放在水中的冰,當其溫度到達甚熔點0 °C時,冰就會熔化 熔點(凝固點) (M.P.)是在大氣壓 下晶体 將其物態 由固態 轉變為液態 的过程中固液共存状态的溫度 ;各种晶体的熔点不同,对同一种晶体,熔点又与所受压强 有关,壓強越大,熔點越高。物質的熔點取決於壓力,通常在1個大氣壓或100 kPa等標準壓力下指定。不過,與沸點 不同,熔點受壓强的影響很小,因爲由固態轉變(熔化)為液態的过程中,物質的體積幾乎不變化。
進行相反動作(即由液態轉為固態)的溫度,稱之為凝固点 、結晶點(對水而言也称為冰点 ),在一定大氣壓下,任何晶体的凝固点和熔点相同。習慣上,根據常溫(25℃)時物質的狀態使用凝固点或熔点稱呼這一個溫度:對於常溫下為固態的物質,這個溫度稱爲凝固点;對於常溫下為液態的物質,這個溫度稱爲熔点。
因為物質可能會过冷 ,可能會在溫度低於凝固点時才凝固。可以確認物質的「特徵凝固点」,而實際量測熔点的方式是觀察到物質如何開始變成液態,該溫度即為熔点[ 1] 。
一般的,非晶体 并没有固定的熔点和凝固点。
碳原子從一個到八個的羧酸 ,其熔點(藍色)和沸點(粉紅色)的圖,單位為°C 大部份物質的熔點和凝固點是一樣的。例如汞 的熔点和凝固点都是234.32K (−38.83 °C ;−37.89 °F )[ 2] 。不過有些物質的熔点和凝固點不同,例如洋菜 熔點是85 °C(185 °F;358 K),凝固點是31 °C(88 °F;304 K),這種差異稱為遲滯現象 。冰在一大氣壓下力下的熔點很接近[ 3] 0 °C(32 °F;273 K),這也稱為冰點。但因為成核 物質的影響,水的熔點和凝固点不一定相同。若沒有成核物質,水可以过冷 到−48.3 °C(−54.9 °F;224.8 K)才結冰。
熔點最高的化學元素是钨 ,熔點是3,414 °C(6,177 °F;3,687 K)[ 4] ,因此钨適合用在白熾燈 的燈絲上。碳在常壓下不會熔化,而是會在3,700 °C(6,700 °F;4,000 K)直接升华 ,只有在壓力10 MPa(99 atm),溫度到4,030—4,430 °C(7,290—8,010 °F;4,300—4,700 K)時才會變液態。碳化钽铪 (Ta4 HfC5 )是耐火材料 ,熔點可以到4,215 K(3,942 °C;7,127 °F)[ 5] 。量子機械電腦的模擬預測合金HfN0.38 C0.51 的熔點更高(約4400 K)[ 6] ,是常壓下熔點最高的物質。此估計後來也經由實驗證實[ 7] 。若考慮低凝固點的物質,氦 在常壓下,就算溫度低到接近绝对零度 也不會凝固,需要壓力超過20大氣壓才能使其凝固。
水的熔點和壓力的關係 固體要熔化,需要加熱使其溫度到達熔點。之後還要再繼續加熱才會熔化,使其熔化所加的熱是熔化热 ,因為過程中溫度不變,屬於潛熱 。
在压力 的大幅變化下,熔點也會變化,但熔點相對压力的靈敏度比沸点 要低,因為固態到液態的相變其體積變化不大[ 8] [ 9] 。大部份的情形下,固態的物質密度會比液態的要大,因此其熔點會因為壓力增加而上昇。否則,其熔點會因為壓力增加而下降。水就是後者著名的例子,在右圖中有相關的說明,而矽、鍺、鎵、鉍也有類似的特性。在特別大的壓力變化下,會看到熔點的顯著變化。例如,矽在常壓(0.1 MPa)下的熔點是1415 °C,但若壓力超過10 GPa,其熔點會降到1000 °C.[ 10] 。
有机化学 中的Carnelley法則是由Thomas Carnelley在1882年提出的,其中提到「高分子对称性 和高熔點有關。」[ 11] Carnelley依其法則檢驗了一萬五千種化合物。例如化学式 都是C5 H12 的三種结构异构 物中,新戊烷 的熔點最高,是−16.4 °C (256.8 K),再來是正戊烷 的 −129.8 °C (143 K),最低的是异戊烷 的 −160 °C (113 K)[ 12] 。類似的情形出現在二甲苯 和二氯苯 ,間異構物熔點最低,再來是鄰異構物,對異構物熔點最高。吡啶 的對稱性比苯 要低,因此其熔點也比較低,而二嗪 熔點就比較高,三嗪 熔點就更高。許多籠狀化合物(例如金刚烷 及立方烷 )有高對稱性,其熔點也很高。
高熔點對應高熔化热 ,低熔化熵 ( 英语 : entropy of fusion ) 。高度對稱的分子,其晶相緊密,有許多的分子間作用力,因此熔化的焓變比較大。
四(三甲基矽基)矽烷 類似其他高對稱性的化合物,熔點很高,為319-321°。此化合物很容易升華,因此檢測熔點時需將其密封在容器內[ 13] 弗雷德里克·林德曼 在1910年就想要預測晶體物質的熔點,是最早有此想法的人[ 14] 。其理論背後的概念是觀察在溫度上昇時,熱振動的平均振幅也會上昇。當振幅大到鄰近原子開始要佔據同一個空間時,熔化就開始了。林德曼準則認為當振動均方根振幅 超過一定值時,就開始熔化了。
假設在晶體中的所有原子都以相同的頻率ν 振動,其平均熱能可以用能量均分定理 估計[ 15]
E = 4 π 2 m ν 2 u 2 = k B T {\displaystyle E=4\pi ^{2}m\nu ^{2}~u^{2}=k_{\rm {B}}T} 其中m 是原子量 ,ν 是頻率 ,u 是平均振動振幅,k B 是波茲曼常數 ,T 是热力学温度 。若u2 的閾值是c2 a2 ,其中c 是林德曼因子 ( 英语 : Lindemann index ) ,而a 是原子間距 ,熔點估計是
T m = 4 π 2 m ν 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}}}}.} 依照平均熱能的估計方式不同,也有許多其他的估計公式。另一個常用的公式是[ 16]
T m = 4 π 2 m ν 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}}}}.} 從德拜模型 ν 的表示式,可以得到
T m = 2 π m c 2 a 2 θ 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}}}} 其中θ D 是德拜溫度,h 是普朗克常数 。針對大部份的材料,c 的值範圍從0.15到0.3[ 17] 。
阿法埃莎 在2011年2月在釋放了超過一萬個其型錄上物質的熔點作為開放資料 。此資料集可以創建熔點預測的随机森林 模型,而且可以免費取得[ 18] 。在《Nature Precedings》中也可以取得開放的熔點資料[ 19] 。Tetko等人從專利中找到高品質的資料[ 20] ,以該資料的模型也已發表[ 21] 。
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