mg
650
Al
660
Si
1414
P
44
S
115
Cl
−102
Ar
−189
K
64
Ca
842
Sc
1541
Ti
1668
V
1910
Cr
1907
Mn
1246
Fe
1538
Co
1495
Ni
1455
Cu
1085
Zn
420
Ga
30
Ge
938
As
817
Se
221
Br
−7
Kr
−157
Rb
39
Sr
777
Y
1522
Zr
1858
Nb
2477
Mo
2623
Tc Ru
2333
Rh
1964
Pd
1555
Ag
962
Cd
321
In
157
Sn
232
Sb
631
Te
450
I
114
Xe
−112
Cs
29
Ba
727
*
Hf
2233
Ta
3017
W
3422
Re
3185
Os
3033
Ir
2446
Pt
1768
Au
1064
Hg
−39
Tl
304
Pb
327
Bi
271
Po
254
At
302
Rn
−71
Fr
27
Ra
696
**
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
*
La
920
Ce
799
Pr
931
Nd
1016
Pm
1042
Sm
1072
Eu
822
Gd
1313
Tb
1359
Dy
1412
Ho
1472
Er
1529
Tm
1545
Yb
824
Lu
1663
**
Ac
1050
Th
1750
Pa
1572
U
1135
Np
644
Pu
640
Am
1176
Cm
1345
Bk
986
Cf
900
Es
860
Fm
1527
Md
827
No
827
Lr
1627


Medidas del punto de fusión

 
Banco Kofler con muestras para calibración

Existen muchas técnicas de laboratorio para la determinación de puntos de fusión. Un banco Kofler es una tira de metal con un gradiente de temperatura (rango de temperatura ambiente a 300 °C). Se puede colocar cualquier sustancia en una sección de la tira, revelando su comportamiento térmico a la temperatura en ese punto. La calorimetría diferencial de barrido proporciona información sobre el punto de fusión junto con su entalpía de fusión.

 
Medidor de punto de fusión digital automático

Un aparato de punto de fusión básico para el análisis de sólidos cristalinos consiste en un baño de aceite con una ventana transparente (diseño más básico: un tubo de Thiele) y una lupa simple. Se colocan varios granos de un sólido en un tubo de vidrio delgado y se sumergen parcialmente en el baño de aceite. El baño de aceite se calienta (y se agita) y con la ayuda de la lupa (y una fuente de luz externa) se puede observar la fusión de los cristales individuales a una cierta temperatura. Se puede usar un bloque de metal en lugar de un baño de aceite. Algunos instrumentos modernos tienen detección óptica automática.

La medición también se puede realizar de forma continua con un proceso operativo. Por ejemplo, las refinerías de petróleo miden el punto de congelación del diesel "en línea", lo que significa que la muestra se toma del proceso y se mide automáticamente. Esto permite mediciones más frecuentes ya que la muestra no tiene que recolectarse manualmente y llevarse a un laboratorio remoto.

Técnicas para materiales refractarios

Para materiales refractarios (por ejemplo, platino, wolframio, tantalio, algunos carburos y nitruros, etc.), el punto de fusión extremadamente alto (generalmente se considera que está por encima de 1800 °C) se puede determinar calentando el material en un horno de cuerpo negro y midiendo la temperatura del cuerpo negro con un pirómetro óptico. Para los materiales de mayor punto de fusión, esto puede requerir una extrapolación de varios cientos de grados. Se sabe que el resplandor espectral de un cuerpo incandescente es función de su temperatura. Un pirómetro óptico hace coincidir el resplandor de un cuerpo en estudio con el resplandor de una fuente que ha sido previamente calibrada en función de la temperatura. De esta manera, la medición de la magnitud absoluta de la intensidad de la radiación es innecesaria. Sin embargo, se deben utilizar temperaturas conocidas para determinar la calibración del pirómetro. Para temperaturas por encima del rango de calibración de la fuente, se debe emplear una técnica de extrapolación. Esta extrapolación se logra utilizando la ley de radiación de Planck. Las constantes en esta ecuación no se conocen con suficiente precisión, lo que hace que los errores en la extrapolación sean mayores a temperaturas más altas. Sin embargo, se han desarrollado técnicas estándar para realizar esta extrapolación.

Considere el caso de usar oro como fuente (mp = 1063 °C). En esta técnica, la corriente a través del filamento del pirómetro se ajusta hasta que la intensidad de la luz del filamento coincide con la de un cuerpo negro en el punto de fusión del oro. Esto establece la temperatura de calibración primaria y se puede expresar en términos de corriente a través de la lámpara de pirómetro. Con el mismo ajuste actual, el pirómetro se ve en otro cuerpo negro a una temperatura más alta. Se inserta un medio absorbente de transmisión conocida entre el pirómetro y este cuerpo negro. A continuación, se ajusta la temperatura del cuerpo negro hasta que exista una coincidencia entre su intensidad y la del filamento del pirómetro. La verdadera temperatura más alta del cuerpo negro se determina a partir de la Ley de Planck. A continuación, se retira el medio absorbente y se ajusta la corriente a través del filamento para hacer coincidir la intensidad del filamento con la del cuerpo negro. Esto establece un segundo punto de calibración para el pirómetro. Este paso se repite para llevar la calibración a temperaturas más altas. Ahora, se conocen las temperaturas y sus correspondientes corrientes de filamento pirométrico y se puede trazar una curva de temperatura frente a la corriente. Esta curva se puede extrapolar luego a temperaturas muy altas.

