Schmelzpunkt Θ (Theta) einiger Substanzen beiNormaldruck von 1013 Hektopascal| Material | °C | K |
|---|
| Helium (bei 26 bar) | −272,2 | 0000,955 |
| Wasserstoff | −259 | 0014 |
| Deuterium | −254 | 0019 |
| Tritium | −253 | 0020 |
| Neon | −248 | 0025 |
| Sauerstoff | −218 | 0055 |
| Stickstoff | −210 | 0063 |
| Ozon | −193 | 0080 |
| Ethanol (C2H5OH) | −114 | 0159 |
| Chlor | −102 | 0171 |
| Motorenbenzin | 0−40 | 0233 |
| Quecksilber | 0−38,36 | 0234,795 |
| Glykoldinitrat | 0−22 | 0251 |
| Wasser | 0000 | 0273,152 |
| Nitroglycerin | 0002 | 0275,95 |
| Benzol | 0005,5 | 0278,7 |
| Bienenwachs | ≈0062 | 0335,15 |
| Naphthalin | 0080 | 0353 |
| Trinitrotoluol | 0080,35 | 0353,20 |
| Schwefel (rhombisch) | 0113 | 0386 |
| Schwefel (monoklin) | 0119 | 0392 |
| Zucker | 0160 | 0433 |
| Lithium | 0180 | 0453 |
| Zinn | 0231 | 0504 |
| Blei | 0327,4 | 0600,6 |
| Zink | 0419,5 | 0692,7 |
| Aluminium | 0660,32 | 0933,48 |
| Kochsalz | 0801 | 1074 |
| Silber | 0960,8 | 1234,0 |
| Gold | 1064 | 1337 |
| Kupfer | 1084 | 1357 |
| Beryllium | 1287 | 1560 |
| Eisen | 1536 | 1809 |
| Platin | 1773,5 | 2046,7 |
| Bor | 2076 | 2349 |
| Thoriumoxid (ThO2) | 3390 | 3663 |
| Wolfram | 3422 | 3695 |
| Hafniumcarbid (HfC) | 3890 | 4163 |
| Tantalcarbid | 3942 | 4215 |
| Tantalhafniumcarbid | 4215 | 4488 |
DerSchmelzpunkt (Smp., engl. Melting point (Mp.) oder auchSchmelztemperatur genannt) bezeichnet dieTemperatur, bei der einStoff bei einem bestimmten Druckschmilzt, d. h. vomfesten in denflüssigenAggregatzustand übergeht. Genauer ist sie ein spezieller Punkt in derSchmelzkurve. Dieser Schmelzpunkt ist abhängig vom Stoff, aber im Gegensatz zurSiedetemperatur nur sehr wenig vomDruck (Schmelzdruck). Durch diese Abhängigkeit wird für eine höhere Genauigkeit derTripelpunkt oder die Angabe des exakten Druckes bevorzugt.[1][2] Manche Stoffe können nicht schmelzen, weil sie vorher chemisch zerfallen, und andere können bei Normalbedingungen nursublimieren.
Für reine chemische Elemente ist der Schmelzpunkt identisch mit demGefrierpunkt. Durch Verunreinigungen bzw. beiGemischen wird die Schmelztemperatur in der Regel erniedrigt (Schmelzpunkterniedrigung), außerdem kann die Temperatur während des Schmelzvorganges steigen, wodurch man es mit einem Schmelz-Bereich zu tun hat. Die Schmelzpunkterniedrigung (Kryoskopie) durch gelöste Substanzen ist ein Grund, warum Eis durch Salz geschmolzen werden kann.
Im Unterschied zu chemischen Elementen kann es auch bei reinen chemischen Verbindungen zu Abweichungen zwischen Schmelzpunkt und Gefrierpunkt kommen. Falls die Gefrierpunktstemperatur unterhalb der Schmelzpunkttemperatur liegt, spricht man von einerthermischen Hysterese. Dies ist zum Beispiel bei reinemWasser der Fall; ohneNukleationskeime und unter einem Druck von 1 bar gefriert Wasser bei ca. −40 °C und schmilzt bei ca. 0 °C.
