गलनांक

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File:Melting ice thermometer.jpg
पानी में डाले गए बर्फ के टुकड़े 0 डिग्री सेल्सियस के अपने गलनांक तक पहुंचने पर पिघलने लगेंगे

किसी पदार्थ का गलनांक (द्रवीकरण बिंदु) वह तापमान होता है जिस पर वह पदार्थ की अवस्था को ठोस से तरल में बदलता है। गलनांक पर ठोस और तरल चरण (पदार्थ) थर्मोडायनामिक संतुलन में विद्यमान होते हैं। किसी पदार्थ का गलनांक दबाव पर निर्भर करता है और आमतौर पर तापमान और दबाव जैसे 1 वायुमंडल (इकाई) या 100 पास्कल (इकाई) के लिए मानक दबाव में निर्दिष्ट होता है।

जब तापमान को तरल से ठोस में परिवर्तित किया जाता है, तो इसे हिमांक या क्रिस्टलीकरण बिंदु कहा जाता है। पदार्थों के सुपरकूलिंग क्षमता के कारण हिमांक आसानी से अपने वास्तविक मान से नीचे दिखाई दे सकता है। जब किसी पदार्थ की विशेषता हिमांक बिंदु निर्धारित किया जाता है, वास्तव में, वास्तविक कार्यप्रणाली लगभग बर्फ के गठन के बाद गायब होने का निरीक्षण करने का सिद्धांत है, जो कि गलनांक हैं।[1]


उदाहरण

Further information: गलनांक द्वारा तत्वों की सूची
File:Carboxylic.Acids.Melting.&.Boiling.Points.jpg
पहले आठ कार्बोक्जिलिक एसिड (डिग्री सेल्सियस) के गलनांक (नीले रंग में) और क्वथनांक (गुलाबी रंग में)

अधिकांश पदार्थों के गलनांक और हिमांक लगभग बराबर होते हैं। उदाहरण के लिए, पारा (तत्व) का गलनांक और हिमांक[convert: invalid number][2] है। जबकि कुछ पदार्थों में अलग-अलग ठोस-तरल संक्रमण तापमान होते हैं। उदाहरण के लिए, अगर 85 °C (185 °F; 358 K) पिघलता है 31 °C (88 °F; 304 K)से जमता तो ऐसी दिशा निर्भरता को हिस्टैरिसीस के रूप में जाना जाता है। दबाव के एक वातावरण में बर्फ का गलनांक 0 °C (32 °F; 273 K)बहुत करीब होता है।इसे आइस पॉइंट के नाम से भी जाना जाता है। केंद्रक की उपस्थिति में, पानी का हिमांक हमेशा गलनांक के समान नहीं होता है। न्यूक्लियर की अनुपस्थिति में पानी जमने से पहले −48.3 °C (−54.9 °F; 224.8 K) तक सुपरकूल तरल के रूप में इकट्ठा हो सकता है।

उच्चतम गलनांक वाली धातु टंगस्टन है 3,414 °C (6,177 °F; 3,687 K);[3] यह संपत्ति गरमागरम लैंपों से विद्युत तंतु के रूप में उपयोग के लिए टंगस्टन को उत्कृष्ट बनाती है। प्रायः उद्धृत कार्बन परिवेश के दबाव पर नहीं पिघलता है, लेकिन उच्च बनाने की क्रिया (भौतिकी) के बारे में 3,700 °C (6,700 °F; 4,000 K) एक तरल के ऊपर इकट्ठा होता है। 10 MPa (99 atm) और अनुमानित 4,030–4,430 °C (7,290–8,010 °F; 4,300–4,700 K) (कार्बन चरण आरेख)। हेफ़नियम कार्बोनाइट्राइड (HfCN) किसी भी पदार्थ के उच्चतम ज्ञात गलनांक के साथ यौगिक है और केवल एक ही ऊपर गलनांक होने की पुष्टि करता है 4,273 K (4,000 °C; 7,232 °F) परिवेश के दबाव में। क्वांटम मैकेनिकल कंप्यूटर सिमुलेशन ने भविष्यवाणी की कि यह मिश्र धातु (HfN0.38C0.51) का गलनांक लगभग 4,400 K होगा।[4] बाद में प्रयोग द्वारा इस भविष्यवाणी की पुष्टि की गई, जबकि इसके गलनांक की माप की पुष्टि होना अभी बाकी है।[5] पैमाने के दूसरे ओर हीलियम सामान्य दबाव में बिल्कुल भी नहीं जमता है, यहां तक ​​​​कि शून्य के करीब तापमान पर सामान्य वायुमंडलीय दबाव से बीस गुना अधिक दबाव आवश्यक है।