Al determinar los puntos de fusión de una sustancia refractaria mediante este método, es necesario tener condiciones de cuerpo negro o conocer la emisividad del material que se está midiendo. La contención del material de alto punto de fusión en estado líquido puede introducir dificultades experimentales. Por lo tanto, las temperaturas de fusión de algunos metales refractarios se han medido observando la radiación de una cavidad de cuerpo negro en muestras de metal sólido que eran mucho más largas que anchas. Para formar una cavidad de este tipo, se perfora un orificio perpendicular al eje largo en el centro de una varilla del material. Luego, estas varillas se calientan pasando una corriente muy grande a través de ellas, y la radiación emitida por el orificio se observa con un pirómetro óptico. El punto de fusión está indicado por el oscurecimiento del agujero cuando aparece la fase líquida, destruyendo las condiciones del cuerpo negro. Hoy en día, se emplean técnicas de calentamiento por láser sin contenedores, combinadas con pirómetros y espectropirómetros rápidos, para permitir un control preciso del tiempo durante el cual la muestra se mantiene a temperaturas extremas. Estos experimentos de duración inferior a un segundo abordan varios de los desafíos asociados con las mediciones más tradicionales del punto de fusión realizadas a temperaturas muy altas, como la vaporización de la muestra y la reacción con el recipiente.

Termodinámica

 
Dependencia de la presión del punto de fusión del agua.

Para que un sólido se derrita, se requiere calor para elevar su temperatura hasta el punto de fusión. Sin embargo, es necesario suministrar más calor para que tenga lugar la fusión: esto se denomina calor de fusión y es un ejemplo de calor latente.

Desde un punto de vista termodinámico, en el punto de fusión el cambio en la energía libre de Gibbs (ΔG) del material es cero, pero la entalpía (H) y la entropía (S) del material aumentan (ΔH, ΔS> 0). El fenómeno de fusión ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido se vuelve más baja que la del sólido para ese material. A diversas presiones, esto sucede a una temperatura específica. También se puede demostrar que:

 

Aquí T, ΔS y ΔH son respectivamente la temperatura en el punto de fusión, el cambio de entropía de fusión y el cambio de entalpía de fusión.

El punto de fusión es sensible a cambios de presión extremadamente grandes, pero generalmente esta sensibilidad es órdenes de magnitud menor que la del punto de ebullición, porque la transición sólido-líquido representa solo un pequeño cambio de volumen.[10][11]​ Si, como se observa en la mayoría de los casos, una sustancia es más densa en estado sólido que en estado líquido, el punto de fusión aumentará al aumentar la presión. De lo contrario, se produce el comportamiento inverso. Cabe destacar que este es el caso del agua, como se ilustra gráficamente a la derecha, pero también de Si, Ge, Ga, Bi. Con cambios de presión extremadamente grandes, se observan cambios sustanciales en el punto de fusión. Por ejemplo, el punto de fusión del silicio a presión ambiente (0,1 MPa) es 1415 °C, pero a presiones superiores a 10 GPa disminuye a 1000 °C.[12]

Los puntos de fusión se utilizan a menudo para caracterizar compuestos orgánicos e inorgánicos y para determinar su pureza. El punto de fusión de una sustancia pura es siempre más alto y tiene un intervalo menor que el punto de fusión de una sustancia impura o, más generalmente, de mezclas. Cuanto mayor sea la cantidad de otros componentes, menor será el punto de fusión y más amplio será el intervalo del punto de fusión, a menudo denominado "intervalo pastoso". La temperatura a la que comienza la fusión de una mezcla se conoce como "solidus", mientras que la temperatura a la que se completa la fusión se llama "liquidus". Los eutécticos son tipos especiales de mezclas que se comportan como fases únicas. Se funden bruscamente a temperatura constante para formar un líquido de la misma composición. Alternativamente, al enfriar un líquido con la composición eutéctica se solidificará como cristales mixtos pequeños (de grano fino) uniformemente dispersos con la misma composición.

A diferencia de los sólidos cristalinos, los vidrios no poseen un punto de fusión; al calentarlos, experimentan una suave transición vítrea a un líquido viscoso. Al seguir calentándose, se ablandan gradualmente, lo que puede caracterizarse por ciertos puntos de ablandamiento.

