Para conceitos relacionados: o ponto de fusão é a temperatura na qual as fases sólida e líquida coexistem em equilíbrio; o ponto de ebulição é a temperatura na qual um líquido entra em ebulição a uma determinada pressão; e o ponto de sublimação é a temperatura na qual as fases sólida e de vapor coexistem em equilíbrio, a uma determinada pressão.
miniatura|Cubos de gelo colocados em água começam a derreter quando atingem seu ponto de fusão, próximo de 0 °C à pressão atmosférica.
O ponto de fusão ou, raramente chamado de, ponto de liquefação de uma substância é a temperatura na qual ela passa do estado sólido para o líquido. No ponto de fusão, as fases sólida e líquida coexistem em equilíbrio. O ponto de fusão depende da pressão e costuma ser especificado para uma pressão de referência, como 101,325 kPa, equivalente a uma atmosfera, ou 100 kPa.
Quando se considera a temperatura da transformação inversa, do líquido para o sólido, empregam-se os termos ponto de congelamento, ponto de solidificação ou ponto de cristalização. Como as substâncias podem sofrer sobrefusão, o início do congelamento observado pode ocorrer abaixo da temperatura de equilíbrio. Para evitar esse efeito, métodos de determinação do ponto de congelamento observam o desaparecimento dos últimos cristais durante o aquecimento, em vez de sua formação durante o resfriamento.
Exemplos
miniatura|upright=1.3|Pontos de fusão, em azul, e pontos de ebulição, em rosa, dos oito primeiros ácidos carboxílicos, em °C.
Para uma mesma substância pura, na mesma pressão e entre as mesmas fases, as temperaturas de equilíbrio de fusão e solidificação coincidem. O ponto de fusão e de congelamento do mercúrio, por exemplo, é aproximadamente 234,32 K, ou −38,83 °C.Haynes, p. 4.122.
Alguns materiais apresentam histerese, com temperaturas de transformação diferentes durante o aquecimento e o resfriamento. Uma solução aquosa de ágar-ágar a 1,5%, por exemplo, pode formar um gel entre 34 e 43 °C e só voltar a fluir acima de cerca de 85 °C. Nesse caso, ocorre uma transformação entre solução e gel, que não deve ser confundida com a fusão e a solidificação de uma substância cristalina pura.
O ponto de fusão do gelo à pressão de 101,325 kPa fica muito próximo de 0 °C, ou 273,15 K, valor também chamado de ponto do gelo.Para água pura sem ar dissolvido, a temperatura de fusão à pressão de 101.325 Pa foi calculada em aproximadamente 273,152519 K, ou 0,002519 °C. Ver . A formação de gelo depende da nucleação, de modo que a água pode permanecer líquida abaixo dessa temperatura. O alcance da sobrefusão depende das condições experimentais e do tempo disponível para a cristalização. Experimentos com aquecimento transitório e resolução de nanossegundos examinaram transformações estruturais da água super-resfriada entre 135 e 245 K, antes de sua cristalização.
O metal de maior ponto de fusão é o tungstênio, a aproximadamente 3.422 °C, ou 3.695 K.Haynes, p. 4.123. Essa propriedade permite seu uso em filamentos elétricos de lâmpadas incandescentes. O carbono não funde à pressão atmosférica. Ele sublima a aproximadamente 3.825 °C, ou 4.098 K. Uma fase líquida estável exige maior pressão. O ponto triplo grafite-líquido-vapor foi medido em 10,8 ± 0,2 MPa, embora esse experimento não tenha conseguido determinar a temperatura do ponto triplo.
O carbonitreto de háfnio é um composto refratário estudado por sua resistência à fusão em temperaturas extremas. Em 2015, simulações computacionais de mecânica quântica previram um ponto de fusão próximo de 4.400 K para a composição HfN0,38C0,51. Experimentos publicados em 2020 mostraram que um carbonitreto de háfnio não estequiométrico, HfC0,5N0,35, fundia a uma temperatura superior à do carbeto de háfnio usado na comparação. O trabalho não forneceu uma medição absoluta de 4.400 K para o material.
