Легкоплавкие металлы и их применение
С легкоплавкими металлами большинство из нас сталкивается в быту. Всем давно известен ртутный термометр, который позволяет измерять температуру тела человека. За счет низкой температуры плавления ртуть быстро расширяется и демонстрирует, стоит ли срочно принимать жаропонижающее или же перед нами обычный пример «воспаления хитрости».
Ну, а без свинца опытные рыбаки вообще не выходят из дома. Да, удилища просто необходимы, но для утяжеления лески применяются свинцовые грузила, которым можно легко придать форму обычными ручными инструментами. А где еще применяют легкоплавкие металлы?
Какие металлы являются самыми легкоплавкими
Легкоплавкие – это металлы с малой температурой плавления. В номенклатуре, принятой Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), такого термина не существует. Специалисты не могут прийти к общему мнению относительно температуры, которая является показателем легкоплавкости: одни говорят о пороге плавления +500 °C, вторые – +600 °C.
И все же основной считается классификация, устанавливающая температуру плавления не более +500 °C. В таблице указаны наиболее распространенные и самые легкоплавкие металлы:
Температура плавления (°С)
Ртуть является наиболее легкоплавким металлом, так как единственная способна менять агрегатное состояние при минусовой температуре. Галлий известен как тающий в руках металл, ведь точка его плавления почти на 7 °C ниже нормальной температуры тела человека.
Среди легкоплавких металлов принято выделять две группы:
- Тяжелые, то есть кадмий, кобальт, свинец, ртуть.
- Легкие, в число которых входят олово, галлий, индий, таллий, полоний, висмут.
К драгоценным элементам относится палладий.
Легкоплавкие металлы в приведенном ниже списке названий могут оказывать разное воздействие на живых существ и человеческий организм:
- Калий необходим растениям в качестве удобрения, иначе они начинают болеть и плохо плодоносят. В организме людей этот элемент отвечает за жизненно важные процессы и работает вместе с натрием.
- Кадмий в микродозах положительно влияет на метаболизм, хотя является токсичным, как и его растворимые соединения.
- Висмут токсичен и радиоактивен, при этом входит в состав аптечных препаратов. Их важно принимать только по инструкции, чтобы не навредить организму.
- Галлий токсичен, правда, специалисты расходятся во мнении относительно его опасности – от малой до высокой степени.
- Свинец и ртуть также токсичны и являются бесполезными для человеческого организма даже в малых дозах. Наибольшую опасность представляет собой ртуть из разбившегося медицинского градусника.
- Таллий является сильнейшим ядом, несмотря на то, что выглядит достаточно привлекательно – это мягкое серебристое или серовато-голубое вещество. Он стал широко известен благодаря произведениям Агаты Кристи, ведь в десятке ее романов содержится описание яда, за счет применения этого легкоплавкого металла ее герои часто решали свои проблемы.
Свойства легкоплавких металлов, активно применяемых в промышленности и быту
Известно немало металлов, плавящихся при температуре до +600 °C, но лишь некоторые из них активно используются в промышленности и быту. На остальные приходится в пределах 10 % рынка цветных и черных металлов. Остановимся на наиболее распространенных легкоплавких металлах.
Цинк
Впервые металл упоминается в неявном виде еще древними греками и египтянами. В те времена его использовали как компонент латуни. В промышленных масштабах производить цинк начали в 1743 году в Бристоле, а в 1746-м появился отдельный способ его получения. Он предполагал прокаливание окиси смеси с углем без доступа кислорода и последующее охлаждение паров в холодильном оборудовании.
Цинк отличается такими химическими и физическими особенностями:
- имеет серебристо-белый цвет, высокую пластичность при +100…+150 °C;
- при комнатной температуре настолько хрупкий, что даже незначительные сгибания вызывают различимый хруст;
- плавится при +419 °C;
- количество примесей непосредственно влияет на хрупкость этого легкоплавкого металла;
- способен образовывать амфотерные соединения;
- под действием воздуха на поверхности цинка формируется оксидная пленка.
Известно свыше 65 минералов, содержащих цинк. Его доля в земной коре исчисляется в пределах 8*10^(-3) %. Цинк есть и в воде, он активно мигрирует в термальных потоках, как и свинец. Крупнейшие месторождения этого металла находятся в Иране, Австралии, Боливии, Казахстане.