Depresión del punto de congelación

El punto de congelación de un solvente disminuye cuando se agrega otro compuesto, lo que significa que una solución tiene un punto de congelación más bajo que un solvente puro. Este fenómeno se utiliza en aplicaciones técnicas para evitar la congelación, por ejemplo, agregando sal o etilenglicol al agua.

Regla de Carnelley

En química orgánica, la regla de Carnelley, establecida en 1882 por Thomas Carnelley, establece que la alta simetría molecular está asociada con un alto punto de fusión.[13]​ Carnelley basó su regla en el examen de 15.000 compuestos químicos. Por ejemplo, para tres isómeros estructurales con fórmula molecular C5H12 el punto de fusión aumenta en la serie isopentano −160 °C (113 K) n-pentano −129,8 °C (143 K) y neopentano −16,4 °C (256,8 K).[14]​ Asimismo, en los xilenos y también en los diclorobencenos, el punto de fusión aumenta en el orden meta, orto y para. La piridina tiene una simetría más baja que el benceno, por lo tanto, su punto de fusión más bajo, pero el punto de fusión aumenta nuevamente con diazina y triazinas. Muchos compuestos similares a jaulas como el adamantano y el cubano con alta simetría tienen puntos de fusión relativamente altos.

Un alto punto de fusión resulta de un alto calor de fusión, una baja entropía de fusión o una combinación de ambos. En moléculas altamente simétricas, la fase cristalina está densamente empaquetada con muchas interacciones intermoleculares eficientes que dan como resultado un mayor cambio de entalpía en la fusión.

 
Como muchos compuestos de alta simetría, el tetrakis (trimetilsilil) silano tiene un punto de fusión (pf) muy alto de 319-321 °C. Tiende a sublime, por lo que la determinación del pf requiere que la muestra esté sellada en un tubo.[15]

Predicción del punto de fusión de sustancias (criterio de Lindemann)

Frederick Lindemann realizó por primera vez en 1910 un intento de predecir el punto de fusión a granel de los materiales cristalinos.[16]​ La idea detrás de la teoría fue la observación de que la amplitud promedio de las vibraciones térmicas aumenta con el aumento de la temperatura. La fusión se inicia cuando la amplitud de la vibración se vuelve lo suficientemente grande como para que los átomos adyacentes ocupen parcialmente el mismo espacio. El criterio de Lindemann establece que se espera la fusión cuando la amplitud cuadrática media de la raíz de vibración excede un valor umbral.

Suponiendo que todos los átomos en un cristal vibran con la misma frecuencia ν, la energía térmica promedio se puede estimar usando el teorema de equipartición como[17]

 

donde m es la masa atómica, ν es la frecuencia, u es la amplitud de vibración promedio, kB es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. Si el valor umbral de u2 es c2 a2 donde c es la constante de Lindemann y a es el espaciado atómico, entonces el punto de fusión se estima como

 

Se pueden obtener varias otras expresiones para la temperatura de fusión estimada dependiendo de la estimación de la energía térmica promedio. Otra expresión comúnmente utilizada para el criterio de Lindemann es[18]

 

De la expresión de la frecuencia de Debye para ν, tenemos

 

donde θD es la temperatura de Debye y h es la constante de Planck. Los valores de c oscilan entre 0,15 y 0,3 para la mayoría de los materiales.[19]

Predicción del punto de fusión

En febrero de 2011, Alfa Aesar publicó más de 10.000 puntos de fusión de compuestos de su catálogo como datos abiertos. Este conjunto de datos se ha utilizado para crear un modelo forestal aleatorio para la predicción del punto de fusión que ahora está disponible gratuitamente.[20]​ Los datos abiertos del punto de fusión también están disponibles en Nature Precedings.[21]Tetko et al. publicaron datos de alta calidad extraídos de patentes y también modelos[22]​ desarrollados con estos datos.[23]

