Anomenem punt de fusió (o temperatura de fusió) la temperatura en què una substància passa d'estat sòlid a estat líquid. La fusió és una propietat on es passa de la fase líquida a la fase sòlida d'un element.
El punt de fusió s'especifica generalment a la pressió atmosfèrica estàndard (1 atmosfera o 100.000 pascals) i per a una substància pura.
El punt de fusió d‟un element pur és sempre més alt que el d‟una substància impura. Per aquesta raó, els punts de fusió s'utilitzen sovint per caracteritzar compostos orgànics i inorgànics i per determinar-ne la puresa. Si augmenta la presència daltres components, es redueix el punt de fusió i més ampli serà linterval del punt de fusió.
Per comprendre millor el que hem dit, considerem un bloc de ferro i suposem que ho escalfem. Inicialment, la seva temperatura comença a pujar fins a assolir una temperatura en què el bloc de ferro comença a fondre's (estat líquid). La temperatura a què té lloc aquest procés s'anomena temperatura de fusió.
El procés de fusió d'un element es produeix a temperatura constant, com passa en qualsevol canvi de fase. La calor donada en el període de fusió s'anomena calor latent de fusió.
Factors que influeixen al punt de fusió d'una substància
El punt de fusió duna substància depèn de diversos factors fonamentals que influeixen en la quantitat denergia tèrmica necessària per trencar les interaccions que mantenen la seva estructura en estat sòlid.
1. Forces intermoleculars
La intensitat de les forces que mantenen unides les molècules o àtoms en un sòlid determina quanta energia es necessita per separar-les i convertir la substància en líquid. Algunes de les forces més importants són:
- Enllaços iònics Presents en compostos com la sal de taula (NaCl), són interaccions extremadament fortes entre ions de càrrega oposada. Això fa que els sòlids iònics tinguin punts de fusió molt alts.
- Forces de Van der Waals Són interaccions febles entre molècules no polars. Els sòlids formats per aquestes forces (com els gasos nobles en estat sòlid) tenen punts de fusió baixos perquè les forces d'atracció són fàcilment superades amb poca calor.
- Enllaços d'hidrogen Són forces intermoleculars més fortes que les de Van der Waals, presents en compostos com l'aigua (H₂O) o l'àcid acètic. Eleven el punt de fusió en comparació amb substàncies similars sense aquest tipus denllaç.
- Interaccions dipol-dipol : Es donen en molècules polars i afecten el punt de fusió segons la intensitat del dipol. Com més forta sigui l'atracció entre dipols, més alta serà la temperatura necessària per fondre la substància.
2. Estructura cristal·lina
La manera com els àtoms o molècules estan organitzats en un sòlid influeix directament en el seu punt de fusió:
- Sòlids amb xarxes cristal·lines fortes : Materials com els metalls, els cristalls iònics i els sòlids covalents (com el diamant i el quars) tenen estructures altament organitzades i fortes, cosa que requereix una gran quantitat d'energia per trencar-les. Això els atorga punts de fusió molt alts.
- Substàncies amorfes : Materials com el vidre i alguns polímers no tenen una estructura cristal·lina ben definida, per la qual cosa no presenten un punt de fusió exacte. En lloc de fondre's abruptament, s'estovien de manera progressiva en augmentar la temperatura.
3. Pressió
La pressió també juga un paper important al punt de fusió d'una substància:
- A la majoria dels sòlids, un augment de pressió provoca un increment en el punt de fusió, ja que les partícules estan més comprimides i requereixen més energia per moure's lliurement.
- Tot i això, hi ha excepcions. En el cas del gel (H₂O sòlid), augmentar la pressió disminueix el punt de fusió. Això passa perquè el gel té una estructura menys densa que l'aigua líquida, per la qual cosa en aplicar pressió s'afavoreix la transició a líquid.
Diferència entre el punt de fusió i el punt de congelació
La diferència principal entre el punt de fusió i el punt de congelació rau en el procés de canvi d'estat que descriuen:
- Punt de fusió : És la temperatura a la qual una substància passa d'estat sòlid a líquid quan se li aplica calor. En aquest punt, les partícules guanyen prou energia per vèncer les forces intermoleculars que les mantenien en una estructura rígida.
- Punt de congelació : És la temperatura a la qual una substància passa d'estat líquid a sòlid quan perd calor. Aquí les partícules redueixen la seva energia cinètica i s'ordenen en una estructura més estable, formant un sòlid.
En moltes substàncies pures, el punt de fusió i el punt de congelació tenen lloc a la mateixa temperatura, però en sentits oposats. Per exemple, l'aigua pura es fon i es congela a 0 ºC a pressió atmosfèrica normal. Tot i això, factors com la pressió o la presència d'impureses poden modificar el punt de congelació sense afectar el de fusió (per exemple, la sal disminueix el punt de congelació de l'aigua, però no el seu punt de fusió).
Com es determina el punt de fusió?
El mesurament del punt de fusió es realitza amb un equip anomenat Thiele o en un bloc de fusió. El procés es realitza de la manera següent:
- L'element s'introdueix en un tub capil·lar per col·locar-lo al Thiele
- S'escalfa el tub capil·lar lentament fins al moment en què canvia de fase.
- La temperatura registrada al canvi de fase correspon a la temperatura de fusió.
Punt eutèctic
El punt eutèctic és la temperatura mínima a la qual una barreja de dos o més components sòlids es pot fondre completament, transformant-se en líquid, sense que quedi cap fase sòlida. Aquest fenomen passa quan la barreja té una composició específica i fixa de les substàncies involucrades.
Al punt eutèctic, els components de la barreja es fonen a una temperatura única, més baixa que els punts de fusió de les substàncies pures per separat.
Quan s'assoleixen condicions eutèctiques, tant els components de la barreja es troben en equilibri entre la fase sòlida i la líquida, cosa que significa que les substàncies es fonen i es cristal·litzen a la mateixa temperatura. Aquest punt de fusió és important en la indústria i en la fabricació d'aliatges metàl·lics, ja que els aliatges eutèctics s'utilitzen per obtenir característiques específiques, com la duresa o la conductivitat tèrmica, que no s'assoleixen en fondre els metalls purs individualment.
En alguns casos, el punt eutèctic no només involucra dos components, sinó que pot ser una barreja de tres substàncies o més, cadascuna amb el seu propi punt de fusió.
Un exemple clàssic d´un aliatge eutèctic és la combinació de plom i estany, que té un punt eutèctic a una temperatura més baixa que la de cada metall per separat. Això fa que els aliatges eutèctics siguin útils per a aplicacions com la soldadura, on cal un punt de fusió baix per evitar danyar altres components.
Exemples de la temperatura de fusió d'alguns materials
Reportem els valors de les temperatures de fusió i els punts d‟ebullició d‟algunes substàncies determinades a una pressió d‟1 atm.
|
Substància química |
Punt de fusió en graus Celsius |
Punt d'ebullició en graus Celsius |
|
Aigua |
0 |
100 |
|
Hidrogen |
-259,19 |
-252,92 |
|
Carboni |
3526,8 |
4026,8 |
|
Alumini |
660,27 |
2518,8 |
|
Mercuri |
-38,77 |
356,68 |