Примеры использования данного легкоплавкого металла:
- как антикоррозийное покрытие железа/стали;
- в качестве компонента аккумуляторов и элементов питания сухого типа;
- в типографском деле, где металл используется в виде листов;
- как составляющая сплавов в полупроводниках.
В человеческом организме цинк выполняет функцию катализатора, является компонентом инсулина. Основными источниками этого элемента являются молоко, мясо и яйца. При недостаточном содержании цинка в почве растения начинают болеть. В чистом виде металл является малотоксичным.
Свинец
Это серебристый легкоплавкий металл, который может иметь беловатый или голубоватый отлив. Он широко распространен и прост в обработке, поэтому применялся человеком еще за 6 400 лет до н. э. К промышленному производству свинца приступили в 1840 году, а к концу XX века спрос на него стал падать, так как появились менее опасные для здоровья материалы. В результате пришлось снизить темпы его добычи.
Физические свойства
Химические свойства
Имеет низкую теплопроводность в пределах 35 Вт/(м*к) при 0 °C
Образует оксиды при взаимодействии с кислородом
Отличается высокой пластичностью – свинцовые изделия можно царапать, разрезать ножом, сгибать
Является хорошим реагентом для кислот
Обладает температурой плавления – +328 °C, кипения – +1750 °C
Вступает в реакцию с растворами щелочей
Относится к тяжелым металлам, имея плотность 11,34 г/см3, но данный показатель снижается при повышении температуры
Ряд соединений свинца имеет повышенные кислотные свойства, из-за чего вещество считается окислителем
При достижении 7,26 °K превращается в сверхпроводник
Свинец добывают из руды с галенитом методом флотации, чтобы получить концентрат с 50–80 % чистого вещества. После чего используют один из четырех методов, чтобы изготовить черновой свинец. Основные месторождения данного легкоплавкого металла находятся в США, Китае, России.
Сферы применения свинца:
- изготовление взрывчатки – в ход идет нитрат свинца;
- черная промышленность – выполняет функцию компонента тяжелых жидкостей по обогащению руд;
- катодный материал в источниках тока химического типа;
- термоэлектрический материал – для этого используют теллурид свинца;
- основа свинцовых аккумуляторов и иных источников питания;
- производство шпаклевки и некоторых разновидностей краски;
- присадка для повышения октанового числа бензина.
В медицинской сфере этот металл защищает людей от излучения рентгеновских аппаратов. Один килограмм свинца сейчас стоит всего 2-3 доллара.
Данный легкоплавкий металл сам по себе нетоксичный, зато его производные соединения очень опасны.
Кадмий
Мягкий и ковкий, тягучий металл серебристо-белого цвета. В отличие от описанных выше легкоплавких металлов, стал известен относительно поздно – лишь в 1817 году. Его открыл немецкий профессор Ф. Штромейер, дав название, происходившее от руды, из которой тогда добывали цинк. В земной коре доля кадмия составляет 130 мг/т. В воде он содержится в пропорции 0,11 мк/л. В природе существует только шесть минералов, в составе которых есть кадмий, но в целом он распространен так же широко, как цинк.
Физические характеристики данного легкоплавкого металла:
- трещит при сгибании из-за особенностей кристаллической структуры;
- плавится при +321 °C, кипит при +770 °C;
- кристаллическая структура упрощается при внесении примесей;
- более твердый, чем олово, но мягче цинка, режется ножом;
- при +80 °C и выше теряет упругость, достаточно небольших усилий, чтобы превратить его в порошок.
Почти 40 % производства кадмия обеспечивает изготовление антикоррозийных покрытий для других сплавов. Кадмирование считается электролитической операцией и одним из лучших способов защитить детали и инструменты от образования очагов ржавчины. 20 % получаемого кадмия используют как добавку для краски. Также этот легкоплавкий металл участвует в производстве пленочных солнечных батарей, полупроводников, криогенной техники, задействуется при пайке алюминия.
Не стоит забывать, что в больших концентрациях соединения кадмия являются ядом.
Таллий
Таллий также считается легкоплавким металлом, ведь плавится при +304 °C, а закипает при +1473 °C.
Он был открыт в 1861 году английским ученым Круксом через спектральный метод. Название, выбранное для металла, объясняется наличием зеленых линий спектра – «таллий» переводится с греческого как «зеленая ветвь». Этот металл входит в число элементов рассеянного типа. На данный момент известно всего семь минералов, в которых в неявном виде фигурируют частицы таллия. В земной коре он присутствует в объемах 3,5*10^(-5) %.