Véase también

Referencias

  1. Ramsay, J. A. (1 de mayo de 1949). «A New Method of Freezing-Point Determination for Small Quantities». Journal of Experimental Biology 26 (1): 57-64. PMID 15406812. 
  2. Haynes, p. 4.122.
  3. El punto de fusión del agua purificada se ha medido como 0,002519 ± 0,000002 °C, consulte Feistel, R.; Wagner, W. (2006). «A New Equation of State for H2O Ice Ih». J. Phys. Chem. Ref. Data 35 (2): 1021-1047. Bibcode:2006JPCRD..35.1021F. doi:10.1063/1.2183324. 
  4. Haynes, William M. (2011). CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data (92nd ed edición). CRC Press. ISBN 978-1-4398-5511-9. OCLC 730008390. Consultado el 12 de mayo de 2021. 
  5. Agte, C.; Alterthum, H. (1930). «Researches on Systems with Carbides at High Melting Point and Contributions to the Problem of Carbon Fusion». Z. Tech. Phys. 11: 182-191. 
  6. Hong, Q.-J.; van de Walle, A. (2015). «Prediction of the material with highest known melting point from ab initio molecular dynamics calculations». Phys. Rev. B 92 (2): 020104(R). Bibcode:2015PhRvB..92b0104H. doi:10.1103/PhysRevB.92.020104. 
  7. Buinevich, V.S.; Nepapushev, A.A.; Moskovskikh, D.O.; Trusov, G.V.; Kuskov, K.V.; Vadchenko, S.G.; Rogachev, A.S.; Mukasyan, A.S. (March 2020). «Fabrication of ultra-high-temperature nonstoichiometric hafnium carbonitride via combustion synthesis and spark plasma sintering». Ceramics International 46 (10): 16068-16073. doi:10.1016/j.ceramint.2020.03.158. 
  8. Holman, S. W.; Lawrence, R. R.; Barr, L. (1 de enero de 1895). «Melting Points of Aluminum, Silver, Gold, Copper, and Platinum». Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences 31: 218-233. doi:10.2307/20020628. 
  9. David R. Lide (2009). CRC Press Inc, ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics (en inglés) (90 edición). p. 2804. ISBN 978-1-420-09084-0. 
  10. La relación exacta se expresa en la relación de Clausius-Clapeyron.
  11. «J10 Heat: Change of aggregate state of substances through change of heat content: Change of aggregate state of substances and the equation of Clapeyron-Clausius». Consultado el 19 February 2008. 
  12. Tonkov, E. Yu. and Ponyatovsky, E. G. (2005) Phase Transformations of Elements Under High Pressure, CRC Press, Boca Raton, p. 98 ISBN 0-8493-3367-9
  13. Brown, R. J. C.; R. F. C. (2000). «Melting Point and Molecular Symmetry». Journal of Chemical Education 77 (6): 724. Bibcode:2000JChEd..77..724B. doi:10.1021/ed077p724. 
  14. Haynes, pp. 6.153–155.
  15. Gilman, H.; Smith, C. L. (1967). «Tetrakis(trimethylsilyl)silane». Journal of Organometallic Chemistry 8 (2): 245-253. doi:10.1016/S0022-328X(00)91037-4. 
  16. Lindemann FA (1910). «The calculation of molecular vibration frequencies». Phys. Z. 11: 609-612. 
  17. Sorkin, S., (2003), Point defects, lattice structure, and melting, Thesis, Technion, Israel.
  18. Philip Hofmann (2008). Solid state physics: an introduction. Wiley-VCH. p. 67. ISBN 978-3-527-40861-0. Consultado el 13 March 2011. 
  19. Nelson, D. R., (2002), Defects and geometry in condensed matter physics, Cambridge University Press, ISBN 0-521-00400-4
  20. Predict melting point from SMILES. Qsardb.org. Retrieved on 13 September 2013.
  21. Bradley, Jean-Claude; Lang, Andrew; Williams, Antony; Curtin, Evan (11 de agosto de 2011). «ONS Open Melting Point Collection». Nature Precedings (en inglés): 1-1. ISSN 1756-0357. doi:10.1038/npre.2011.6229.1. 
  22. OCHEM melting point models. ochem.eu. Retrieved on 18 June 2016.
  23. Tetko, Igor V; m. Lowe, Daniel; Williams, Antony J (2016). «The development of models to predict melting and pyrolysis point data associated with several hundred thousand compounds mined from PATENTS». Journal of Cheminformatics 8: 2. PMC 4724158. PMID 26807157. doi:10.1186/s13321-016-0113-y. 

Notas

  1. Z es el símbolo estándar para el número atómico; C es el símbolo estándar de la capacidad calorífica; y χ es el símbolo estándar para la electronegatividad en la escala de Pauling.
  2. El helio no se solidifica a la presión de una atmósfera. El helio solo puede solidificarse a presiones superiores a 25 atmósferas, lo que corresponde a un punto de fusión de cero absoluto.

