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融解、または融合は、物質が固体から液体に相転移する物理的プロセスです。これは、通常、熱または圧力の適用によって固体の内部エネルギーが増加し、物質の温度が融点まで上昇したときに発生します。融点では、固体内のイオンまたは分子の秩序が乱れて秩序の低い状態に変わり、固体が溶けて液体になります。
溶融状態の物質は、一般的に温度が上昇するにつれて粘度が低下します。この原則の例外は元素硫黄で、その粘度は160℃から180℃の範囲で重合により増加します。[1]
一部の有機化合物は、固体と液体の間の中間状態である 中間相を経て溶解します。
一次相転移
熱力学の観点から見ると、融点では物質のギブズ自由エネルギー ∆Gの変化はゼロですが、エンタルピー( H ) とエントロピー( S ) の変化はゼロではありません。これらはそれぞれ融解エンタルピー(または融解潜熱) と融解エントロピーと呼ばれます。したがって、融解は一次相転移として分類されます。融解は、その物質の液体のギブズ自由エネルギーが固体のギブズ自由エネルギーよりも低くなったときに発生します。これが発生する温度は、周囲圧力に依存します。
低温ヘリウムは、この一般則の唯一の例外として知られています。[2] ヘリウム3は、 0.3 K以下の温度で負の融解エンタルピーを持ちます。ヘリウム4も、0.8 K以下の温度でわずかに負の融解エンタルピーを持ちます。これは、適切な一定圧力で、これらの物質を溶かすには熱を除去する必要があることを意味します。[3]
基準
融解の理論的基準の中で、リンデマン[4]基準とボルン[5]基準は、融解条件を分析するための基礎として最も頻繁に使用される基準です。
リンデマンの基準は、融解は「振動不安定性」のために起こるとしており、例えば結晶が融解する場合、原子の熱振動の平均振幅が原子間距離に比べて比較的高い場合、例えば< δu 2 > 1/2 > δ L R s（δuは原子変位）、リンデマンパラメータδ L ≈ 0.20...0.25、R sは原子間距離の半分です。[6] ：177 「リンデマン融解基準」は、結晶性材料と非晶質材料のガラス-液体転移の両方の実験データによって裏付けられています。
ボルンの基準は、弾性せん断係数の消失によって引き起こされる剛性の破局に基づいており、つまり結晶が荷重に機械的に耐えるのに十分な剛性を持たなくなると、結晶は液体になる。[7]
過冷却
標準的な条件下では、物質の融点は特性です。融点は凝固点と等しい場合がよくあります。しかし、注意深く条件を整えると、過冷却、または融点や凝固点を超える過熱が発生することがあります。非常にきれいなガラス表面の水は、凍結することなく凝固点より数度低い温度まで過冷却することがよくあります。純水の微細エマルジョンは、核生成なしに -38 °C まで冷却されて氷を形成しています。[要出典] 核生成は、物質の特性の変動により発生します。[要出典]物質が静止していると、この変化を引き起こすもの (物理的振動など) がほとんどなく、過冷却 (または過熱) が発生する可能性があります。熱力学的には、過冷却液体は結晶相に対して準安定状態にあり、突然結晶化する可能性があります。
眼鏡
ガラスは非晶質固体で、通常は溶融材料がガラス転移温度以下に急速に冷却され、規則的な結晶格子が形成される時間が十分にないときに製造されます。固体は分子間の接続性が高いのが特徴で、流体は構造ブロックの接続性が低いです。固体材料の融解は、粒子間の接続が切断されたこと、たとえば結合が切断されたことによるパーコレーションと考えることもできます。[8]このアプローチでは、非晶質材料の融解は、切断された結合がパーコレーションクラスターを形成したときに発生します。T gは、結合の準平衡熱力学パラメータ、たとえば特定のシステムで特定の条件下で結合が形成されるエンタルピー ( H d ) とエントロピー ( S d ) に依存します。 [9]
ここで、f cはパーコレーション閾値、R は普遍気体定数です。
H dとS d は真の平衡熱力学パラメータではなく、溶融物の冷却速度に依存する可能性がありますが、非晶質材料の粘度に関する利用可能な実験データから求めることができます。
融点以下でも、結晶表面には準液体の膜が見られます。膜の厚さは温度に依存します。この効果はすべての結晶材料に共通です。この事前融解は、例えば凍上、雪片の成長、そして粒界界面を考慮すると、氷河の動きにも影響を及ぼします。
関連概念
超短パルス物理学では、いわゆる非熱溶融が起こる可能性がある。これは原子の運動エネルギーの増加ではなく、電子の励起による原子間ポテンシャルの変化によって起こる。電子は原子をくっつける接着剤のような働きをするため、フェムト秒レーザーで電子を加熱するとこの「接着剤」の特性が変化し、原子温度が上昇しなくても原子間の結合が壊れて物質が溶ける可能性がある。[10]
遺伝学において、DNAを融解するということは、加熱または化学薬品の使用、ポリメラーゼ連鎖反応によって二本鎖DNAを2本の一本鎖に分離することを意味します。
テーブル
参照
参考文献
- ^ Sofekun, Gabriel O.; Evoy, Erin; Lesage, Kevin L.; Chou, Nancy; Marriott, Robert A. (2018). 「λ遷移を介した液体元素硫黄のレオロジー」. Journal of Rheology . 62 (2). Society of Rheology: 469–476. Bibcode :2018JRheo..62..469S. doi : 10.1122/1.5001523 . ISSN 0148-6055.
- ^ アトキンス、ピーター、ジョーンズ、ロレッタ (2008)、化学原理：洞察の探求（第4版）、WHフリーマンアンドカンパニー、p. 236、ISBN 978-0-7167-7355-9
- ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000)、化学熱力学：高度な応用、Academic Press、pp. 92–93、ISBN 978-0-12-530985-1
- ^ リンデマン、FA (1910)。 「ユーバー・ダイ・ベレチュヌング・モレキュラーラー・アイゲンフリークエンツェン」。Physikalische Zeitschrift (ドイツ語)。11 (14): 609–614。
- ^ ボルン、マックス（1939）。「結晶と融解の熱力学」。化学物理学ジャーナル。7 （ 8 ） 。AIP出版：591–603。Bibcode ：1939JChPh...7..591B。doi ： 10.1063 / 1.1750497。ISSN 0021-9606 。
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- ^ Robert W. Cahn (2001) 材料科学: 内部からの溶解、Nature 413 (#6856)
- ^ Park, Sung Yong; Stroud, D. (2003 年 6 月 11 日). 「金/DNA ナノ複合体の融解理論と光学特性」. Physical Review B. 67 ( 21). American Physical Society (APS): 212202. arXiv : cond-mat/0305230 . Bibcode :2003PhRvB..67u2202P. doi :10.1103/physrevb.67.212202. ISSN 0163-1829. S2CID 14718724.
- ^ Ojovan, Michael I; Lee, William (Bill) E (2010). 「無秩序酸化物システムの接続性とガラス転移」Journal of Non-Crystalline Solids . 356 (44–49). Elsevier BV: 2534–2540. Bibcode :2010JNCS..356.2534O. doi :10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012. ISSN 0022-3093.
- ^ Medvedev, Nikita; Li, Zheng; Ziaja, Beata (2015). 「フェムト秒X線照射下におけるシリコンの熱および非熱融解」. Physical Review B. 91 ( 5): 054113. arXiv : 1504.05053 . Bibcode :2015PhRvB..91e4113M. doi :10.1103/PhysRevB.91.054113. S2CID 49258288.
外部リンク
ウィクショナリーの「melting」の辞書定義