Таллий используется в таких сферах:
- в виде амальгамы как теплоноситель в термометрах;
- при кардиологических исследованиях;
- как материал линз в инфракрасной оптике;
- как добавка в металлогалогеновые лампы;
- в минералогии позволяет определять характеристики минералов;
- как яд против грызунов в труднодоступных местах.
Основными физическими свойствами данного легкоплавкого металла являются сверхпроводимость при температуре выше 2,39 °K, твердость 1,3 по Моосу и 20 МПа по Бриннелю. Химическими свойствами таллия является способность вступать в реакцию с неметаллами, хорошая растворимость в азотной и серной кислоте и инертность по отношению к щелочам.
Таллий не является важным элементом для нормальной жизнедеятельности человеческого организма. Более того, он считается ядом кумулятивного типа и при значительных концентрациях приводит к поражению почек, нервной системы, ЖКТ.
Висмут
Этот красивый металл когда-то применяли как материал для ковки эффектных переливающихся сабель, основ винтовок и другого оружия. Первые упоминания о металле датируются 1546-м годом, однако официальное признание он получил лишь спустя почти 200 лет – в 1739 году. Еще через 80 лет элемент был внесен в периодическую систему.
В земной коре содержится 2*10^(-5) % висмута. Он встречается как чистый элемент в руде, поэтому его добыча не представляет большого труда. В промышленных масштабах примерно 85 % материала получают как попутный продукт от переработки медных, оловянных, свинцовых и других руд.
Физические особенности данного легкоплавкого металла:
- 8 кристаллографических модификаций;
- повышение плотности при переходе из твердого состояния в жидкое;
- увеличение удельного электрического сопротивления при росте температуры;
- низкая теплопроводимость на уровне 7,9 Вт/(м*К);
- плавится при +271 °C, кипит при +1564 °C;
- модуль упругости составляет 33–35 ГПа, а модуль сдвига равен 12,5 ГПа;
- хрупкость при комнатной температуре, становится пластичным при +160…+230 °C.
Речь идет о редком металле, ежегодные объемы добычи которого в чистом виде составляют не более 6 200 тонн. Главными странами-поставщиками висмута являются Германия, Монголия, Австралия, Перу, Россия. Цена на этот металл меняется в зависимости от спроса, например, в 2020 году за килограмм висмута просили 12$.
Олово
Люди начали использовать данный легкоплавкий металл в IV веке до н.э., но в чистом виде научились его получать лишь в XXI-м. Олово плавится при +231 °C и закипает при +2 620 °C. Модуль упругости равен 55 ГПа, а временное сопротивление на разрыв составляет 20 МПа. Твердость по Бринеллю у белого и серого олова находится на уровне в 152 МПа и 62 МПа соответственно. Для литья этого металла необходима температура +260…+300 °C.
Олово используется в таких областях:
- в качестве антикоррозийного покрытия в чистом виде либо в качестве сплава – таковыми на основе олова являются белая жесть, бронза и пьютер, который давно стал наиболее распространенным материалом для изготовления посуды;
- как компонент красок;
- в сфере гамма-резонансной спектроскопии;
- в качестве легирующего элемента в производстве титана;
- как абразив – для этих целей применяют двуокись олова;
- как анодный материал в источниках тока химического типа.
Олово считается рассеянным редким элементом, его доля в земной коре находится в пределах 2–8*10^(-3)%. Этот легкоплавкий металл добывают преимущественно из минерала касситерита, который имеет в своем составе до 80 % чистого олова. Вторым по содержанию данного элемента является станнин, известный как оловянный колчедан – в нем содержится до 30 % олова. Главными поставщиками этого металла являются Китай и страны Юго-восточной Азии.
Сейчас нет достоверных сведений относительно влияния олова на организм человека, однако передозировка чревата отравлением и хроническими заболеваниями легких.
Индий
Его в 1863 году открыли немецкие ученые Ф. Рейх и Т. Рихтер. Свое название металл получил из-за синего цвета линий в спектре или цвета индиго, а не в честь Индии, как это может показаться. Индий в чистом виде является редким и дорогим – цена на него стартует от 100 долларов за килограмм. Это объясняется тем, что он встречается всего в пяти минералах, а содержание в земной коре находится на уровне 10^(-5) %.