सामान्य रसायनों की सूची
रासायनिक घनत्व (g/cm3) गलनांक (K)[6] क्वथनाक(K)
पानी@एसटीपी 1 273 373
सोल्डर (Pb60Sn40) 456
कोको बटर 307.2 -
पैराफिन मोम 0.9 310 643
हाइड्रोजन 0.00008988 14.01 20.28
हीलियम 0.0001785 —[upper-roman 1] 4.22
बेरीलियम 1.85 1,560 2,742
कार्बन 2.267 —[upper-roman 2][7] 4,000[upper-roman 2][7]
नाइट्रोजन 0.0012506 63.15 77.36
ऑक्सीजन 0.001429 54.36 90.20
सोडियम 0.971 370.87 1,156
मैगनीशियम 1.738 923 1,363
अल्युमीनियम 2.698 933.47 2,792
सल्फर 2.067 388.36 717.87
क्लोरीन 0.003214 171.6 239.11
पोटैशियम 0.862 336.53 1,032
टाइटेनियम 4.54 1,941 3,560
आयरन 7.874 1,811 3,134
निकेल 8.912 1,728 3,186
ताँबा 8.96 1,357.77 2,835
ज़िंक 7.134 692.88 1,180
गैलियम 5.907 302.9146 2,673
सिल्वर 10.501 1,234.93 2,435
कैडमियम 8.69 594.22 1,040
ईण्डीयुम 7.31 429.75 2,345
आयोडीन 4.93 386.85 457.4
टैंटलम 16.654 3,290 5,731
टंगस्टन 19.25 3,695 5,828
प्लैटिनम 21.46 2,041.4 4,098
गोल्ड 19.282 1,337.33 3,129
मरकरी 13.5336 234.43 629.88
लेड 11.342 600.61 2,022
विस्मुट 9.807 544.7 1,837

Notes

  1. ↑ Helium does not solidify at a pressure of one atmosphere. Helium can only solidify at pressures above 25 atmospheres, which corresponds to a melting point of absolute zero.
  2. ↑ 2.0 2.1 Carbon does not melt at any temperature under standard pressure, instead it sublimes around 4,100 K
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गलनांक माप

Main article: गलनांक उपकरण
File:Koflerbank.jpg
अंशांकन के लिए नमूनों के साथ कोफलर बेंच

गलनांक के निर्धारण के लिए कई प्रयोगशाला तकनीक निर्धारित हैं।

एक कोफ्लर बेंच एक धातु की पट्टी है जिसमें तापमान प्रवणता (कमरे के तापमान से 300 डिग्री सेल्सियस तक) होती है। किसी भी पदार्थ को पट्टी के एक हिस्से पर रखा जा सकता है, जिससे उस बिंदु के तापमान पर उसके तापीय व्यवहार का पता चलता है। खास तरह की स्कैनिंग उष्मामिति अपने विलय की एन्थैल्पी के साथ गलनांक के बारे में जानकारी देती है।

