AP Chemistry

sự nóng chảy

melting

Còn gọi: nóng chảy · chuyển rắn sang lỏng · solid-to-liquid transition

Sự nóng chảy là quá trình chuyển pha từ thể rắn sang thể lỏng, xảy ra khi chất rắn được đun nóng đến nhiệt độ nóng chảy.

Sự nóng chảy (melting) là quá trình chuyển pha trong đó một chất chuyển từ thể rắn sang thể lỏng. Trong chất rắn, các hạt — nguyên tử, phân tử hoặc ion — được giữ cố định bởi lực liên phân tử mạnh và chỉ dao động quanh vị trí cân bằng. Khi cung cấp nhiệt, các hạt dao động ngày càng mạnh cho đến khi động năng (kinetic energy) thắng được lực giữ cố định, nhờ đó chúng bắt đầu trượt lên nhau và chất mất dần hình dạng xác định ban đầu.

Chính vì vậy, quá trình này chỉ xảy ra khi nhiệt độ đạt đến một giá trị xác định, gọi là điểm nóng chảy, ký hiệu $T_m$ . Ở chất tinh khiết, nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình nóng chảy dù ta vẫn tiếp tục cung cấp nhiệt, vì toàn bộ năng lượng nhận được dùng để phá vỡ trật tự mạng tinh thể thay vì làm tăng động năng trung bình của các hạt. Nhiệt lượng cần thiết để chuyển một mol chất từ thể rắn sang thể lỏng tại điểm nóng chảy được gọi là entanpy nóng chảy, ký hiệu $\Delta H_{\text{fus}}$ .

Đáng chú ý, điểm nóng chảy là một tính chất cường độ (intensive property), nghĩa là nó không phụ thuộc vào lượng chất đang xét. Nhờ vậy, ta có thể dùng điểm nóng chảy để nhận biết một chất tinh khiết hoặc đánh giá độ tinh khiết của mẫu — chất lẫn tạp thường nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn và trong khoảng nhiệt độ rộng hơn. Mặt khác, so với quá trình đông đặc, sự nóng chảy là một biến đổi vật lý vì thành phần hóa học của chất không hề thay đổi.

Ký hiệu

• $T_m$ : điểm nóng chảy
• $\Delta H_{\text{fus}}$ : entanpy nóng chảy

Đơn vịNhiệt độ: K hoặc °C; entanpy nóng chảy: kJ/mol

Trực giác: Một khối nước đá tan trên mặt bàn ấm giống như một đội quân đứng nghiêm bỗng được lệnh giải tán: các phân tử vẫn còn đó nhưng không còn giữ đội hình nữa.

Công thức

q = \htmlClass{fp-2}{\htmlClass{fp-0}{n} \cdot \htmlClass{fp-1}{\Delta H_{fus}}}

Dùng khi cần tính nhiệt lượng để làm nóng chảy hoàn toàn một lượng chất đã ở đúng nhiệt độ nóng chảy; không áp dụng cho giai đoạn tăng nhiệt độ trước hay sau khi nóng chảy.

Trong đó

q

Nhiệt lượng chất hấp thụ trong quá trình nóng chảy — J

\text{ hoặc }

n

Số mol của chất rắn — mol

\Delta H_{fus}

Nhiệt nóng chảy (molar heat of fusion) — năng lượng cần để nóng chảy một mol chất ở nhiệt độ nóng chảy — kJ/mol

Hay hiểu sai

Nóng chảy không bẻ gãy liên kết cộng hóa trị trong phân tử.

Trong lúc chất đang nóng chảy, nhiệt độ đứng yên chứ không tăng.

Nung nóng rồi mới làm nóng chảy là hai bước, không phải một.

Nóng chảy luôn là quá trình thu nhiệt, dấu của $\Delta H$ phải dương.

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. Một mẫu chứa đúng 1,00 mol Al ban đầu ở 298 K, được đun nóng đến điểm nóng chảy 933 K rồi chuyển hoàn toàn thành thể lỏng ở nhiệt độ đó. Cho nhiệt dung mol (molar heat capacity) của Al rắn là 24 J/(mol·K) và nhiệt nóng chảy (heat of fusion) của Al là 10,7 kJ/mol.

aTính tổng nhiệt lượng cần cung cấp để đưa 1,00 mol Al từ 298 K sang thể lỏng ở 933 K.
bTrong lúc nhôm đang nóng chảy, nhiệt vẫn được cung cấp liên tục nhưng nhiệt độ giữ nguyên 933 K. Giải thích hiện tượng này ở mức vi mô.

1Bước 1: Trước hết cần nhận ra quá trình gồm hai chặng khác hẳn nhau về bản chất: chặng đun nóng chất rắn từ 298 K lên 933 K, và chặng chuyển pha rắn sang lỏng ngay tại 933 K. Nhiệt lượng của hai chặng được tính bằng hai công thức riêng nên phải tách ra rồi cộng lại, tuyệt đối không gộp thành một phép nhân duy nhất.

