Schmelzpunkt
Temperatur, bei der ein Stoff schmilzt
From Wikipedia, the free encyclopedia
Der Schmelzpunkt (Smp., engl. Melting point (Mp.) oder auch Schmelztemperatur genannt) bezeichnet die Temperatur, bei der ein Stoff bei einem bestimmten Druck schmilzt, d. h. vom festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht. Genauer ist sie ein spezieller Punkt in der Schmelzkurve. Dieser Schmelzpunkt ist abhängig vom Stoff, aber im Gegensatz zur Siedetemperatur nur sehr wenig vom Druck (Schmelzdruck). Durch diese Abhängigkeit wird für eine höhere Genauigkeit der Tripelpunkt oder die Angabe des exakten Druckes bevorzugt.[1][2] Manche Stoffe können nicht schmelzen, weil sie vorher chemisch zerfallen, und andere können bei Normalbedingungen nur sublimieren.
| Material | °C | K |
|---|---|---|
| Helium (bei 26 bar) | −272,2 | 0,955 |
| Wasserstoff | −259 | 14 |
| Deuterium | −254 | 19 |
| Tritium | −253 | 20 |
| Neon | −248 | 25 |
| Sauerstoff | −218 | 55 |
| Stickstoff | −210 | 63 |
| Ozon | −193 | 80 |
| Ethanol (C2H5OH) | −114 | 159 |
| Chlor | −102 | 171 |
| Motorenbenzin | −40 | 233 |
| Quecksilber | −38,36 | 234,795 |
| Glykoldinitrat | −22 | 251 |
| Wasser | 0 | 273,152 |
| Nitroglycerin | 2 | 275,95 |
| Benzol | 5,5 | 278,7 |
| Bienenwachs | ≈62 | 335,15 |
| Naphthalin | 80 | 353 |
| Trinitrotoluol | 80,35 | 353,20 |
| Schwefel (rhombisch) | 113 | 386 |
| Schwefel (monoklin) | 119 | 392 |
| Zucker | 160 | 433 |
| Lithium | 180 | 453 |
| Zinn | 231 | 504 |
| Blei | 327,4 | 600,6 |
| Zink | 419,5 | 692,7 |
| Aluminium | 660,32 | 933,48 |
| Kochsalz | 801 | 1074 |
| Silber | 960,8 | 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 |
Für reine chemische Elemente ist der Schmelzpunkt identisch mit dem Gefrierpunkt. Durch Verunreinigungen bzw. bei Gemischen wird die Schmelztemperatur in der Regel erniedrigt. Die Schmelzpunkterniedrigung 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 einer thermischen Hysterese. Dies ist zum Beispiel bei reinem Wasser der Fall; ohne Nukleationskeime und unter einem Druck von 1 bar gefriert Wasser bei ca. −40 °C und schmilzt bei ca. 0 °C.
Amorphe Werkstoffe wie Gläser und einige Kunststoffe, z. B. Polystyrol, schmelzen nicht; sie erweichen bei Temperaturen oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur. Bei teilkristallinen Polymeren wie Polyethylen oder Polyamid erfolgt das Schmelzen im Gegensatz zu monomeren Substanzen, die normalerweise einen scharfen Schmelzpunkt aufweisen, über ein breites Temperaturintervall. Zudem kann die Schmelztemperatur durch Rekristallisationsprozesse während des Schmelzvorganges steigen. Aus diesen Gründen wird zur Definition der Temperaturbelastbarkeit statt der Schmelztemperatur eine Erweichungstemperatur herangezogen. Auch Stoffgemische, darunter die meisten Legierungen, schmelzen für gewöhnlich nicht bei einer definierten Temperatur, sondern innerhalb eines Temperaturintervalls. Daher ist in diesen Fällen die Bezeichnung Schmelzbereich oder Schmelzintervall treffender.[3][4]
Die Schmelztemperatur zählt mit der Dichte, Risszähigkeit, Festigkeit, Duktilität und der Härte, zu den Werkstoffeigenschaften eines Werkstoffes.
Die größte Differenz zwischen Schmelz- und Siedepunkt besitzt das Element Neptunium, das bei Normaldruck von 630 °C bis 3900 °C, also über einen Temperaturbereich von 3270 K flüssig vorliegt. Den kleinsten Flüssigbereich hat das Edelgas Neon mit 2,3 K (von −248,6 °C bis −246,3 °C).[5]
Druckabhängigkeit
Der Schmelzpunkt hängt zwar vom Druck 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 des Atmosphärendrucks – die merkliche Änderungen des Siedepunkts bewirken können – praktisch nicht auf den Schmelzpunkt auswirken.
Für das Schmelzen gilt wie für andere Phasenumwandlungen die Clapeyron-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, und HM die Schmelzenthalpie. 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 von Eis um −0,76 K. Eis schmilzt also unter Druck leichter, während sich der Schmelzpunkt von Tetrachlorkohlenstoff um +3,7 K erhöht. Die Tatsache, dass sich der Schmelzpunkt von Eis oder beispielsweise auch von Bismut bei Druckerhöhung erniedrigt, folgt daraus, dass ihr Volumen beim Schmelzen verringert wird: Dann ist in der obigen Gleichung ΔV und ΔT negativ.
Analytik
Die Bestimmung des Schmelzpunkts einer Substanz ist auch von großer Bedeutung in der qualitativen Analytik, einschließlich der Identitätsprüfung, 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 kristallisierende Derivate umgewandelt: Alkohole können beispielsweise durch die Messung der Schmelzpunkte ihrer Ester der 4-Nitrobenzoesäure oder der 3,5-Dinitrobenzoesäure identifiziert werden. Hierzu wird die zu analysierende Substanz in Gegenwart geringer Mengen Schwefelsäure umgesetzt. Die Schmelzpunkte dieser Derivate sind in der Regel scharf.
 |  |
| Nachweis von Isopropanol als Derivat der 4-Nitrobenzoesäure: 4-Nitrobenzoesäure-2-propylester (Smp.: 100,5 °C[6]) | Nachweis von Isopropanol 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]
Bestimmung
Eine ungefähre Messung ist mit einem Thermometer 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 durch Konvektion strömenden Ölbad geschmolzen wird
- Apparatur nach DAB, mit Normschliff 29/32, bestehend aus Kolben von ca. 100 ml und Einsatzrohr mit Entlüftungsloch
- Apparatur nach Dr. C. F. Linström (oft fälschlich auch Lindström geschrieben), hierbei wird die Probe in einem Kupferblock bis zum Schmelzpunkt erwärmt[9]
- Heiztischapparatur nach Kofler (siehe auch Kofler-Heizbank), Tottoli[10]
- Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
- Bei der Kapillarmethode 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 sie nicht 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 der Transmission. Während der kristalline Feststoff eine hohe Opazität aufweist, steigt am Schmelzpunkt die Lichtdurchlässigkeit rasch an. Die am Höhepunkt des Anstiegs gemessene Temperatur wird als Schmelzpunkt ausgegeben.
Siehe auch
- Molare Schmelzpunkterniedrigung
- Sofortschmelzpunkt
- Thermodiffere
Weblinks
- Schmelzpunkte der chemischen Elemente des Periodensystems nach verschiedenen Kriterien (Ordnungszahl, Name, Wert auf-, absteigend) sortierbar.