File:Krüss M5000.jpg
स्वचालित डिजिटल पिघलने बिंदु मीटर

क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों के विश्लेषण के लिए एक बुनियादी गलनांक उपकरण में एक पारदर्शी खिड़की (सबसे बुनियादी डिजाइन: एक थिएल ट्यूब) और एक साधारण आवर्धक के साथ एक तेल स्नान होता है। एक ठोस के कई दानों को एक पतली कांच की नली में रखा जाता है और थोड़े से तेल में डुबोया जाता है। तेल को गर्म किया जाता है और हिलाया जाता है तथा आवर्धक (और बाहरी प्रकाश स्रोत) की सहायता से एक निश्चित तापमान पर अलग-अलग क्रिस्टल को पिघलते हुए देखा जा सकता है। तेल स्नान की जगह धातु ब्लॉक का प्रयोग किया जा सकता है। कुछ आधुनिक उपकरणों में स्वचालित दृष्टि विषयक की पहचान होती है।

माप भी एक संचालन प्रक्रिया के साथ लगातार की जाती है। उदाहरण के लिए, तेल रिफाइनरियां ,ऑनलाइन डीजल ईंधन के हिमांक बिंदु को मापती हैं, जिसका अर्थ है नमूना प्रक्रिया से लिया जाता है और स्वचालित रूप से मापा जाता है। यह लगातार माप की अनुमति देता है क्योंकि नमूना को नियम पुस्तिका रूप से एकत्र करने और दूरस्थ प्रयोगशाला में ले जाने की आवश्यकता नहीं होती है।

आग रोक सामग्री के लिए तकनीक

कठिन सामग्री (जैसे प्लेटिनम, टंगस्टन, टैंटलम, कुछ कार्बाइड और नाइट्राइड, आदि) के लिए अत्यधिक उच्च गलनांक (आमतौर पर ऊपर माना जाता है, 1,800 °C) को ब्लैक बॉडी वाली भट्टी में सामग्री को गर्म करके निर्धारित किया जा सकता है। एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर के साथ ब्लैक-बॉडी तापमान को मापा जाता है। उच्चतम पिघलने वाली सामग्री के लिए, इसके लिए कई सौ डिग्री के स्पष्टीकरण की आवश्यकता हो सकती है। गरम शरीर से वर्णक्रमीय चमक को इसके तापमान का एक कार्य माना जाता है। एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर एक स्रोत की चमक के अध्ययन के तहत एक शरीर की चमक से मेल खाता है जिसे पहले तापमान के कार्य के रूप में कैलिब्रेट किया गया है। इस प्रकार, विकिरण की तीव्रता के निरपेक्ष परिमाण का मापन अनावश्यक है। जबकि, पाइरोमीटर के अंशाकन को निर्धारित करने के लिए ज्ञात तापमान का उपयोग किया जाना चाहिए। स्रोत की अंशाकन सीमा से ऊपर के तापमान के लिए, एक स्पष्टीकरण तकनीक को नियोजित किया जाना चाहिए। यह स्पष्टीकरण प्लवक के विकिरण के नियम का उपयोग करके पूरा किया जाता है। इस समीकरण में स्थिरांक पर्याप्त सटीकता के साथ ज्ञात नहीं हैं, जिससे स्पष्टीकरण में त्रुटियां उच्च तापमान पर बड़ी हो जाती हैं। जबकि, इस स्पष्टीकरण को करने के लिए मानक तकनीकों का विकास किया गया है।

स्रोत के रूप में विचार करें कि (mp = 1,063 डिग्री सेल्सियस) इस तकनीक में, पाइरोमीटर के रेशे के माध्यम से तार्किकता को तब तक समायोजित किया जाता है जब तक कि रेशे की प्रकाश तीव्रता सोने के पिघलने बिंदु पर ब्लैक-बॉडी से मेल नहीं खाती। यह प्राथमिक अंशांकन तापमान स्थापित करता है और पाइरोमीटर लैंप के माध्यम से करंट के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है। समान वर्तमान सेटिंग के साथ, पाइरोमीटर को उच्च तापमान पर पर देखा जाता है। पाइरोमीटर और इस ब्लैक-बॉडी के बीच ज्ञात संचरण का एक अवशोषक माध्यम डाला जाता है। ब्लैक-बॉडी का तापमान तब तक समायोजित किया जाता है जब तक कि इसकी तीव्रता और पाइरोमीटर रेशे के बीच इकट्ठा न हो। ब्लैक-बॉडी का सही उच्च तापमान तब प्लैंक के नियम से निर्धारित होता है। अवशोषित माध्यम को तब हटा दिया जाता है और रेशे के माध्यम से तार्किकता को ब्लैक-बॉडी के रेशे की तीव्रता से मेल खाने के लिए समायोजित किया जाता है। यह पाइरोमीटर के लिए दूसरा अंशांकन बिंदु स्थापित करता है। अंशांकन को उच्च तापमान तक ले जाने के लिए यह चरण दोहराया जाता है। अब, तापमान और उनके संबंधित पाइरोमीटर रेशे ज्ञात हैं और तापमान बनाम धारा का वक्र खींचा जा सकता है। इस वक्र को उच्च तापमान पर स्पष्टीकरण किया जा सकता है।