Сферы использования этого легкоплавкого металла:
- производство ЖК-экранов, обязательным элементом которых является оксидно-оловянная пленка;
- микроэлектроника, где он выполняет функцию акцепторной примеси;
- компонент легкоплавких припоев;
- покрытие зеркал, поскольку по своим отражающим свойствам индий не уступает серебру;
- основа для фотоэлементов;
- производство «голубого золота»;
- уплотнитель, применяемый в вакууме.
Температура плавления этого легкоплавкого металла равна +157 °C, закипает он при +2072 °C. Критическая температура, при которой ему присуща сверхпроводимость, находится на уровне 3,404 °К. Твердость по Бринеллю составляет 9 МПа, а по Моосу – 1,2. Индий производят из отходов цинка, реже свинца и олова. Металл не играет значимой роли в человеческом организме.
Ртуть
Ртуть является ядом. Она активно задействовалась людьми в разных областях уже до нашей эры. Например, античные и средневековые медики лечили этим материалом венерические и другие болезни, алхимики старались превратить его в золото. В современном мире этот наиболее легкоплавкий металл используется в электротехнике, приборостроении, органической химии.
При комнатной температуре ртуть остается жидкой, поскольку плавится уже при -39 °C. Так как ее пары чрезвычайно опасны, данное вещество может содержаться только в закрытом виде.
Галлий
Галлий реже используется в промышленности, чем другие описанные металлы, зато его способность к плавлению можно ощутить, просто прикоснувшись. Дело в том, что этот легкоплавкий металл становится мягким при +29,8 °C, что гораздо ниже температуры тела человека. Иными словами, он просто растекается в руках.
О существовании этого элемента рассуждал еще Д. Менделеев, однако выделить его получилось лишь в 1875 году.
Галлий относится к типичным рассеянным химическим элементам с двойной геохимической природой, а в земной коре его содержится около 19 граммов на тонну. Он не встречается в чистой форме, зато входит в состав множества минералов. Главными экспортерами галлия считаются страны Юго-Западной Африки, Россия, некоторые государства, входящие в СНГ.
Сферы использования металла:
- изготовление соединений полупроводникового типа – на эти цели уходит до 97 % добываемого галлия;
- в качестве холодной пайки в радиоэлектронике для металла и керамики;
- как легирующий элемент;
- дли изготовления оптических зеркал;
- вместо ртути в выпрямителях электрического тока.
Рекомендуем статьи
- Сплав железа и меди: область применения
- Углерод в металле и его влияние на свойства материала
- Легированные конструкционные стали: характеристики и применение
Галлий считается малотоксичным веществом и не играет значимой роли в жизнедеятельности организмов. Хотя этот металл не является самым легкоплавким в мире, его считают таковым из-за изменений, которые он претерпевает от тепла рук.
Это далеко не все легкоплавкие металлы, однако сфера применения остальных настолько ограничена, что не имеет смысла говорить о них в рамках одной статьи.
Самый легкоплавкий металл: свойства и использование
Каждый металл и их сплавы имеют различные свойства. Одно из таких свойств — температура плавления. Каждый металл плавится при разной температуре. Все что нужно для перевода вещества из твёрдого состояния в жидкое — источник тепла, который будет разогревать металл до определенной температуры.
Так как у каждого металла температура плавления различная, можно определить менее устойчивый металл к температуре и более. Так самый легкоплавкий металл — ртуть, он готов перейти в жидкое состоянии при температуре равно 39 градусов по цельсию. А вот вольфрам( из чего собственно и сделаны вольфрамовые электроды для аргоновой сварки), расплавится только по достижению температуры в 3422 градусов цельсии.
Что касается сплавов, таких как сталь и прочих, определить температуру, при которой те будут плавиться, довольно сложно. Вся сложность в их составе… Так как состав разный, то и температура плавления различная. Как правило, для сплавов указывается диапазон температур, при которых он будет плавиться. Вообще, температура плавления металлов интересная тема.
Способы плавления
Читайте также: Как установить мебельные петли быстро и надежно
Способов плавления два — внешний и внутренний. Каждый из способов по своему эффективен. Во время применений внешнего способа плавления, на металл или сплав воздействуют теплом с наружи, на пример в печи. А в случае с внутренним, через металл пропускается высокий разряд электрического тока или воздействуют электромагнитным полем.
На фото индукционный электромагнитный нагреватель металла для кузнечного дела.