Enlaces externos

  •   Datos: Q15318

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El punto de fusion o raramente el punto de licuefaccion de una sustancia es la temperatura a la que cambia de estado de solido a liquido En el punto de fusion la fase solida y liquida existen en equilibrio El punto de fusion de una sustancia depende de la presion y generalmente se especifica a una presion estandar como 1 atmosfera o 100 kPa Los cubitos de hielo puestos en agua comenzaran a derretirse cuando alcancen su punto de fusion de 0 C Cuando se considera como la temperatura del cambio inverso de liquido a solido se denomina punto de congelacion o punto de cristalizacion Debido a la capacidad de las sustancias de sobreenfriarse el punto de congelacion puede parecer facilmente inferior a su valor real Cuando se determina el punto de congelacion caracteristico de una sustancia de hecho la metodologia real es casi siempre el principio de observar la desaparicion mas que la formacion de hielo es decir el punto de fusion 1 Indice 1 Ejemplos 2 Temperatura de fusion de los elementos quimicos 3 Medidas del punto de fusion 3 1 Tecnicas para materiales refractarios 4 Termodinamica 5 Depresion del punto de congelacion 6 Regla de Carnelley 7 Prediccion del punto de fusion de sustancias criterio de Lindemann 8 Prediccion del punto de fusion 9 Vease tambien 10 Referencias 10 1 Notas 11 Enlaces externosEjemplos Editar Puntos de fusion en azul y puntos de ebullicion en rosa de los primeros ocho acidos carboxilicos C Para la mayoria de las sustancias los puntos de fusion y congelacion son aproximadamente iguales Por ejemplo el punto de fusion y el punto de congelacion del mercurio es 234 32 Kelvin 38 8 C 37 9 F 2 Sin embargo ciertas sustancias poseen diferentes temperaturas de transicion solido liquido Por ejemplo el agar se derrite a 85 grados Celsius 185 F 358 2 K y solidifica a partir de 31 grados Celsius 87 8 F 304 2 K tal dependencia de la direccion se conoce como histeresis El punto de fusion del hielo a 1 atmosfera de presion esta muy cerca de 0 grados Celsius 32 0 F 273 2 K 3 esto tambien se conoce como el punto de hielo En presencia de sustancias nucleantes el punto de congelacion del agua no siempre es el mismo que el punto de fusion En ausencia de nucleadores el agua puede existir como un liquido sobreenfriado 48 3 grados Celsius 54 9 F 224 9 K antes de congelarse El elemento quimico con el punto de fusion mas alto es el tungsteno a 3414 grados Celsius 6177 2 F 3687 2 K 4 esta propiedad hace que el wolframio sea excelente para su uso como filamentos electricos en lamparas incandescentes El carbono citado a menudo no se funde a presion ambiente sino que se sublima a aproximadamente 3700 grados Celsius 6692 0 F 3973 2 K una fase liquida solo existe por encima de presiones de 10 MPa 98 7 atm y se estima que entre 4030 4430 grados Celsius 7286 0 8006 0 F 4303 2 4703 2 K ver diagrama de fase de carbono El carburo de hafnio de tantalio Ta4HfC5 es un compuesto refractario con un punto de fusion muy alto de 4215 Kelvin 3941 9 C 7127 3 F 5 Las simulaciones por computadora de la mecanica cuantica han predicho que la aleacion HfN 0 38 C 0 51 tendra un punto de fusion aun mas alto alrededor de 4400 K 6 lo que la convertiria en la sustancia con el punto de fusion mas alto a presion ambiental Esta prediccion se confirmo posteriormente mediante experimentos 7 En el otro extremo de la escala el helio no se congela en absoluto a presion normal incluso a temperaturas arbitrariamente cercanas al cero absoluto es necesaria una presion de mas de veinte veces la presion atmosferica normal Lista de sustancias quimicas comunesSustancia quimica nota 1 Densidad g cm Punto de fusion K 8 Punto de ebullicion K Agua 1 0 grados Celsius 273 2 K 100 grados Celsius 373 2 K Soldadura Pb60Sn40 183 grados Celsius 456 2 K Mantequilla de cacao 34 1 grados Celsius 307 3 K Cera de parafina 0 9 37 grados Celsius 310 2 K 370 grados Celsius 643 2 K Hidrogeno 0 00008988 0014 14 01 20 28Helio 0 0001785 nota 2 4 22Berilio 1 85 1560 1560 2742Carbono 2 267 3800 3800 4300Nitrogeno 0 0012506 0063 63 15 77 36Oxigeno 0 001429 0054 54 36 90 20Sodio 0 971 0371 370 87 1156Magnesio 1 738 0923 923 1363Aluminio 2 698 0933 5 933 47 2792Azufre 2 067 0388 4 388 36 717 87Cloro 0 003214 0171 6 171 6 239 11Potasio 0 862 0336 5 336 53 1032Titanio 4 54 1941 1941 3560Hierro 7 874 1811 1811 3134Niquel 8 912 1728 1728 3186Cobre 8 96 1357 77 2835Zinc 7 134 0693 692 88 1180Galio 5 907 0302 9 302 9146 2673Plata 10 501 1234 93 2435Cadmio 8 69 0594 22 594 22 1040Indio 7 31 0429 75 429 75 2345Yodo 4 93 0386 85 386 85 457 4Tantalo 16 654 3290 5731Wolframio 19 25 3695 5828Platino 21 46 2041 4 4098Oro 19 282 1337 33 3129Mercurio 13 5336 0234 43 234 43 629 88Plomo 11 342 0600 61 600 61 2022Bismuto 9 807 0544 7 544 7 1837Temperatura de fusion de los elementos quimicos EditarArticulo principal Anexo Elementos quimicosLa tabla siguiente muestra las temperaturas de fusion de los elementos en C a una atmosfera