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11.10:

相転移:融解と凝固

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Chemistry
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Phase Transitions: Melting and Freezing

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The particles of a solid tightly pack together through attractive forces and vibrate at fixed positions without disrupting the lattice.  The addition of heat causes the particles’ thermal energy to rise, and they vibrate faster. The particles move about and rearrange by partially overcoming the intermolecular forces. Subsequently, the lattice collapses, and the solid melts. This transition from solid to liquid is called melting or fusion, and the temperature at which it occurs is called the melting point or the fusion point.  The change in enthalpy that is required to completely melt 1 mole of a solid at its melting point is called its molar heat of fusion or its molar enthalpy of fusion. Since melting nearly always requires energy, it is an endothermic process with a positive enthalpy value — with a few exceptions. For example, when a mole of ice absorbs 6.02 kilojoules of heat energy from its surroundings, its temperature increases. When the temperature hits 0 °C, it begins to melt. For any substance, the heat of fusion is lower than the heat of vaporization. For instance, while melting a mole of ice requires merely 6.02 kilojoules of energy, vaporizing a mole of water requires 40.8 kilojoules of energy.  This is because vaporization involves the complete separation of molecules by breaking free from nearly all intermolecular forces. In comparison, melting involves only partially overcoming the attractive forces while the molecules continue to stay in close contact. The reverse of fusion, that is, the transition from liquid to solid, is called freezing or solidification. When liquid-phase molecules lose energy, their thermal motion decreases and the molecules pack close enough to re-establish the intermolecular forces. Eventually, the liquid converts into its solid form. Freezing is an exothermic process, and its enthalpy value is negative — with a few exceptions. Substances typically freeze at about the same temperature at which they melt. Although the enthalpy of freezing is negative, its magnitude is the same as the enthalpy of fusion. When a substance is held at its melting point or freezing point, the solid and liquid phases coexist. 

11.10:

相転移:融解と凝固

結晶性固体を加熱すると、その原子、分子、イオンの平均エネルギーが増大し、固体は高温になります。ある時点で、追加されたエネルギーは、固体の分子やイオンを固定している力を部分的に克服するのに十分な大きさになり、固体は液体状態に移行する、つまり融解するプロセスを開始します。この時点で、熱を加え続けても固体の温度上昇は止まり、固体がすべて溶けるまで一定の温度を保ちます。固体がすべて溶けて初めて、加熱を続けることで液体の温度が上昇します。

融解の途中で加熱を止め、固液混合物を完全に断熱された容器に入れて熱の出入りがないようにすれば、固相と液相は平衡状態を保つことができます。これは、優れた魔法瓶の中に氷と水の混合物を入れた場合とほぼ同じ状況です。熱の出入りがほとんどなく、固体の氷と液体の水の混合物が何時間も保たれます。平衡状態にある固体と液体の混合物では、融解と凝固の相互作用が同じ速度で起こり、そのため固体と液体の量は一定に保たれています。ある物質の固相と液相が平衡している温度を、固体の融点または液体の凝固点と呼びます。

通常、どちらの用語を使うかは、固体から液体(融解)、液体から固体(凝固)など、検討する相転移の方向によって決まります。結晶性固体の融解エンタルピーと融点は、結晶中に存在する単位間の引力の強さに依存します。弱い引力を持つ分子は低い融点の結晶を形成します。より強い引力を持つ粒子からなる結晶は、より高い温度で融解します。

ある物質1モルを固体状態から液体状態に変化させるのに必要な熱量が、その物質の融解エンタルピー ΔHfus です。氷の融解エンタルピーは0℃で6.0kJ/molです。融合(融解)は吸熱性です。

Eq1

その逆の過程である凍結は発熱過程であり、そのエンタルピー変化は0℃で6.0kJ/molです。

Eq1

このテキストは 、 Openstax 、 Chemistry 2e 、 Section 10.3 : Phase Transitions から引用しています。