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 “Chất rắn, chất lỏng và chất khí” — khoá AP Chemistry

Cần trướclực hút giữa các phân tử (sắp có)nhiệt độ

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

sự thăng hoasublimation

Khác nhau ở đâuSự nóng chảy chuyển chất rắn thành chất lỏng khi nhiệt độ đạt điểm nóng chảy. Sự thăng hoa chuyển chất rắn trực tiếp thành chất khí mà không đi qua pha lỏng.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi về chuyển pha bắt đầu từ chất rắn nhưng không xuất hiện pha lỏng trung gian.

sự sôiboiling

Khác nhau ở đâuSự nóng chảy phá vỡ trật tự mạng tinh thể để chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng. Sự sôi cung cấp năng lượng đủ để phân tử chất lỏng thoát hoàn toàn thành pha khí.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi về đoạn nhiệt độ không đổi trên đường cong gia nhiệt và yêu cầu xác định đó là quá trình nào.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 53, 58, 61.

2Ví dụ 2/2

Bảng dưới đây cho nhiệt độ nóng chảy của ba chất rắn: MgO là 2852 °C, NaF là 993 °C và

\text{I}_2

là 114 °C. Bán kính ion của

\text{Mg}^{2+}

và

\text{Na}^{+}

gần nhau, bán kính của

\text{O}^{2-}

và

\text{F}^{-}

cũng vậy.

aGiải thích vì sao MgO nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn NaF rất nhiều.
bGiải thích vì sao $\text{I}_2$ nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn hẳn cả hai chất còn lại.

1Bước 1: Điểm mấu chốt của mọi câu hỏi so sánh nhiệt độ nóng chảy là: chất nào cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ lực hút giữa các hạt trong mạng thì chất đó nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn. Vì vậy trước khi so sánh phải xác định loại hạt và loại lực trong từng mạng tinh thể. MgO và NaF đều là mạng ion, còn

\text{I}_2

là mạng phân tử.

2Bước 2: Với hai chất ion, độ mạnh của lực hút tuân theo định luật Coulomb (Coulomb's law):

E \propto \frac{Q_1 Q_2}{d}

trong đó

Q_1, Q_2

là điện tích của hai ion và

d

là khoảng cách giữa tâm hai ion. Công thức nói rằng điện tích càng lớn và ion càng sát nhau thì lực hút càng mạnh.

3Bước 3: Trong MgO tích điện tích là

(+2)(-2) = -4

, còn trong NaF chỉ là

(+1)(-1) = -1

, tức lớn gấp bốn lần về độ lớn. Đề đã cho biết bán kính các ion tương ứng gần nhau nên

d

của hai mạng xấp xỉ bằng nhau và không thể là nguyên nhân gây chênh lệch. Do đó lực hút tĩnh điện trong MgO mạnh hơn nhiều, năng lượng mạng lớn hơn, và nhiệt độ nóng chảy cao hơn hẳn.

4Bước 4: Sang ý (b), khi

\text{I}_2

nóng chảy thì thứ bị phá vỡ chỉ là lực hút giữa các phân tử

\text{I}_2

trung hòa điện, cụ thể là lực khuếch tán London (London dispersion forces). Liên kết cộng hóa trị I–I bên trong mỗi phân tử vẫn nguyên vẹn, vì sự nóng chảy là biến đổi vật lý chứ không phải phản ứng hóa học.

5Bước 5: Lực giữa các phân tử yếu hơn nhiều bậc so với lực hút giữa các ion mang điện tích trái dấu trong mạng. Nhờ đó chỉ cần cung cấp một lượng nhiệt khiêm tốn là các phân tử iot đã đủ động năng để trượt lên nhau, nên

\text{I}_2

nóng chảy ở 114 °C, thấp hơn hàng nghìn độ so với hai chất ion.

6Bước 6: Khi viết câu trả lời trên bài thi, cần nêu đủ ba yếu tố mà người chấm tìm: loại lực bị phá vỡ, so sánh độ mạnh của lực, và kết luận về nhiệt độ nóng chảy. Nếu chỉ nói "MgO có liên kết ion mạnh hơn" mà không nhắc đến điện tích

+2

và

-2

thì lập luận bị coi là chưa đầy đủ.

MgO nóng chảy cao hơn NaF vì các ion $\text{Mg}^{2+}$ và $\text{O}^{2-}$ mang điện tích gấp đôi trong khi khoảng cách giữa các ion gần như không đổi, khiến lực hút tĩnh điện và năng lượng mạng lớn hơn nhiều. Còn $\text{I}_2$ nóng chảy rất thấp vì khi tan chảy nó chỉ phải thắng lực khuếch tán London giữa các phân tử, yếu hơn hẳn lực hút giữa các ion trái dấu.