问题

为什么有的物质的沸点会低于熔点?

回答
这个问题很有意思,我们平时对物质的固液气三态变化总有个印象:先熔化成液体,再沸腾成气体。所以,感觉熔点理应比沸点低,这是个很直观的理解。但科学的世界里,总有些“例外”和“特例”,让你看到事物的另一面。

首先,我们得明确一点,熔点和沸点本身描述的是物质在特定压力下(通常是我们熟悉的常压)从一种物态转变为另一种物态的温度。熔点是固态变成液态的温度,而沸点是液态变成气态的温度。

要说为什么有些物质的沸点会低于熔点,这背后涉及到的是物质内部的结构、分子间的相互作用力以及压力这些关键因素。

我们先想想,什么让物质能够熔化?在固体状态下,物质的分子是被规则地排列在晶格里的,它们虽然在振动,但被强大的分子间作用力(比如氢键、范德华力、离子键、共价键等)牢牢地“绑”在一起,无法自由移动。当温度升高,分子的动能增加,振动幅度也越来越大。到了熔点,这些分子就有了足够的能量来克服一部分分子间作用力,从而打破原有的规则排列,变得可以相对自由地移动,物质就从固态变成了液态。

那什么又让物质沸腾呢?在液体状态下,分子虽然比固体自由,但它们仍然被分子间作用力拉扯着,不能轻易地“逃离”液体表面。当温度继续升高,分子的动能进一步增加,有些分子就会累积足够的能量,能够完全摆脱液体对它们的束缚,变成气态分子,进入到空气中。这个过程就是汽化,而在液体表面发生的、需要吸热的汽化现象,我们称之为蒸发。当液体内部的蒸汽压与外部压力相等时,液体就会在任何地方(而不仅仅是表面)剧烈汽化,这就是沸腾,而对应的温度就是沸点。

现在,回到你的问题:为什么有的物质沸点低于熔点?

这听起来确实有点违背常理,但我们得深入理解“克服作用力”这件事。对于大多数我们熟悉的物质,比如水、金属,它们的分子间作用力在固态时非常强,需要很高的温度才能让它们克服这些力而熔化。一旦熔化成液态,分子间的距离稍微增大,但作用力依然不小,要让它们完全摆脱束缚变成气体,就需要更高的能量,所以沸点通常高于熔点。

然而,有些物质的结构和分子间作用力却非常“特殊”。想想看,如果一个物质在固态时,分子间的连接方式或者作用力,仅仅是让它们保持一个相对稳定的、但又不是那么“粘稠”的排列,那么它可能只需要相对较低的温度就能让分子开始相对自由地移动,也就是熔化。

而对于这个物质的液态,情况可能就变得更复杂了。有的物质,即便熔化了,其分子之间的作用力可能就没有我们想象中那么“牢不可破”。更关键的是,有些物质在液态下,即使分子间的吸引力仍然存在,但它们的蒸发速率,也就是从液态变成气态的能力,可能会比我们预期的要强,或者说,所需的能量门槛比固液之间的转变门槛要低。

举个例子,我们可能会想到一些具有非常弱的分子间作用力的物质,或者它们在特定状态下的行为。但更直接的解释,常常与物质内部的“不稳定”或“易于分解”有关。

想象一下,某种物质在加热到熔点时,确实能够熔化成液体。但在这个过程中,或者稍高于熔点时,它自身的分子结构可能并不“稳定”。它可能很容易发生分解,或者分子之间的相互作用力在液态下变得非常弱,以至于它在达到能够形成我们通常意义上“稳定”的液态之前,就已经有相当一部分分子获得了足够的能量,从液态“逃逸”到气态了。

这种“逃逸”能力,或者说从液态变成气态的“容易程度”,如果恰好低于它从固态变成液态所需的温度,那么我们就会观察到沸点低于熔点的现象。

你可以这样理解:熔化是将分子从一个紧密的、规则的“囚笼”里解放出来,让它们能动起来。沸腾则是让这些已经自由了一些的分子,完全摆脱任何束缚,飞向远方。有些物质,它的“囚笼”虽然紧密,但只要稍微加热,分子就能轻松地打碎“牢笼”,这就是熔化。而当这些分子被解放出来后,它们和彼此之间的“吸引力”可能就没有那么强了,或者说,它们本身就带着一股“想要飞出去”的劲头,很容易就实现了“集体逃亡”,这就是沸腾。

这种现象在一些有机物或者一些特殊的无机物中可能出现,它们的分子结构或者分子间的相互作用力,导致了它们在不同相变过程中的能量需求不符合我们“常规”的认知。

总结一下,这不是说物质“不喜欢”变成液体,而是它从固态变成液态所需的能量,与它从液态变成气态所需的能量,这两者的相对高低,由物质本身的分子结构、分子间作用力以及所处的压力共同决定。在极少数情况下,这种能量需求会“倒置”,导致了我们看到的沸点低于熔点的奇特现象。

网友意见

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因为氯化铝的熔沸点是不同条件下测出来的,沸点是常压下升华的温度,熔点是1715 torr下测的

至于四氯化硅,它的熔点是-70°C

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