熔化热 ,亦称熔解热 [ 1] ,是单位质量物质由固态转化为液态时,物体需要吸收的热量[ 1] 。物体熔化时的温度称为熔点 。
熔化热是一种潜热 ,在熔化 的过程中,物质不断吸收热量 而温度 不变,因此不能通过温度的变化直接探测到这一热量。每种物质具有不同的熔化热。晶体 在一定压强下具有固定的熔点,也具有固定的熔化热;非晶体,比如玻璃 和塑料 ,不具有固定的熔点,因而也不具有固定的熔化热。[ 2]
同一种物质中,液态 比固态 拥有更高的内能 ,因此,在熔化的过程中,固态物质要吸收热量来转变为液态。同样,物质由液态转变为固态时,也要释放相同的能量。[ 1] 液体中的物质微粒与固体中的相比,受到更小的分子间作用力 ,因此拥有更高的内能。
熔化热的数值在大多数情况下是大于0的,表示物体在熔化时吸热,在凝固时放热,而氦 是唯一的例外。氦-3 在温度为0.3开尔文 以下时,熔化热小于0。氦-4 在温度为0.8开尔文 以下是也轻微地显示出这种效应。这说明,在一定的恒定压强下,这些物质凝固时会吸收热量。
第三周期元素 的摩尔熔化热第二周期元素 的摩尔熔化热
更多信息 物质, 熔化热 (卡路里/克) ...
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数据均为1标准大气压 ,熔点时的值。
熔化热数据也能用来计算固体物质在水中的溶解度 。在理想溶液 中,溶质 达到饱和时的摩尔分数
x
2
{\displaystyle x_{2}}
是该溶质熔化热、熔点
T
f
u
s
{\displaystyle T_{f}us}
和溶液温度 的函数 。
ln
x
2
=
−
Δ
H
f
u
s
∘
R
(
1
T
−
1
T
f
u
s
)
{\displaystyle \ln x_{2}=-{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{R}}\left({\frac {1}{T}}-{\frac {1}{T_{\mathit {fus}}}}\right)}
这里的R是普适气体常数 。
比如,298K (约25℃ )时,对乙酰氨基酚 在水中的溶解度为:
x
2
=
exp
(
−
28100
J mol
−
1
8.314
J K
−
1
mol
−
1
(
1
298
−
1
442
)
)
=
0.0248
{\displaystyle x_{2}=\exp {\left(-{\frac {28100{\mbox{ J mol}}^{-1}}{8.314{\mbox{ J K}}^{-1}{\mbox{ mol}}^{-1}}}\left({\frac {1}{298}}-{\frac {1}{442}}\right)\right)}=0.0248}
换算为克 /升 :
0.0248
∗
1000
g
18.053
m
o
l
−
1
1
−
0.0248
∗
151.17
mol
−
1
=
213.4
{\displaystyle {\frac {0.0248*{\frac {1000\mathrm {g} }{18.053\mathrm {mol^{-1}} }}}{1-0.0248}}*151.17{\mbox{ mol}}^{-1}=213.4}
这样计算得出的理论值与实际值(240 g/L)的误差 为11%。由于溶液并不是理想溶液,若将额外的热容量 的影响考虑在内,将得到更精确的结果。[ 12]
固体在溶剂 中溶解,达到溶解平衡 后,溶液中的溶质与未溶固体的化学势 是相同的:
μ
s
o
l
i
d
∘
=
μ
s
o
l
u
t
i
o
n
∘
{\displaystyle \mu _{solid}^{\circ }=\mu _{solution}^{\circ }\,}
或
μ
s
o
l
i
d
∘
=
μ
l
i
q
u
i
d
∘
+
R
T
ln
X
2
{\displaystyle \mu _{solid}^{\circ }=\mu _{liquid}^{\circ }+RT\ln X_{2}\,}
其中
μ
l
i
q
u
i
d
∘
{\displaystyle \mu _{liquid}^{\circ }}
是该条件下,该固体熔液的化学势。这一步利用了理想溶液的假设和拉乌尔定律 。化简后得到:
R
T
ln
X
2
=
−
(
μ
l
i
q
u
i
d
∘
−
μ
s
o
l
i
d
∘
)
{\displaystyle RT\ln X_{2}=-(\mu _{liquid}^{\circ }-\mu _{solid}^{\circ })\,}
又因为:
Δ
G
f
u
s
∘
=
−
(
μ
l
i
q
u
i
d
∘
−
μ
s
o
l
i
d
∘
)
{\displaystyle \Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ }=-(\mu _{liquid}^{\circ }-\mu _{solid}^{\circ })\,}
其中
Δ
G
f
u
s
∘
{\displaystyle \Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ }}
是摩尔熔化自由焓 变。所以溶质固体和溶质熔液之间的化学势差异遵循以下方程:
R
T
ln
X
2
=
−
(
Δ
G
f
u
s
∘
)
{\displaystyle RT\ln X_{2}=-(\Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ })\,}
应用吉布斯-亥姆霍兹方程 :
(
∂
(
Δ
G
f
u
s
∘
T
)
∂
T
)
p
=
−
Δ
H
f
u
s
∘
T
2
{\displaystyle \left({\frac {\partial ({\frac {\Delta G_{\mathit {fus}}^{\circ }}{T}})}{\partial T}}\right)_{p\,}=-{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{T^{2}}}}
经过计算得到:
(
∂
(
ln
X
2
)
∂
T
)
=
Δ
H
f
u
s
∘
R
T
2
{\displaystyle \left({\frac {\partial (\ln X_{2})}{\partial T}}\right)={\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{RT^{2}}}}
或:
d
(
ln
X
2
)
=
Δ
H
f
u
s
∘
R
T
2
∗
d
T
{\displaystyle \mathrm {d} (\ln X_{2})={\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{RT^{2}}}*\mathrm {d} T}
对上面的方程等号两边进行积分 (忽略了摩尔熔化焓随温度的改变)
∫
X
2
=
1
X
2
=
x
2
d
(
ln
X
2
)
=
ln
x
2
=
∫
T
f
u
s
T
Δ
H
f
u
s
∘
R
T
2
∗
d
T
{\displaystyle \int _{X_{2}=1}^{X_{2}=x_{2}}\mathrm {d} (\ln X_{2})=\ln x_{2}=\int _{T_{\mathit {fus}}}^{T}{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{RT^{2}}}*\mathrm {d} T}
可以得到最终结果:
ln
x
2
=
−
Δ
H
f
u
s
∘
R
(
1
T
−
1
T
f
u
s
)
{\displaystyle \ln x_{2}=-{\frac {\Delta H_{\mathit {fus}}^{\circ }}{R}}\left({\frac {1}{T}}-{\frac {1}{T_{\mathit {fus}}}}\right)}
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Atkins, Peter; Jones, Loretta, Chemical Principles: The Quest for Insight 4th, W. H. Freeman and Company: 236, 2008, ISBN 0-7167-7355-4
Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, 2000, ISBN 0-12-530985-6