Ordnungszahlen vs. Schmelzpunkte

Fast jeder hat spätestens im Alter von vielleicht fünf Jahren den gleichen Stoff in festem, flüssigem und gasförmigem Zustand gesehen: Das ist Wasser. Unterhalb einer bestimmten Temperatur (0 °C oder 32 °F) liegt Wasser im „gefrorenen“ Zustand als Feststoff vor. Zwischen 0 °C und 100 °C (32 °F bis 212 °F) existiert Wasser als Flüssigkeit, und nach seinem Siedepunkt von 100 °C/212 °F existiert Wasser als Wasserdampf, ein Gas.

Andere Substanzen, von denen Sie vielleicht denken, dass sie nur in dem einen oder anderen Aggregatzustand existieren, wie z. B. ein Stück Metall, ebenfalls haben charakteristische Schmelz- und Siedepunkte, die im Verhältnis zu den alltäglichen Temperaturen auf Erde.

Das schmelzen und Siedepunkte der Elemente hängen wie viele ihrer physikalischen Eigenschaften weitgehend von ihrer Position im Periodensystem der Elemente und damit von ihrer Ordnungszahl ab. Dies ist jedoch eine lose Beziehung, und andere Informationen, die Sie dem Periodensystem der Elemente entnehmen können, helfen, den Schmelzpunkt eines bestimmten Elements zu bestimmen.

Wenn ein Festkörper von einer sehr kalten zu einer wärmeren Temperatur wechselt, nehmen seine Moleküle allmählich mehr kinetische Energie auf. Wenn Moleküle im Festkörper eine ausreichende mittlere kinetische Energie erreichen, wird der Stoff a Flüssigkeit, wobei die Substanz ihre Form entsprechend ihrem Behältnis frei ändern kann sowie Schwere. Die Flüssigkeit ist geschmolzen. (Der umgekehrte Weg, von flüssig zu fest, wird als Einfrieren bezeichnet.)

Im flüssigen Zustand können Moleküle aneinander "vorbeigleiten" und sind nicht fixiert, sondern es fehlt die kinetische Energie, um in die Umgebung zu entweichen. Sobald die Temperatur jedoch ausreichend hoch ist, können die Moleküle entweichen und sich weit auseinander bewegen, und die Substanz ist jetzt ein Gas. Nur Kollisionen mit den Behälterwänden, falls vorhanden, und untereinander begrenzen die Bewegung der Gasmoleküle.

Die meisten Festkörper nehmen auf molekularer Ebene eine Form an, die als kristalliner Festkörper bezeichnet wird und aus einer wiederholten Anordnung von Molekülen besteht, die an Ort und Stelle fixiert sind, um ein Kristallgitter zu erzeugen. Die zentralen Kerne der beteiligten Atome bleiben in einem geometrischen Muster, beispielsweise einem Würfel, in einem festen Abstand voneinander entfernt. Wenn einem einheitlichen Festkörper genügend Energie hinzugefügt wird, überwindet dies die Energie, die die Atome an Ort und Stelle "festhält", und sie können sich frei herumdrängen.

Zu den Schmelzpunkten einzelner Elemente tragen verschiedene Faktoren bei, so dass ihre Position im Periodensystem nur ein grober Anhaltspunkt ist und auch andere Aspekte berücksichtigt werden müssen. Letztendlich sollten Sie eine Tabelle wie die in den Ressourcen konsultieren.

Sie könnten sich fragen, ob größere Atome von Natur aus höhere Schmelzpunkte haben, die möglicherweise aufgrund von mehr Materie schwerer auseinander zu brechen sind. Tatsächlich wird dieser Trend nicht beobachtet, da andere Aspekte einzelner Elemente überwiegen.

Die Atomradien von Atomen nehmen tendenziell von einer Reihe zur nächsten zu, nehmen aber über die Länge der Reihe ab. Die Schmelzpunkte steigen unterdessen über die Reihen bis zu einem Punkt an und fallen dann an bestimmten Stellen stark ab. Kohlenstoff (Ordnungszahl 6) und Silizium (14) können relativ leicht vier Bindungen eingehen, aber die Atome eine Stufe höher auf der Tabelle können nicht und sie haben daher viel niedrigere Schmelzpunkte.

Es gibt auch einen groben Zusammenhang zwischen Ordnungszahl und Siedepunkt von Elementen, mit der "springt" zu niedrigeren Siedepunkten innerhalb von Reihen, gefolgt von einem Anstieg in etwa der gleichen setzt. Bemerkenswert ist jedoch, dass die Siedepunkte der Edelgase in der ganz rechten Spalte (Periode 18) kaum höher sind als ihre Schmelzpunkte. Neon zum Beispiel existiert als Flüssigkeit nur zwischen 25 °C und 27 °C!