BeiamorphenWerkstoffen wie z. B.Gläsern und einigenKunststoffen kommt neben der Schmelztemperatur auch eineÜbergangstemperatur vor. Auch die Definition einerErweichungstemperatur ist möglich. Im Gegensatz zu monomeren Substanzen, die normalerweise einen scharfen Schmelzpunkt aufweisen, erfolgt bei diesen das Schmelzen der kristallinen Gebiete eines teilkristallinen Polymers oder vonLegierungen über ein breites Temperaturintervall. Aus diesem Grund kann man in diesem Fall den treffenderen AusdruckSchmelzbereich oderSchmelzintervall verwenden.[3][4]
Die Schmelztemperatur zählt mit derDichte,Risszähigkeit,Festigkeit,Duktilität und derHärte, zu denWerkstoffeigenschaften einesWerkstoffes.
Den größten flüssigen Bereich von 630 °C bis 3900 °C, also über 3270 K, besitzt das ElementNeptunium. Den kleinsten Flüssigbereich von −248,6 °C bis −246,3 °C hat das EdelgasNeon mit 2,3 K.[5]
Der Schmelzpunkt hängt zwar vomDruck ab, allerdings nur geringfügig: Um den Schmelzpunkt um lediglich 1 K zu ändern, muss der Druck durchschnittlich um etwa 100 bar erhöht werden. Daraus folgt, dass sich Änderungen desAtmosphärendrucks – die merkliche Änderungen desSiedepunkts bewirken können – praktisch nicht auf den Schmelzpunkt auswirken.
Für das Schmelzen gilt wie für anderePhasenumwandlungen dieClapeyron-Gleichung, die in guter Näherung für das Schmelzen bei verschiedenen Drücken folgende Temperaturänderung ΔT ergibt:
Dabei ist TM der Schmelzpunkt, ΔV die Volumenänderung beim Schmelzen, Δp die Differenz der betrachteten Drücke, undHM dieSchmelzenthalpie.Da aber die Volumenänderungen ΔV beim Schmelzen relativ klein sind, ist auch die Druckabhängigkeit des Schmelzpunktes relativ klein. Beispielsweise ändert sich bei einer Erhöhung des Drucks um 100 Bar der Schmelzpunkt vonEis um −0,76 K. Eis schmilzt also unter Druck leichter, während sich der Schmelzpunkt vonTetrachlorkohlenstoff um +3,7 K erhöht. Die Tatsache, dass sich der Schmelzpunkt von Eis oder beispielsweise auch vonBismut bei Druckerhöhung erniedrigt, folgt daraus, dass ihr Volumen beim Schmelzen verringert wird: Dann ist in der obigen Gleichung ΔV und ΔT negativ.
Die Bestimmung des Schmelzpunkts einer Substanz ist auch von großer Bedeutung in der qualitativenAnalytik, einschließlich derIdentitätsprüfung, da viele Substanzen über ihren Schmelzpunkt identifiziert werden können. Die Reinheit von Stoffen kann qualitativ ebenfalls über den Schmelzpunkt gemessen werden. Verunreinigungen haben niedrigere Schmelzpunkte zur Folge. Flüssige Substanzen oder solche mit niedrigem Schmelzpunkt werden dazu in leicht kristallisierendeDerivate umgewandelt:Alkohole können beispielsweise durch die Messung der Schmelzpunkte ihrerEster der4-Nitrobenzoesäure oder der3,5-Dinitrobenzoesäure identifiziert werden. Hierzu wird die zu analysierende Substanz in Gegenwart geringer Mengen Schwefelsäure umgesetzt. Die Schmelzpunkte dieser Derivate sind in der Regel scharf.
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Nachweis vonIsopropanol als Derivat der 4-Nitrobenzoesäure:
4-Nitrobenzoesäure-2-propylester (Smp.: 100,5 °C[6]) | Nachweis vonIsopropanol als Derivat der 3,5-Dinitrobenzoesäure:
3,5-Dinitrobenzoesäure-2-propylester (Smp.: 123 °C[6]) |
Die Derivate der 3,5-Dinitrobenzoesäure besitzen in der Regel höhere Schmelzpunkte als die der 4-Nitrobenzoesäure.[6] Sie werden dann bevorzugt gewählt, wenn der Schmelzpunkt mit der 4-Nitrobenzoesäure zu niedrig ist und keine genaue Bestimmung mehr möglich wird.