इस विधि द्वारा एक पदार्थ के गलनांक का निर्धारण करने के लिए, या तो मापी जा रही सामग्री की उत्सर्जनता को जानना आवश्यक है। तरल अवस्था में उच्च पिघलने वाली सामग्री की रोकथाम प्रायोगिक कठिनाइयों का परिचय दे सकती है। कुछ अपवर्तक धातुओं के पिघलने के तापमान को ठोस धातु के नमूनों में एक काले शरीर के गुहा से विकिरण को देखकर मापा गया है जो कि वे व्यापक थे। ऐसी गुहा बनाने के लिए, सामग्री की एक छड़ के केंद्र में लंबी धुरी के लंबवत एक छेद ड्रिल किया जाता है। इन छड़ों को तब उनके माध्यम से एक बहुत बड़ी धारा प्रवाहित करके गर्म किया जाता है, और छेद से निकलने वाले विकिरण को एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर से देखा जाता है। पिघलने के बिंदु को छेद के काले होने से इंगित किया जाता है जब तरल चरण प्रकट होता है, काले शरीर की स्थिति को नष्ट कर देता है। आज, तेजी से पाइरोमीटर और स्पेक्ट्रो-उष्णता के कारण वस्तुओं का प्रसार नापने का यंत्र के साथ संयुक्त कंटेनरलेस लेजर हीटिंग तकनीक, उस समय के सटीक नियंत्रण की अनुमति देने के लिए नियोजित की जाती है जिसके लिए नमूना अत्यधिक तापमान पर रखा जाता है। उप-दूसरी अवधि के इस तरह के प्रयोग बहुत अधिक तापमान पर किए गए अधिक पारंपरिक गलनांक माप से जुड़ी कई चुनौतियों का समाधान करते हैं, जैसे नमूना वाष्पीकरण और कंटेनर के साथ प्रतिक्रिया।

ऊष्मप्रवैगिकी

File:Melting curve of water.svg
पानी के गलनांक की दबाव निर्भरता।

किसी ठोस को पिघलाने के लिए, उसके तापमान को गलनांक तक बढ़ाने के लिए ऊष्मा की आवश्यकता होती है। हालांकि, पिघलने के लिए और अधिक गर्मी की आपूर्ति की जानी चाहिए इसे संलयन की गर्मी कहा जाता है, और गुप्त गर्मी का एक उदाहरण है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दृष्टिकोण से, गलनांक पर सामग्री की गिब्स मुक्त ऊर्जा (ΔG) में परिवर्तन शून्य है, लेकिन सामग्री की तापीय धारिता (H) और एन्ट्रापी (S) बढ़ रही है (ΔH, ΔS> 0) . पिघलने की घटना तब होती है जब तरल की गिब्स मुक्त ऊर्जा उस सामग्री के लिए ठोस से कम हो जाती है। विभिन्न दबावों पर यह एक विशिष्ट तापमान पर होता है। यह भी दिखाया जा सकता है कि:

यहाँ T, ΔS और ΔH क्रमशः गलनांक पर तापमान, गलनांक की एन्ट्रॉपी में परिवर्तन और गलन की तापीय धारिता में परिवर्तन हैं।