Na outra extremidade da escala, o hélio não se solidifica à pressão atmosférica, mesmo em temperaturas próximas do zero absoluto. O hélio-4 requer uma pressão de aproximadamente 2,5 MPa para formar uma fase sólida nas temperaturas mais baixas.
+ Propriedades de substâncias e materiais comuns Substância ou material Densidade em g/cm³As densidades são valores de referência dos materiais em seus estados usuais, não suas densidades no ponto de fusão. As densidades dos gases correspondem aproximadamente a 0 °C e 101,325 kPa. As dos demais materiais foram compiladas em outras temperaturas, próximas da temperatura ambiente. Fusão ou faixa de fusão em K Ebulição em K Água 1 273,15 373,15 Solda de estanho, 60% Pb e 40% Sn em massa 9,34 aproximadamente 456–511 – Solda próxima à composição eutética, 37% Pb e 63% Sn em massa 8,42 aproximadamente 456 – Manteiga de cacau – cerca de 307, na forma VManteiga de cacau e parafina são misturas. Seus intervalos de fusão dependem da composição e, no caso da manteiga de cacau, da forma cristalina. Os valores apresentados são exemplos e não se aplicam a todas as amostras. – Parafina 0,9 aproximadamente 323–330 – Hidrogênio 0,00008988 13,99 20,28 Hélio 0,0001785 –O hélio não se solidifica à pressão atmosférica. Os valores de fusão obtidos sob pressão não são diretamente comparáveis aos pontos de fusão normais dos demais elementos. 4,22 Berílio 1,85 1.560 2.742 Carbono 2,267 –À pressão atmosférica, o carbono sublima, sem passar por uma fase líquida estável. Uma temperatura de sublimação não deve ser apresentada como ponto de ebulição normal. – Nitrogênio 0,0012506 63,15 77,36 Oxigênio 0,001429 54,36 90,20 Sódio 0,971 370,944 1.156 Magnésio 1,738 923 1.363 Alumínio 2,698 933,47 2.792 Enxofre 2,067 388,36 717,87 Cloro 0,003214 171,6 239,11 Potássio 0,862 336,53 1.032 Titânio 4,54 1.941 3.560 Ferro 7,874 1.811 3.134 Níquel 8,912 1.728 3.186 Cobre 8,96 1.357,77 2.835 Zinco 7,134 692,68 1.180 Estanho 7,289 505,08 2.875 Gálio 5,907 302,9146 2.673 Prata 10,501 1.234,93 2.435 Cádmio 8,69 594,22 1.040 Índio 7,31 429,7485 2.345 Iodo 4,93 386,85 457,4 Tântalo 16,654 3.290 5.731 Tungstênio 19,25 3.695 5.828 Platina 21,46 2.041,4 4.098 Ouro 19,282 1.337,33 3.129 Mercúrio 13,5336 234,3210 629,88 Chumbo 11,342 600,61 2.022 Bismuto 9,807 544,7 1.837
Medições dos pontos de fusão do alumínio, da prata, do ouro, do cobre e da platina já eram objeto de trabalhos experimentais no século XIX.
Medição do ponto de fusão
miniatura|Banco de Kofler com amostras para calibração.
Há muitas técnicas de laboratório para determinar pontos de fusão. Um banco de Kofler é uma faixa metálica com um gradiente de temperatura, em geral da temperatura ambiente até 300 °C. Uma substância pode ser colocada em uma parte da faixa, permitindo observar seu comportamento térmico na temperatura correspondente àquela posição. A calorimetria exploratória diferencial fornece informações sobre a fusão e sua entalpia de fusão. Nesse método, acompanha-se a diferença de fluxo de calor entre a amostra e uma referência durante um programa de temperatura.
miniatura|upright|Medidor digital automático de ponto de fusão.
Um aparelho básico para analisar sólidos cristalinos consiste em um banho de óleo com uma janela transparente e uma lupa. Em uma montagem simples, usa-se um tubo de Thiele. Colocam-se alguns grãos do sólido em um tubo de vidro fino, parcialmente imerso no banho. O óleo é aquecido, com agitação ou circulação por convecção, e a lupa, com uma fonte externa de luz, permite observar a fusão dos cristais. Um bloco metálico pode substituir o banho de óleo. Alguns instrumentos possuem detecção óptica automática, baseada na mudança da transmissão de luz pela amostra durante a fusão.