de presion 9 H 259 He 272Li181 Be1287 B2075 C3500 N 210 O 219 F 219 Ne 249Na98 Mg650 Al660 Si1414 P44 S115 Cl 102 Ar 189K64 Ca842 Sc1541 Ti1668 V1910 Cr1907 Mn1246 Fe1538 Co1495 Ni1455 Cu1085 Zn420 Ga30 Ge938 As817 Se221 Br 7 Kr 157Rb39 Sr777 Y1522 Zr1858 Nb2477 Mo2623 Tc Ru2333 Rh1964 Pd1555 Ag962 Cd321 In157 Sn232 Sb631 Te450 I114 Xe 112Cs29 Ba727 Hf2233 Ta3017 W3422 Re3185 Os3033 Ir2446 Pt1768 Au1064 Hg 39 Tl304 Pb327 Bi271 Po254 At302 Rn 71Fr27 Ra696 Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og La920 Ce799 Pr931 Nd1016 Pm1042 Sm1072 Eu822 Gd1313 Tb1359 Dy1412 Ho1472 Er1529 Tm1545 Yb824 Lu1663 Ac1050 Th1750 Pa1572 U1135 Np644 Pu640 Am1176 Cm1345 Bk986 Cf900 Es860 Fm1527 Md827 No827 Lr1627Medidas del punto de fusion Editar Banco Kofler con muestras para calibracion Existen muchas tecnicas de laboratorio para la determinacion de puntos de fusion Un banco Kofler es una tira de metal con un gradiente de temperatura rango de temperatura ambiente a 300 C Se puede colocar cualquier sustancia en una seccion de la tira revelando su comportamiento termico a la temperatura en ese punto La calorimetria diferencial de barrido proporciona informacion sobre el punto de fusion junto con su entalpia de fusion Medidor de punto de fusion digital automatico Un aparato de punto de fusion basico para el analisis de solidos cristalinos consiste en un bano de aceite con una ventana transparente diseno mas basico un tubo de Thiele y una lupa simple Se colocan varios granos de un solido en un tubo de vidrio delgado y se sumergen parcialmente en el bano de aceite El bano de aceite se calienta y se agita y con la ayuda de la lupa y una fuente de luz externa se puede observar la fusion de los cristales individuales a una cierta temperatura Se puede usar un bloque de metal en lugar de un bano de aceite Algunos instrumentos modernos tienen deteccion optica automatica La medicion tambien se puede realizar de forma continua con un proceso operativo Por ejemplo las refinerias de petroleo miden el punto de congelacion del diesel en linea lo que significa que la muestra se toma del proceso y se mide automaticamente Esto permite mediciones mas frecuentes ya que la muestra no tiene que recolectarse manualmente y llevarse a un laboratorio remoto Tecnicas para materiales refractarios Editar Para materiales refractarios por ejemplo platino wolframio tantalio algunos carburos y nitruros etc el punto de fusion extremadamente alto generalmente se considera que esta por encima de 1800 C se puede determinar calentando el material en un horno de cuerpo negro y midiendo la temperatura del cuerpo negro con un pirometro optico Para los materiales de mayor punto de fusion esto puede requerir una extrapolacion de varios cientos de grados Se sabe que el resplandor espectral de un cuerpo incandescente es funcion de su temperatura Un pirometro optico hace coincidir el resplandor de un cuerpo en estudio con el resplandor de una fuente que ha sido previamente calibrada en funcion de la temperatura De esta manera la medicion de la magnitud absoluta de la intensidad de la radiacion es innecesaria Sin embargo se deben utilizar temperaturas conocidas para determinar la calibracion del pirometro Para temperaturas por encima del rango de calibracion de la fuente se debe emplear una tecnica de extrapolacion Esta extrapolacion se logra utilizando la ley de radiacion de Planck Las constantes en esta ecuacion no se conocen con suficiente precision lo que hace que los errores en la extrapolacion sean mayores a temperaturas mas altas Sin embargo se han desarrollado tecnicas estandar para realizar esta extrapolacion Considere el caso de usar oro como fuente mp 1063 C En esta tecnica la corriente a traves del filamento del pirometro se ajusta hasta que la intensidad de la luz del filamento coincide con la de un cuerpo negro en el punto de fusion del oro Esto establece la temperatura de calibracion primaria y se puede expresar en terminos de corriente a traves de la lampara de pirometro Con el mismo ajuste actual el pirometro se ve en otro cuerpo negro a una temperatura mas alta Se inserta un medio absorbente de transmision conocida entre el pirometro y este cuerpo negro A continuacion se ajusta la temperatura del cuerpo negro hasta que exista una coincidencia entre su intensidad y la del filamento del pirometro La verdadera temperatura mas alta del cuerpo negro se determina a partir de la Ley de Planck A continuacion se retira el medio absorbente y se ajusta la corriente a traves del filamento para hacer coincidir la intensidad del filamento con la del cuerpo negro Esto establece un segundo punto de calibracion para el pirometro Este paso se repite para llevar la calibracion a temperaturas mas altas Ahora se conocen las temperaturas y sus correspondientes corrientes de filamento pirometrico y se puede trazar una curva de temperatura frente a la corriente Esta curva se puede extrapolar luego a temperaturas muy altas Al determinar los puntos de fusion de una sustancia