AP Chemistry

nhiệt độ nóng chảy

melting point

Còn gọi: điểm nóng chảy · normal melting point

Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ tại đó chất rắn chuyển sang lỏng ở áp suất xác định, thường là một atm.

Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ xác định tại đó cấu trúc tinh thể của chất rắn bị phá vỡ để chuyển sang trạng thái chất lỏng dưới một áp suất (pressure) chuẩn. Đây là một tính chất vật lý đặc trưng, được xếp vào nhóm tính chất cường độ, nên giá trị của nó không hề thay đổi dù ta khảo sát một mẫu chất lớn hay nhỏ. Vì vậy, các nhà hóa học thường dựa vào con số này để nhận diện chất hoặc đánh giá độ tinh khiết của mẫu thí nghiệm, vì tạp chất thường làm khoảng nóng chảy bị rộng ra.

Giá trị của nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc hoàn toàn vào bản chất của các lực liên phân tử đang giam giữ các hạt trong mạng lưới. Nhờ đó, những chất có mạng tinh thể ion bền vững với năng lượng mạng lưới lớn, hoặc các chất có liên kết hydro dày đặc, thường đòi hỏi nhiệt lượng (heat) lớn để phá vỡ liên kết và dẫn đến điểm nóng chảy cao. Ngược lại, các chất chỉ tương tác bằng lực phân tán yếu ớt như các khí hiếm hay các halogen sẽ chuyển sang trạng thái lỏng ngay cả ở nhiệt độ rất thấp.

Tại chính điểm chuyển pha (phase change) này, hệ thống đạt trạng thái cân bằng động giữa hai pha rắn và lỏng, khiến cho tốc độ nóng chảy cân bằng hoàn toàn với tốc độ kết tinh. Do đó, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ đông đặc của một chất là trùng nhau tại cùng một điều kiện áp suất. Tuy nhiên, trong thực tế phòng thí nghiệm, nếu làm lạnh quá nhanh, chất lỏng đôi khi không đông đặc lại ngay mà rơi vào trạng thái quá lạnh, khiến nhiệt độ đo được chênh lệch đôi chút so với giá trị lý thuyết.

Ký hiệu

T_m

Đơn vị$^\circ\text{C}$, $\text{K}$

Trực giác: Hãy tưởng tượng các phân tử trong chất rắn như những người lính đứng nghiêm trong đội hình; khi nhiệt độ tăng lên, họ bắt đầu dao động ngày càng mạnh cho đến khi hàng ngũ nới lỏng và họ có thể trượt qua nhau nhưng vẫn giữ sát gần trong cùng một khu vực.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1910Frederick LindemannThomas Carnelley

Cụm từ chỉ nhiệt độ nóng chảy đã đi vào tiếng Anh từ thập niên 1830, khi hóa học thực nghiệm bắt đầu dùng mốc nhiệt này để nhận diện chất; mãi đến năm 1910 Frederick Lindemann mới đưa ra nỗ lực đầu tiên dự đoán nó bằng lý thuyết.

Trong suốt thế kỷ 19, nhiệt độ nóng chảy trước hết là một con số đo được chứ chưa phải một đại lượng giải thích được. Thomas Carnelley thiết lập quy tắc Carnelley (Carnelley's rule) năm 1882 và cho công bố các bảng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi trong những năm 1885–1887, biến dữ liệu rời rạc thành công cụ tra cứu. Sang năm 1910, Frederick Lindemann thử giải thích tận gốc: khi nhiệt độ tăng, biên độ dao động nhiệt của nguyên tử tăng theo, và chất rắn bắt đầu chảy khi biên độ đó lớn tới mức các nguyên tử cạnh nhau lấn vào chỗ của nhau. Dùng định lý phân bố đều năng lượng (equipartition theorem), ông viết $E = 4\pi^2 m \nu^2 u^2 = k_B T$ , tức năng lượng dao động trung bình tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.

Hay hiểu sai

Nóng chảy chất phân tử không phá vỡ liên kết cộng hóa trị.

So sánh nhiệt độ nóng chảy của hợp chất ion mà chỉ nhìn điện tích là chưa đủ.

Nung nóng tới điểm nóng chảy và làm nóng chảy là hai lượng nhiệt riêng biệt.

Nhiệt độ không tăng trong suốt quá trình nóng chảy.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Nhôm phế liệu được tái chế bằng cách nung chảy kim loại để tạp chất bay hơi. Xét 1.00 mol Al ban đầu ở 298 K. Nhiệt độ nóng chảy của Al là 933 K, nhiệt dung mol (molar heat capacity) của Al rắn là 24 J/(mol·K), và nhiệt nóng chảy (heat of fusion) là 10.7 kJ/mol.

aTính nhiệt lượng cần cung cấp để đưa 1.00 mol Al rắn từ 298 K lên đúng nhiệt độ nóng chảy.
bTính tổng nhiệt lượng cần thiết để 1.00 mol Al ở 298 K nóng chảy hoàn toàn, và giải thích vì sao nhiệt độ không tăng trong suốt giai đoạn nóng chảy.