Também existem métodos automatizados para combustíveis. Para combustíveis de aviação, a ASTM D5972 determina o ponto de congelamento por um método automático de transição de fase, usado, entre outras finalidades, no controle de operações de mistura de derivados de petróleo.
Cuidados de medição e identificação No método capilar, a amostra é finamente pulverizada e compactada em uma pequena coluna. Podem ser anotadas duas temperaturas, a do início da fusão e a do desaparecimento do último sólido, que delimitam a faixa de fusão observada. Perto da temperatura esperada, emprega-se aquecimento lento. O procedimento exato depende do método adotado. A farmacopeia tailandesa, por exemplo, estabelece taxas próximas de 1 a 2 °C por minuto em um de seus procedimentos e prevê calibração com substâncias de referência. O aquecimento rápido pode fazer a temperatura indicada pelo aparelho se afastar da temperatura da amostra e deslocar o resultado.
A determinação do ponto de fusão misto auxilia a identificação de uma substância. Mistura-se a amostra com uma substância de referência, geralmente em partes iguais, e compara-se a faixa de fusão da mistura com as das amostras separadas. A ausência de depressão ou alargamento da faixa favorece a identificação, mas a temperatura de fusão isolada não constitui uma identificação química inequívoca.
Gorduras e ceras também podem ser examinadas em capilares abertos nas duas extremidades. Nesses ensaios, o ponto de fusão por deslizamento corresponde à temperatura em que a coluna de material começa a subir no capilar. Esse resultado depende do procedimento e não deve ser confundido automaticamente com o ponto de fusão de equilíbrio de uma substância pura.
Técnicas para materiais refratários Nos materiais refratários, como platina, tungstênio, tântalo e alguns carbetos e nitretos, os pontos de fusão podem ultrapassar 1.800 °C. Nessas temperaturas, o material pode ser aquecido em condições próximas às de um corpo negro e sua temperatura medida com um pirômetro óptico. Para os materiais de ponto de fusão mais alto, a medição pode exigir extrapolação para temperaturas acima da faixa de calibração. A radiância espectral de um corpo incandescente depende de sua temperatura. Um pirômetro óptico compara a radiância do corpo estudado com a de uma fonte previamente calibrada, sem exigir a determinação direta da intensidade absoluta da radiação.
A calibração requer temperaturas de referência conhecidas. Acima do ponto de congelamento da prata, a Escala Internacional de Temperatura de 1990, ITS-90, usa um ponto fixo definidor e a lei de radiação de Planck em forma de razão. Seus pontos fixos para termometria de radiação são os pontos de congelamento da prata, 961,78 °C, do ouro, 1.064,18 °C, e do cobre, 1.084,62 °C.
Em pirômetros ópticos de filamento desaparecente, uma técnica clássica de extensão da faixa de medição usa filtros absorventes de transmissão conhecida. A corrente no filamento é primeiro ajustada até que seu brilho coincida com o de um corpo negro em uma temperatura de referência, como o ponto do ouro. Mantendo a leitura do filamento, observa-se uma fonte mais quente através do filtro absorvente. A transmissão do filtro e a lei de Planck permitem relacionar a temperatura aparente à temperatura da fonte. Retirado o filtro, a corrente do filamento pode ser reajustada para estabelecer outro ponto de calibração. A repetição do procedimento estende a escala a temperaturas maiores. Os valores de temperatura e corrente permitem construir uma curva de calibração.
Na determinação do ponto de fusão de uma substância refratária, é preciso produzir condições próximas às de corpo negro ou conhecer a emissividade do material. Manter uma substância de alto ponto de fusão contida no estado líquido pode causar dificuldades experimentais. Técnicas de medição rápida empregam amostras tubulares ou em forma de haste, com uma pequena cavidade que aproxima as condições de corpo negro. A amostra é aquecida resistivamente pela passagem de uma corrente intensa, enquanto a radiação da cavidade é observada por um pirômetro. Métodos de aquecimento pulsado permitem levar metais refratários a temperaturas próximas da fusão em menos de um segundo, reduzindo parte das perdas e das reações que se tornam problemáticas em exposições prolongadas.