refractaria mediante este metodo es necesario tener condiciones de cuerpo negro o conocer la emisividad del material que se esta midiendo La contencion del material de alto punto de fusion en estado liquido puede introducir dificultades experimentales Por lo tanto las temperaturas de fusion de algunos metales refractarios se han medido observando la radiacion de una cavidad de cuerpo negro en muestras de metal solido que eran mucho mas largas que anchas Para formar una cavidad de este tipo se perfora un orificio perpendicular al eje largo en el centro de una varilla del material Luego estas varillas se calientan pasando una corriente muy grande a traves de ellas y la radiacion emitida por el orificio se observa con un pirometro optico El punto de fusion esta indicado por el oscurecimiento del agujero cuando aparece la fase liquida destruyendo las condiciones del cuerpo negro Hoy en dia se emplean tecnicas de calentamiento por laser sin contenedores combinadas con pirometros y espectropirometros rapidos para permitir un control preciso del tiempo durante el cual la muestra se mantiene a temperaturas extremas Estos experimentos de duracion inferior a un segundo abordan varios de los desafios asociados con las mediciones mas tradicionales del punto de fusion realizadas a temperaturas muy altas como la vaporizacion de la muestra y la reaccion con el recipiente Termodinamica Editar Dependencia de la presion del punto de fusion del agua Para que un solido se derrita se requiere calor para elevar su temperatura hasta el punto de fusion Sin embargo es necesario suministrar mas calor para que tenga lugar la fusion esto se denomina calor de fusion y es un ejemplo de calor latente Desde un punto de vista termodinamico en el punto de fusion el cambio en la energia libre de Gibbs DG del material es cero pero la entalpia H y la entropia S del material aumentan DH DS gt 0 El fenomeno de fusion ocurre cuando la energia libre de Gibbs del liquido se vuelve mas baja que la del solido para ese material A diversas presiones esto sucede a una temperatura especifica Tambien se puede demostrar que D S D H T displaystyle Delta S frac Delta H T Aqui T DS y DH son respectivamente la temperatura en el punto de fusion el cambio de entropia de fusion y el cambio de entalpia de fusion El punto de fusion es sensible a cambios de presion extremadamente grandes pero generalmente esta sensibilidad es ordenes de magnitud menor que la del punto de ebullicion porque la transicion solido liquido representa solo un pequeno cambio de volumen 10 11 Si como se observa en la mayoria de los casos una sustancia es mas densa en estado solido que en estado liquido el punto de fusion aumentara al aumentar la presion De lo contrario se produce el comportamiento inverso Cabe destacar que este es el caso del agua como se ilustra graficamente a la derecha pero tambien de Si Ge Ga Bi Con cambios de presion extremadamente grandes se observan cambios sustanciales en el punto de fusion Por ejemplo el punto de fusion del silicio a presion ambiente 0 1 MPa es 1415 C pero a presiones superiores a 10 GPa disminuye a 1000 C 12 Los puntos de fusion se utilizan a menudo para caracterizar compuestos organicos e inorganicos y para determinar su pureza El punto de fusion de una sustancia pura es siempre mas alto y tiene un intervalo menor que el punto de fusion de una sustancia impura o mas generalmente de mezclas Cuanto mayor sea la cantidad de otros componentes menor sera el punto de fusion y mas amplio sera el intervalo del punto de fusion a menudo denominado intervalo pastoso La temperatura a la que comienza la fusion de una mezcla se conoce como solidus mientras que la temperatura a la que se completa la fusion se llama liquidus Los eutecticos son tipos especiales de mezclas que se comportan como fases unicas Se funden bruscamente a temperatura constante para formar un liquido de la misma composicion Alternativamente al enfriar un liquido con la composicion eutectica se solidificara como cristales mixtos pequenos de grano fino uniformemente dispersos con la misma composicion A diferencia de los solidos cristalinos los vidrios no poseen un punto de fusion al calentarlos experimentan una suave transicion vitrea a un liquido viscoso Al seguir calentandose se ablandan gradualmente lo que puede caracterizarse por ciertos puntos de ablandamiento Depresion del punto de congelacion EditarArticulos principales Descenso crioscopicoy Sobrefusion El punto de congelacion de un solvente disminuye cuando se agrega otro compuesto lo que significa que una solucion tiene un punto de congelacion mas bajo que un solvente puro Este fenomeno se utiliza en aplicaciones tecnicas para evitar la congelacion por ejemplo agregando sal o etilenglicol al agua Regla de Carnelley EditarEn quimica organica la regla de Carnelley establecida en 1882 por Thomas Carnelley establece que la alta simetria molecular esta asociada con un alto punto de fusion 13 Carnelley baso su regla en el examen de 15 000 compuestos