1Bước 1: Trước khi đặt bút tính, hãy tách quá trình thành hai chặng có bản chất khác nhau. Chặng thứ nhất là nung nóng khối nhôm vẫn ở thể rắn từ 298 K lên 933 K, ở đây nhiệt độ thay đổi nên phải dùng nhiệt dung mol. Chặng thứ hai là chuyển pha tại đúng 933 K, ở đây nhiệt độ đứng yên nên phải dùng nhiệt nóng chảy. Việc trộn lẫn hai chặng là lỗi phổ biến nhất và thường bị trừ hết điểm tính toán.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyLực liên phân tử · bài “Lực liên phân tử và giữa các hạt” — khoá AP Chemistry

Cần trướcchuyển pha (sắp có)lực hút giữa các phân tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nhiệt độ đông đặc (freezing point)freezing point

Khác nhau ở đâuNhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ tại đó chất rắn chuyển thành chất lỏng. Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ tại đó chất lỏng chuyển thành chất rắn.

Hay nhầm khiKhi đề cho một giá trị nhiệt độ và hỏi đây là quá trình nóng chảy hay đông đặc.

nhiệt độ sôi (boiling point)boiling point

Khác nhau ở đâuNhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ chuyển từ rắn sang lỏng. Nhiệt độ sôi là nhiệt độ chuyển từ lỏng sang khí.

Hay nhầm khiKhi đọc đường cong gia nhiệt và nhầm đoạn nằm ngang ở dưới với đoạn nằm ngang ở trên.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 58, 61, 108.

2Ví dụ 2/2

Cho nhiệt độ nóng chảy của bốn chất ở áp suất 1 atm: NaCl là 801 °C, MgO là 2852 °C, CO₂ thăng hoa ở −78 °C, và SiO₂ (thạch anh) là 1713 °C.

aGiải thích vì sao MgO có nhiệt độ nóng chảy cao hơn NaCl rất nhiều, dựa trên cấu trúc và lực tương tác.
bGiải thích vì sao SiO₂ có nhiệt độ nóng chảy cao hơn CO₂ rất nhiều, dù cả hai đều là oxide của nguyên tố nhóm 14.

1Bước 1: Câu hỏi kiểu này luôn bắt đầu bằng việc xác định loại liên kết bị phá vỡ khi chất nóng chảy. Cả NaCl và MgO đều là chất rắn ion, nên khi nóng chảy ta phải thắng lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu trong toàn mạng. Do đó phép so sánh phải quy về độ mạnh của lực hút đó chứ không được nhắc tới lực liên phân tử.

2Bước 2: Độ mạnh của tương tác ion tuân theo định luật Coulomb,

E \propto \dfrac{q_1 q_2}{d}

, trong đó

q_1

và

q_2

là điện tích của hai ion còn

d

là khoảng cách giữa hai tâm ion. Trong MgO các ion mang điện tích

2+

và

2-

, còn trong NaCl chỉ là

1+

và

1-

, nên riêng tích điện tích đã lớn gấp bốn lần. Thêm vào đó,

\text{Mg}^{2+}

nhỏ hơn

\text{Na}^{+}

và

\text{O}^{2-}

nhỏ hơn

\text{Cl}^{-}

, làm

d

giảm và lực hút càng mạnh. Vì vậy MgO cần nhiệt độ cao hơn hẳn để mạng sụp đổ.

3Bước 3: Sang ý (b), điều quyết định không còn là điện tích mà là kiểu cấu trúc rắn. CO₂ rắn gồm các phân tử riêng biệt được giữ với nhau chỉ bằng lực London (London dispersion forces) yếu, nên khi làm nóng ta chỉ cần tách các phân tử ra khỏi nhau chứ không đụng tới liên kết C=O bên trong. Đó là lý do đá khô thăng hoa ngay ở −78 °C.

4Bước 4: Ngược lại, SiO₂ là mạng tinh thể cộng hóa trị (covalent network): mỗi nguyên tử Si liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử O và mỗi O nối hai Si, tạo thành một khối liên kết liên tục không có phân tử riêng lẻ. Muốn nóng chảy, phải bẻ gãy chính các liên kết cộng hóa trị Si–O rất bền, chứ không phải chỉ nới lỏng lực liên phân tử. Nhờ đó nhiệt độ nóng chảy vọt lên tới 1713 °C.

MgO nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn NaCl vì các ion của nó mang điện tích lớn gấp đôi và có bán kính nhỏ hơn, khiến lực hút Coulomb trong mạng ion mạnh hơn nhiều. SiO₂ nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn CO₂ vì SiO₂ là mạng cộng hóa trị đòi hỏi bẻ gãy liên kết Si–O, còn CO₂ rắn chỉ là các phân tử rời được giữ bằng lực London yếu.