Chamamos de ponto de fusão (ou temperatura de fusão) a temperatura na qual uma substância muda do estado sólido para o líquido. Fusão é uma propriedade na qual um elemento passa da fase líquida para a fase sólida.
O ponto de fusão é geralmente especificado na pressão atmosférica padrão (1 atmosfera ou 100.000 pascais) e para uma substância pura.
O ponto de fusão de um elemento puro é sempre maior que o de uma substância impura. Por esse motivo, os pontos de fusão são frequentemente usados para caracterizar compostos orgânicos e inorgânicos e determinar sua pureza. Se a presença de outros componentes aumentar, o ponto de fusão será reduzido e a faixa de pontos de fusão será mais ampla.
Para entender melhor o que foi dito, consideremos um bloco de ferro e suponhamos que o aquecemos. Inicialmente, sua temperatura começa a aumentar até atingir uma temperatura na qual o bloco de ferro começa a derreter (estado líquido). A temperatura na qual esse processo ocorre é chamada de ponto de fusão.
O processo de fusão de um elemento ocorre a uma temperatura constante, como ocorre em qualquer mudança de fase. O calor liberado durante o período de fusão é chamado de calor latente de fusão.
Fatores que influenciam o ponto de fusão de uma substância
O ponto de fusão de uma substância depende de vários fatores fundamentais que influenciam a quantidade de energia térmica necessária para quebrar as interações que mantêm sua estrutura em estado sólido.
1. Forças intermoleculares
A intensidade das forças que mantêm as moléculas ou átomos unidos em um sólido determina quanta energia é necessária para separá-los e transformar a substância em um líquido. Algumas das forças mais importantes são:
- Ligações iônicas : presentes em compostos como o sal de cozinha (NaCl), são interações extremamente fortes entre íons com cargas opostas. Isso faz com que os sólidos iônicos tenham pontos de fusão muito altos.
- Forças de Van der Waals : São interações fracas entre moléculas apolares. Sólidos formados por essas forças (como gases nobres no estado sólido) têm pontos de fusão baixos porque as forças de atração são facilmente superadas com pouco calor.
- Ligações de hidrogênio : São forças intermoleculares mais fortes que as forças de Van der Waals, presentes em compostos como a água (H₂O) ou o ácido acético. Eles aumentam o ponto de fusão em comparação a substâncias similares sem esse tipo de ligação.
- Interações dipolo-dipolo : ocorrem em moléculas polares e afetam o ponto de fusão dependendo da intensidade do dipolo. Quanto mais forte for a atração entre os dipolos, maior será a temperatura necessária para derreter a substância.
2. Estrutura cristalina
A maneira como os átomos ou moléculas são organizados em um sólido influencia diretamente seu ponto de fusão:
- Sólidos com redes cristalinas fortes : Materiais como metais, cristais iônicos e sólidos covalentes (como diamante e quartzo) têm estruturas altamente organizadas e fortes, que exigem muita energia para quebrá-las. Isso lhes dá pontos de fusão muito altos.
- Substâncias amorfas : Materiais como vidro e alguns polímeros não têm uma estrutura cristalina bem definida, portanto não têm um ponto de fusão exato. Em vez de derreter abruptamente, eles amolecem progressivamente à medida que a temperatura aumenta.
3. Pressão
A pressão também desempenha um papel importante no ponto de fusão de uma substância:
- Na maioria dos sólidos, um aumento na pressão causa um aumento no ponto de fusão, pois as partículas são mais comprimidas e requerem mais energia para se moverem livremente.
- No entanto, há exceções. No caso do gelo (H₂O sólido), o aumento da pressão diminui seu ponto de fusão. Isso acontece porque o gelo tem uma estrutura menos densa que a água líquida, então a aplicação de pressão favorece a transição para o estado líquido.
Diferença entre ponto de fusão e ponto de congelamento
A principal diferença entre o ponto de fusão e o ponto de congelamento está no processo de mudança de estado que eles descrevem:
- Ponto de fusão : É a temperatura na qual uma substância muda do estado sólido para o líquido quando calor é aplicado. Nesse ponto, as partículas ganham energia suficiente para superar as forças intermoleculares que as mantinham em uma estrutura rígida.
- Ponto de congelamento : É a temperatura na qual uma substância muda do estado líquido para o sólido quando perde calor. Aqui, as partículas reduzem sua energia cinética e se organizam em uma estrutura mais estável, formando um sólido.
Em muitas substâncias puras, o ponto de fusão e o ponto de congelamento ocorrem na mesma temperatura, mas em direções opostas. Por exemplo, a água pura derrete e congela a 0 °C sob pressão atmosférica normal. Entretanto, fatores como pressão ou presença de impurezas podem modificar o ponto de congelamento sem afetar o ponto de fusão (por exemplo, o sal diminui o ponto de congelamento da água, mas não seu ponto de fusão).
Como o ponto de fusão é determinado?
A medição do ponto de fusão é realizada utilizando um equipamento chamado Thiele ou em um bloco de fusão. O processo é realizado da seguinte forma:
- O elemento é introduzido em um tubo capilar para colocá-lo no Thiele
- O tubo capilar é aquecido lentamente até mudar de fase.
- A temperatura registrada na mudança de fase corresponde à temperatura de fusão.
Ponto eutético
O ponto eutético é a temperatura mínima na qual uma mistura de dois ou mais componentes sólidos pode fundir completamente, transformando-se em líquido, sem deixar nenhuma fase sólida. Esse fenômeno ocorre quando a mistura possui uma composição específica e fixa das substâncias envolvidas.
No ponto eutético, os componentes da mistura fundem a uma única temperatura, inferior aos pontos de fusão das substâncias puras separadamente.
Quando as condições eutéticas são atingidas, ambos os componentes da mistura estão em equilíbrio entre as fases sólida e líquida, o que significa que as substâncias fundem e cristalizam na mesma temperatura. Esse ponto de fusão é importante na indústria e na fabricação de ligas metálicas, pois ligas eutéticas são utilizadas para obter características específicas, como dureza ou condutividade térmica, que não podem ser obtidas pela fusão de metais puros individualmente.
Em alguns casos, o ponto eutético envolve não apenas dois componentes, mas pode ser uma mistura de três ou mais substâncias, cada uma com seu próprio ponto de fusão.
Um exemplo clássico de liga eutética é a combinação de chumbo e estanho, que tem um ponto eutético em uma temperatura mais baixa do que a de cada metal individualmente. Isso torna as ligas eutéticas úteis para aplicações como soldagem, onde um baixo ponto de fusão é necessário para evitar danos a outros componentes.
Exemplos da temperatura de fusão de alguns materiais
Relatamos os valores das temperaturas de fusão e pontos de ebulição de algumas substâncias determinados à pressão de 1 atm.
|
Substância química |
Ponto de fusão em graus Celsius |
Ponto de ebulição em graus Celsius |
|
Água |
0 |
100 |
|
Hidrogênio |
-259,19 |
-252,92 |
|
Carbono |
3526,8 |
4026,8 |
|
Alumínio |
660,27 |
2518,8 |
|
Mercúrio |
-38,77 |
356,68 |