Umfangreiche Tabellenwerke mit Angaben zu Schmelzpunkten organischer Verbindungen, als wichtige Hilfsmittel für Analytiker, liegen vor.[7] Schmelzpunkte von Derivaten einzelner Stoffklassen werden in den einschlägigen Lehrbüchern der organischen Analytik gelistet.[8]
Eine ungefähre Messung ist mit einemThermometer durch Aufschmelzen der Probe und Ablesen der Schmelztemperatur möglich.
Für die exakte Messung des Schmelzpunktes stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung:
- Apparatur nach Thiele, bei der die Probe in einem gerührten oder durchKonvektion strömenden Ölbad geschmolzen wird
- Apparatur nachDAB, mit Normschliff 29/32, bestehend aus Kolben von ca. 100 ml und Einsatzrohr mit Entlüftungsloch
- Apparatur nach Dr. C. F. Linström (oft fälschlich auchLindström geschrieben), hierbei wird die Probe in einem Kupferblock bis zum Schmelzpunkt erwärmt[9]
- Heiztischapparatur nachKofler (siehe auchKofler-Heizbank),Tottoli[10]
- Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
- Bei derKapillarmethode wird die zu untersuchende Substanz in eine Glaskapillare eingebracht. Diese wird in einen vorgeheizten Heizblock eingesetzt und die Temperatur langsam erhöht. Als Schmelztemperatur gilt hierbei die Temperatur, bei der das letzte feste Teilchen schmilzt.[11]
Schmelzpunktbestimmungsapparat nach Thiele
Koflerbank mit Proben zum Kalibrieren
Automatisches Schmelzpunktmessgerät M5000
Meist werden die Messwerte damit gekennzeichnet, dass sienicht korrigiert sind. Diese Angabe bezieht sich auf den (geringen) Fehler, der dadurch entsteht, dass von einem Flüssigkeitsthermometer nur dessen Reservoir in das zu bestimmende Medium taucht, wodurch der in der Kapillare aufsteigende Teil der Thermometerflüssigkeit eine andere Temperatur und Ausdehnung hat.
Im praktischen Laborbetrieb finden heute meist automatische Schmelzpunktmessgeräte Verwendung. Das Messprinzip dieser Geräte basiert in der Regel auf der Messung derTransmission. Während der kristalline Feststoff eine hoheOpazität aufweist, steigt am Schmelzpunkt die Lichtdurchlässigkeit rasch an. Die am Höhepunkt desAnstiegs gemessene Temperatur wird als Schmelzpunkt ausgegeben.
- ↑Wilhelm H. Westphal:Physikalisches Wörterbuch. Springer Berlin Heidelberg, 1952,ISBN 978-3-662-12706-3,S. 354 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken:Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen. Springer Berlin Heidelberg, 2024,ISBN 978-3-662-64601-4,S. 113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑Horst Briehl:Chemie der Werkstoffe. Vieweg & Teubner Verlag, 2007,ISBN 978-3-8351-0223-1,S. 171 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑Curt Hunnius, Artur Burger:Hunnius pharmazeutisches Wörterbuch. De Gruyter, 2020,ISBN 978-3-11-086901-9,S. 1262 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑Thomas Jüstel:Chemie Rekorde (Memento vom 12. August 2022 imInternet Archive) (PDF; 914 kB). Abgerufen im Juni 2020.
- ↑abcCRC Handbook of Tables for Organic Compound Identification, Third Edition, 1984,ISBN 0-8493-0303-6.
- ↑Walther Utermark, Walter Schicke:Schmelzpunkttabellen organischer Verbindungen, 2. Aufl. Akademie Verlag, Berlin 1963,DNB455194963.
- ↑R. L. Shriner, R. C. Fuson, D. Y. Curtin, T. C. Morrill:The Systematic Identification of Organic Compounds, John Wiley & Sons, New York – Chichester – Brisbane – Toronto 1980,ISBN 0-471-78874-0.
- ↑C. F.Linström:Ein neuer Schmelzpunktsbestimmungsapparat aus Kupfer. in: Chem. Fabrik 7, 270 (1934); Anmerkung: Carl Friedrich Linström war Assistent am Phys.-Chemischen Institut in Erlangen unter G. Scheibe.
- ↑M. Tottoli: Schweizer Patent 320388,doi:10.1007/BFb0050861.
- ↑Europäisches Arzneibuch 10.0. Deutscher Apotheker Verlag, 2020,ISBN 978-3-7692-7515-5,S. 41–42.
