Плавление и кристаллизация
Стакан со льдом, который грелся от комнатного воздуха, больше получаса держался ровно на 0 °C, пока лёд таял.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Поставь на стол стакан со льдом при −12 °C. OpenStax показывает, что будет дальше. Через десять минут лёд нагрелся до 0 °C, и немного растаяло. Через тридцать минут растаяло больше, но термометр всё ещё показывает 0 °C. Только когда исчезает последний лёд, температура начинает расти и доходит до 22.2 °C. Всё это время лёд забирал теплоту из комнаты. Пока он таял, ни одна часть этой теплоты не повышала температуру.
Куда уходит теплота
В кристалле каждую молекулу удерживают на месте соседи. Если нагревать твёрдое тело, молекулы колеблются сильнее, и температура растёт. В точке плавления колебания становятся настолько сильными, что молекулы вырываются со своих мест. С этого момента подводимая энергия идёт на разрыв этих связей, а не на ускорение движения, поэтому температура не меняется, пока всё твёрдое тело не превратится в жидкость. Энергию, нужную для плавления одного моля твёрдого вещества, называют энтальпией плавления. Для льда она равна 6.01 кДж/моль, значит, чтобы растопить 18.02 г льда, нужно 6.01 кДж.
Много ли это, 6.01 кДж/моль? Сравни с нагреванием. Чтобы нагреть 1 г жидкой воды на 1 °C, нужно 4.18 Дж, значит, 18.02 г требуют около 75.3 Дж на градус. Тех же 6.01 кДж, которые растапливают моль льда, хватило бы, чтобы нагреть талую воду на 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C. Поэтому напиток со льдом так долго остаётся холодным: каждый кубик успевает поглотить много теплоты, прежде чем растает, и до тех пор напиток держится около 0 °C.
Кристаллизация идёт тем же путём в обратную сторону. Когда жидкая вода при 0 °C превращается в лёд, она отдаёт 6.01 кДж на каждый моль. Плавление поглощает теплоту (это эндотермический процесс), кристаллизация выделяет теплоту (это экзотермический процесс). Плавление и кристаллизация происходят при одной температуре, поэтому температура плавления льда и температура замерзания воды выражаются одним числом. В идеально теплоизолированном сосуде смесь льда и воды остаётся при этой температуре, а плавление и кристаллизация идут с одинаковой скоростью.
У каждого вещества своя температура плавления
До какой температуры нужно нагреть твёрдое тело, чтобы оно расплавилось, зависит от того, насколько сильно притягиваются его частицы. Значения ниже даны при давлении 1 атм по NIST Chemistry WebBook. Ртуть в этом списке является единственным металлом, который при комнатной температуре жидкий; она замерзает при −38.84 °C, поэтому ртутный термометр ниже этой температуры не работает. Азот и кислород, молекулы которых связаны лишь слабыми силами, плавятся более чем на 200 градусов ниже нуля.
| Вещество | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|
| Вода | 0 °C (273.15 К) | 100 °C (373.15 К) |
| Этанол | −114 °C (159 К) | 78.4 °C (351.5 К) |
| Ртуть | −38.84 °C (234.31 К) | 356.66 °C (629.81 К) |
| Азот | −209.9 °C (63.3 К) | −195.8 °C (77.34 К) |
| Кислород | −218.4 °C (54.8 К) | −183.0 °C (90.2 К) |
Каждое чистое вещество плавится при строго определённой температуре, поэтому химики используют температуру плавления как быструю проверку подлинности. Если образец начинает плавиться ниже ожидаемого значения, он, скорее всего, не чистый: растворённые примеси понижают температуру замерзания. Так же действует соль на обледеневшей дороге: солёный раствор замерзает ниже 0 °C, температуры замерзания чистой воды, поэтому лёд тает, хотя воздух холоднее 0 °C (OpenStax 11.4).
Пока твёрдое тело плавится, температура остаётся равной температуре плавления. Чтобы расплавить моль льда, нужно 6.01 кДж, и столько же он отдаёт при замерзании.
- Пока лёд при 0 °C тает, его температура…
- остаётся 0 °C
- медленно растёт
- опускается ниже 0 °C
- Сколько теплоты в кДж нужно, чтобы растопить 2.00 моль льда при 0 °C?
- Сколько теплоты в кДж нужно, чтобы растопить 90.1 г льда (18.02 г/моль)? Округли до 1 десятичного знака.
- Замерзающая вода…
- отдаёт теплоту
- поглощает теплоту
- не отдаёт и не поглощает теплоту
- Что из этого является жидкостью при 20 °C?
- Ртуть
- Азот
- Лёд
- Этанол плавится при 159 К. Сколько это в °C с точностью до градуса?
- Почему азот и кислород плавятся при таких низких температурах?
- Силы между их молекулами слабые
- Их молекулы очень тяжёлые
- В них нет атомов
- Белый порошок должен плавиться при 135 °C, но плавится в интервале от 120 до 128 °C. Какая причина вероятнее всего?
- Он не чистый
- Термометр показывает кельвины
- Температуры плавления меняются каждый день
- Почему соль растапливает лёд на дороге при −5 °C?
- Растворённая соль понижает температуру замерзания воды
- Соль теплее льда
- Соль вступает в реакцию и горит
- Расставь по температуре плавления, начиная с самой низкой.
- Температура остаётся равной температуре плавления, пока не расплавится всё твёрдое тело.
- Энтальпия плавления льда: 6.01 кДж/моль; при замерзании выделяется столько же.
- Температура плавления равна температуре замерзания.
- Чем сильнее притяжение между частицами, тем выше температура плавления.
Источники курса (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
Проверено: 2026-10-17