गलनांक दबाव में बहुत बड़े परिवर्तन के प्रति संवेदनशील होता है, लेकिन आम तौर पर यह संवेदनशीलता क्वथनांक की तुलना में कम परिमाण का आदेश होता है, क्योंकि ठोस-तरल संक्रमण मात्रा में केवल एक छोटे से परिवर्तन का प्रतिनिधित्व करता है।[8][9] यदि, जैसा कि ज्यादातर मामलों में देखा गया है, एक पदार्थ तरल अवस्था की तुलना में ठोस में अधिक सघन है, दबाव में वृद्धि के साथ गलनांक बढ़ जाएगा। अन्यथा विपरीत व्यवहार होता है। विशेष रूप से, यह पानी का मामला है, जैसा कि ग्राफिक रूप से दाईं ओर दिखाया गया है, लेकिन Si, Ge, Ga, Bi का भी। दबाव में अत्यधिक बड़े परिवर्तन के साथ, गलनांक में महत्वपूर्ण परिवर्तन देखे जाते हैं। उदाहरण के लिए, परिवेशी दबाव (0.1 MPa) पर सिलिकॉन का गलनांक 1415 °C होता है, लेकिन 10 GPa से अधिक के दबाव में यह घटकर 1000 °C हो जाता है।[10] गलनांक का उपयोग अक्सर कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों को चिह्नित करने और उनकी विक्षनरी: शुद्धता का पता लगाने के लिए किया जाता है। एक शुद्ध पदार्थ का गलनांक हमेशा अधिक होता है और एक अशुद्ध पदार्थ के गलनांक या अधिक सामान्यतः मिश्रण के गलनांक की तुलना में एक छोटी सी सीमा होती है। अन्य घटकों की मात्रा जितनी अधिक होगी, गलनांक उतना ही कम होगा और गलनांक सीमा व्यापक होगी, जिसे पेस्टी रेंज कहा जाता है। जिस तापमान पर मिश्रण के लिए पिघलना शुरू होता है उसे सॉलिडस_(रसायन विज्ञान) के रूप में जाना जाता है जबकि जिस तापमान पर पिघलना पूरा हो जाता है उसे लिक्विडस कहा जाता है। यूटेक्टिक्स विशेष प्रकार के मिश्रण हैं जो एकल चरणों की तरह व्यवहार करते हैं। वे समान तापमान पर तेजी से पिघलकर समान संघटन का द्रव बनाते हैं। वैकल्पिक रूप से, यूटेक्टिक संरचना के साथ एक तरल को ठंडा करने पर समान संरचना के साथ समान रूप से फैले हुए, छोटे (सुक्ष्म-दानेदार) मिश्रित क्रिस्टल के रूप में जम जाएगा।

क्रिस्टलीय ठोस पदार्थों के विपरीत, चश्मे में गलनांक नहीं होता है; गर्म करने पर वे एक चिपचिपे तरल में एक चियवने कांच के संक्रमण से गुजरते हैं।आगे गर्म करने पर, वे धीरे-धीरे नरम हो जाते हैं, जिसे कुछ नरमी बिंदुओं द्वारा चित्रित किया जा सकता है।

हिमांक-अवनमन

Main articles: हिमांक अवनमन and सुपरकूलिंग

जब एक अन्य यौगिक जोड़ा जाता है तो एक विलायक का हिमांक कम हो जाता है, जिसका अर्थ है कि एक समाधान (रसायन विज्ञान) में शुद्ध विलायक की तुलना में हिमांक कम होता है। ठंड से बचने के लिए तकनीकी अनुप्रयोगों में इस घटना का उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए पानी में नमक या एथिलीन ग्लाइकॉल मिलाकर।

