نقطه ذوب: دمایی که در آن یک ماده از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود

نقطه ذوب: دروازه عبور از جامد به مایع

نقطه ذوب چیست و چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟

هنگامی که به یک تکه یخ در یک روز گرم نگاه می‌کنید، شاهد پدیده‌ای هستید که مستقیماً با نقطه ذوب مرتبط است. نقطه ذوب، دمای معینی است که در آن، نظم و ساختار بلوری² جامد شکسته می‌شود و مولکول‌های ماده انرژی و آزادی حرکت بیشتری به دست می‌آورند و در نتیجه ماده به حالت مایع تبدیل می‌گردد. در این دما، هر دو فاز جامد و مایع ماده می‌توانند به طور همزمان و در تعادل³ با یکدیگر وجود داشته باشند.

برای اندازه‌گیری نقطه ذوب در آزمایشگاه، معمولاً مقدار کمی از ماده جامد را در یک لوله مویی⁴ قرار داده و آن را به آرامی حرارت می‌دهند. دمایی که در آن اولین قطره مایع ظاهر می‌شود و تا زمانی که آخرین ذره جامد ناپدید می‌شود، محدوده نقطه ذوب را نشان می‌دهد. مواد خالص معمولاً محدوده ذوب بسیار باریکی (اغلب کمتر از یک درجه) دارند.

جدول نقاط ذوب برخی مواد آشنا

چه عواملی بر نقطه ذوب تأثیر می‌گذارند؟

نقطه ذوب یک ماده خالص ثابت است، اما این ثابت بودن تحت شرایط مشخصی است. دو عامل اصلی می‌توانند این دما را تغییر دهند:

۱. فشار: برای اکثر مواد، افزایش فشار، نقطه ذوب را افزایش می‌دهد. دلیل آن این است که فشار بالا تمایل دارد حجم ماده را کاهش دهد و از آنجایی که حجم جامد معمولاً کمتر از مایع آن است (به جز آب)، گذار به مایع سخت‌تر می‌شود. اما آب یک استثنای مهم است! یخ حجم بیشتری از آب مایع دارد. بنابراین، با افزایش فشار بر یخ، نقطه ذوب آن کاهش می‌یابد. این پدیده به ذوب فشاری معروف است و دلیل سر خوردن اسکیت باز روی یخ است: فشار تیغه اسکیت، نقطه ذوب یخ را درست زیر پا کمی پایین می‌آورد و یک لایه نازک آب ایجاد می‌کند که نقش روان‌ساز را بازی می‌کند.

۲. ناخالصی‌ها: افزودن یک ماده دیگر (حلال⁵) به یک ماده خالص (حل‌شونده⁶)، نقطه ذوب آن را پایین می‌آورد. این یکی از خواص کولیگاتیو⁷ است. وقتی نمک (حل‌شونده) را روی یخ جاده می‌پاشند، نقطه ذوب مخلوط آب و نمک (آب‌نمک) به زیر 0 °C می‌رسد. بنابراین حتی اگر دمای هوا زیر صفر باشد، یخ ذوب می‌شود. در صنعت، از این خاصیت برای ساخت آلیاژها⁸ با نقاط ذوب خاص استفاده می‌شود. مثلاً لحیم⁹، آلیاژی از قلع و سرب است که نقطه ذوب آن از هر دو فلز تشکیل‌دهنده پایین‌تر است.

نقطه ذوب در خدمت انسان: از آشپزخانه تا فناوری‌های پیشرفته

مفهوم نقطه ذوب تنها یک موضوع درسی نیست، بلکه در زندگی روزمره و صنایع مختلف نقش کلیدی ایفا می‌کند:

۱. آشپزی و غذا: کره و روغن‌های گیاهی در دمای آشپزخانه جامد هستند اما با حرارت دادن و رسیدن به نقطه ذوبشان، ذوب می‌شوند و برای سرخ کردن آماده می‌گردند. شکلات کاری پیچیده‌تر دارد: شکلات مرغوب باید به شیوه تمپر¹⁰ ذوب و مجدداً جامد شود تا کریستال‌های کره کاکائوی آن به شکل پایدار درآید و شکلات براق و ترد شود. نقطه ذوب کره کاکائو حدود 34-36 °C است، دقیقاً کمی کمتر از دمای بدن، به همین دلیل است که شکلات مرغوب در دهان ذوب می‌شود.

۲. ایمنی و کنترل دما: فیوزهای الکتریکی در وسایل برقی، از آلیاژهایی با نقطه ذوب پایین ساخته می‌شوند. اگر جریان برق بیش از حد مجاز شود، حرارت ایجاد شده، فیوز را ذوب کرده و مدار را قطع می‌کند تا از آتش‌سوزی جلوگیری شود. همچنین، در برخی سیستم‌های اطفای حریق خودکار، یک محفظه حاوی ماده خاموش‌کننده با یک درپوش آلیاژی با نقطه ذوب مشخص بسته شده است. وقتی دما از حد معینی (مثلاً 72 °C) گذشت، درپوب ذوب شده و ماده خاموش‌کننده آزاد می‌شود.

۳. متالورژی و ساخت مواد: در ریخته‌گری، فلزات را تا بالای نقطه ذوبشان حرارت می‌دهند تا به حالت مایع درآیند و سپس آن‌ها را در قالب‌های دلخواه می‌ریزند. آلیاژهای مختلف با نقاط ذوب متفاوت برای کاربردهای خاص طراحی می‌شوند. مثلاً آلیاژهای مورد استفاده در پره‌های توربین موتور جت، باید نقطه ذوب بسیار بالایی داشته باشند تا در دمای کارکرد بالا ذوب نشوند.

تفاوت نقطه ذوب و انجماد و پاسخ به پرسش‌های رایج

برای یک ماده خالص تحت فشار ثابت، نقطه ذوب و نقطه انجماد¹¹ از نظر عددی دقیقاً یکسان هستند. اما فرآیند ذوب و انجماد معکوس یکدیگرند: یکی گرفتن گرما (ذوب) و دیگری دادن گرما (انجماد) است. گاهی به دلیل سرمایش فوق‌سرد¹²، یک مایع خالص می‌تواند دمایی کمی کمتر از نقطه انجماد نظریه خود را بدون جامد شدن تحمل کند، اما به محض تشکیل اولین کریستال، دمای آن بلافاصله به نقطه انجماد واقعی بازمی‌گردد.

پاورقی

¹ نقطه ذوب (Melting Point). ² ساختار بلوری (Crystalline Structure). ³ تعادل (Equilibrium). ⁴ لوله مویی (Capillary Tube). ⁵ حلال (Solvent). ⁶ حل‌شونده (Solute). ⁷ خواص کولیگاتیو (Colligative Properties). ⁸ آلیاژ (Alloy). ⁹ لحیم (Solder). ¹⁰ تمپر کردن (Tempering). ¹¹ نقطه انجماد (Freezing Point). ¹² سرمایش فوق‌سرد (Supercooling).