quimicos Por ejemplo para tres isomeros estructurales con formula molecular C5H12 el punto de fusion aumenta en la serie isopentano 160 C 113 K n pentano 129 8 C 143 K y neopentano 16 4 C 256 8 K 14 Asimismo en los xilenos y tambien en los diclorobencenos el punto de fusion aumenta en el orden meta orto y para La piridina tiene una simetria mas baja que el benceno por lo tanto su punto de fusion mas bajo pero el punto de fusion aumenta nuevamente con diazina y triazinas Muchos compuestos similares a jaulas como el adamantano y el cubano con alta simetria tienen puntos de fusion relativamente altos Un alto punto de fusion resulta de un alto calor de fusion una baja entropia de fusion o una combinacion de ambos En moleculas altamente simetricas la fase cristalina esta densamente empaquetada con muchas interacciones intermoleculares eficientes que dan como resultado un mayor cambio de entalpia en la fusion Como muchos compuestos de alta simetria el tetrakis trimetilsilil silano tiene un punto de fusion pf muy alto de 319 321 C Tiende a sublime por lo que la determinacion del pf requiere que la muestra este sellada en un tubo 15 Prediccion del punto de fusion de sustancias criterio de Lindemann EditarFrederick Lindemann realizo por primera vez en 1910 un intento de predecir el punto de fusion a granel de los materiales cristalinos 16 La idea detras de la teoria fue la observacion de que la amplitud promedio de las vibraciones termicas aumenta con el aumento de la temperatura La fusion se inicia cuando la amplitud de la vibracion se vuelve lo suficientemente grande como para que los atomos adyacentes ocupen parcialmente el mismo espacio El criterio de Lindemann establece que se espera la fusion cuando la amplitud cuadratica media de la raiz de vibracion excede un valor umbral Suponiendo que todos los atomos en un cristal vibran con la misma frecuencia n la energia termica promedio se puede estimar usando el teorema de equiparticion como 17 E 4 p 2 m n 2 u 2 k B T displaystyle E 4 pi 2 m nu 2 u 2 k rm B T donde m es la masa atomica n es la frecuencia u es la amplitud de vibracion promedio kB es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta Si el valor umbral de u2 es c2 a2 donde c es la constante de Lindemann y a es el espaciado atomico entonces el punto de fusion se estima como T m 4 p 2 m n 2 c 2 a 2 k B displaystyle T rm m cfrac 4 pi 2 m nu 2 c 2 a 2 k rm B Se pueden obtener varias otras expresiones para la temperatura de fusion estimada dependiendo de la estimacion de la energia termica promedio Otra expresion comunmente utilizada para el criterio de Lindemann es 18 T m 4 p 2 m n 2 c 2 a 2 2 k B displaystyle T rm m cfrac 4 pi 2 m nu 2 c 2 a 2 2k rm B De la expresion de la frecuencia de Debye para n tenemos T m 2 p m c 2 a 2 8 D 2 k B h 2 displaystyle T rm m cfrac 2 pi mc 2 a 2 theta rm D 2 k rm B h 2 donde 8D es la temperatura de Debye y h es la constante de Planck Los valores de c oscilan entre 0 15 y 0 3 para la mayoria de los materiales 19 Prediccion del punto de fusion EditarEn febrero de 2011 Alfa Aesar publico mas de 10 000 puntos de fusion de compuestos de su catalogo como datos abiertos Este conjunto de datos se ha utilizado para crear un modelo forestal aleatorio para la prediccion del punto de fusion que ahora esta disponible gratuitamente 20 Los datos abiertos del punto de fusion tambien estan disponibles en Nature Precedings 21 Tetko et al publicaron datos de alta calidad extraidos de patentes y tambien modelos 22 desarrollados con estos datos 23 Vease tambien EditarLista de elementos por punto de fusion Fases de la materia Punto triple Solidus Fusion Calor Presion Esquema de faseReferencias Editar Ramsay J A 1 de mayo de 1949 A New Method of Freezing Point Determination for Small Quantities Journal of Experimental Biology 26 1 57 64 PMID 15406812 Haynes p 4 122 El punto de fusion del agua purificada se ha medido como 0 002519 0 000002 C consulte Feistel R Wagner W 2006 A New Equation of State for H2O Ice Ih J Phys Chem Ref Data 35 2 1021 1047 Bibcode 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es el simbolo estandar para el numero atomico C es el simbolo estandar de la capacidad calorifica y x es el simbolo estandar para la electronegatividad en la escala de Pauling El helio no se solidifica a la presion de una atmosfera El helio solo puede solidificarse a presiones superiores a 25 atmosferas lo que corresponde a un punto de fusion de cero absoluto Enlaces externos EditarTablas de puntos de fusion y ebullicion vol 1 de Thomas Carnelley Harrison Londres 1885 1887 Tablas de puntos de fusion y ebullicion vol 2 de Thomas Carnelley Harrison Londres 1885 1887 Datos extraidos de patentes Mas de 250 000 datos de punto de fusion descargables gratuitamente Tambien descargable en figshare Datos Q15318Obtenido de https es wikipedia org w index php title Punto de fusion amp oldid 136959850, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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