बार्नोली का नियम

कार्बनिक रसायन शास्त्र में, थॉमस बार्नोली द्वारा 1882 में स्थापित बार्नेली के नियम में कहा गया है कि "उच्च आणविक समरूपता उच्च गलनांक से जुड़ी है"।[11] बार्नोली ने अपना नियम 15,000 रासायनिक यौगिकों के परीक्षण पर आधारित किया। उदाहरण के लिए, आणविक सूत्र C5H12 वाले तीन संरचनात्मक आइसोमरस के लिए आइसोपेंटेन -160 डिग्री सेल्सियस (113 के) एन पैंटेन -129.8 डिग्री सेल्सियस (143 के) और निओपेंटेन -16.4 डिग्री सेल्सियस (256.8 के) श्रृंखला में गलनांक बढ़ जाता है।[12] इसी तरह एक्सीलेंस और डिक्सोरोबेंजीन्स में गलनांक बढ़ जाता है | मेटा, ऑर्थो और फिर पैरा में बढ़ जाता है। पिरिडीन में बेंजीन की तुलना में कम समरूपता होती है इसलिए इसका गलनांक कम होता है लेकिन डायजाइन और ट्राईजाइन के साथ गलनांक फिर से बढ़ जाता है। उच्च समरूपता वाले एडामेंटेन और क्यूबा जैसे कई जैसे यौगिकों अपेक्षाकृत उच्च गलनांक के होते हैं।

एक उच्च गलनांक संलयन की उच्च ऊष्मा, संलयन की कम एन्ट्रापी, या दोनों के संयोजन से उत्पन्न होता है। अत्यधिक सममित अणुओं में क्रिस्टल चरण कई कुशल इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन के साथ सघन रूप से भरा होता है, जिसके परिणामस्वरूप पिघलने पर उच्च एन्थैल्पी परिवर्तन होता है।कई उच्च समरूपता वाले यौगिकों की तरह, टेट्राकिस(ट्राईमिथाइलसिलील)सिलेन में 319-321 डिग्री सेल्सियस का बहुत उच्च गलनांक (एम.पी.) होता है। यह उदात्त होता है, इसलिए एम.पी. दृढ़ संकल्प के लिए आवश्यक है कि नमूने को एक ट्यूब में बंद कर दिया जाए।[13]

पदार्थों के गलनांक की भविष्यवाणी करना (लिंडमैन की कसौटी)

क्रिस्टलीय पदार्थों के थोक गलनांक की भविष्यवाणी करने का प्रयास पहली बार 1910 में फ्रेडरिक लिंडमैन द्वारा किया गया था। [14] सिद्धांत के पीछे विचार यह था कि बढ़ते तापमान के साथ थर्मल कंपन का औसत आयाम बढ़ता है। पिघलने की शुरुआत तब होती है जब कंपन का आयाम इतना बड़ा हो जाता है कि आसन्न परमाणु आंशिक रूप से उसी स्थान पर कब्जा कर लेते हैं। लिंडेमैन कसौटी ने कहा गया है कि पिघलने की उम्मीद तब होती है जब कंपन जड़ का मतलब वर्ग आयाम थ्रेशोल्ड वैल्यू से अधिक होता है।

यह मानते हुए कि एक क्रिस्टल में सभी परमाणु समान आवृत्ति वी के साथ कंपन करते हैं, समविभाजन प्रमेय का उपयोग करके औसत तापीय ऊर्जा का अनुमान लगाया जा सकता है। [15]

जहाँ एम परमाणु द्रव्यमान है, वी आवृत्ति है, यू औसत कंपन आयाम है, तथा बी बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है, और टीहै। थर्मोडायनामिक तापमान है। यदि यू का थ्रेशोल्ड मान सी2ए2 है जहां सी लिंडमैन इंडेक्स है और ए परमाणु रिक्ति है, तो गलनांक का अनुमान लगाया जाता है।

औसत तापीय ऊर्जा के अनुमान के आधार पर अनुमानित पिघलने के तापमान के लिए कई अन्य भाव प्राप्त किए जा सकते हैं। लिंडमैन कसौटी के लिए एक और प्रयोग की जाने वाली अभिव्यक्ति है। [16]

वी के लिए डेबी आवृत्ति के लिए अभिव्यक्ति इस प्रकार है-

कहाँ θ डिबाई तापमान है और एच