Суть понятия самого легкоплавкого металла
Для специалистов больше знакомо понятие «тугоплавкость». Хотя слово «легкоплавки» и является антонимом в языковом аспекте, на практике – это один из пунктов к общей классификации в промышленности. По своей сути, любой элемент, имеющий температуру плавления менее 600 градусов по Цельсию, называют легкоплавким. Некоторые источники ставят планку вхождения в группу еще ниже – до 500 градусов Цельсия.
Классификация металлов по плавкости:
- легкоплавкие. Температура плавления элементов обязана быть ниже 600 градусов по Цельсию;
Процесс плавления одинаковый для всех металлических элементов – либо внешнее воздействие, либо внутреннее. В первом случае – это расплавка в печах, а во втором – разогревание через пропуск электрического тока сквозь металл. Иногда используется индукционный нагрев в электромагнитном поле с высокой частотой.
Процесс плавки металла через призму науки:
- Разогрев до температуры плавления.
- Увеличение амплитуды тепловых колебаний молекул внутри металла.
- Возникновение дефектов в структуре решетки материала.
- Межатомные связи разрываются + параллельно затрачивается энергия.
- Образование на поверхности квазижидкого слоя.
- Постепенное разрушение решетки и накопление дефектов, что и принято называть процессом плавления.
В зависимости от температуры плавления, выбирают аппараты из сплавов, способных выдержать пиковые значения. Для легкоплавких металлов вопрос решается проще всего.
Второй весомый параметр – температура кипения металла. В 95% случаев она в 2 раза выше температуры плавления. Между собой эти две величины являются прямо пропорциональными + при снижении/увеличения давления на материал, снижается и его показатели плавления с кипением.
10 самых крепких металлов в мире
Таблицы плавления металлов и сплавов
Ниже, представлены таблицы, для наглядного знакомства с температурами плавления тех или иных металлов и их сплавов.
Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов
Таблица с температурами плавления легкоплавких металлов
| Название | Обозначение | Плавление | Кипение |
| Олово | Sn | 232°C | 2600°C |
| Свинец | Pb | 327°C | 1750°C |
| Цинк | Zn | 420°C | 907°C |
| Калий | K | 63,6°C | 759°C |
| Натрий | Na | 97,8°C | 883°C |
| Ртуть | Hg | 38,9°C | 356.73°C |
| Цезий | Cs | 28,4°C | 667.5°C |
| Висмут | Bi | 271,4°C | 1564°C |
| Палладий | Pd | 327,5°C | 1749°C |
| Полоний | Po | 254°C | 962°C |
| Кадмий | Cd | 321,07°C | 767°C |
| Рубидий | Rb | 39,3°C | 688°C |
| Галлий | Ga | 29,76°C | 2204°C |
| Индий | In | 156,6°C | 2072°C |
| Таллий | Tl | 304°C | 1473°C |
| Литий | Li | 18,05°C | 1342°C |
Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов
Таблица температур плавления среднеплавких металлов и сплавов
Читайте также: Чем точить победитовые напайки
| Название | Обозначение | t Плавления | t Кипения |
| Алюминий | Al | 660°C | 2519°C |
| Германий | Ge | 937°C | 2830°C |
| Магний | Mg | 650°C | 1100°C |
| Серебро | Ag | 960°C | 2180°C |
| Золото | Au | 1063°C | 2660°C |
| Медь | Cu | 1083°C | 2580°C |
| Железо | Fe | 1539°C | 2900°C |
| Кремний | Si | 1415°C | 2350°C |
| Никель | Ni | 1455°C | 2913°C |
| Барий | Ba | 727°C | 1897°C |
| Бериллий | Be | 1287°C | 2471°C |
| Нептуний | Np | 644°C | 3901,85°C |
| Протактиний | Pa | 1572°C | 4027°C |
| Плутоний | Pu | 640°C | 3228°C |
| Актиний | Ac | 1051°C | 3198°C |
| Кальций | Ca | 842°C | 1484°C |
| Радий | Ra | 700°C | 1736,85°C |
| Кобальт | Co | 1495°C | 2927°C |
| Сурьма | Sb | 630,63°C | 1587°C |
| Стронций | Sr | 777°C | 1382°C |
| Уран | U | 1135°C | 4131°C |
| Марганец | Mn | 1246°C | 2061°C |
| Константин | 1260°C | ||
| Дуралюмин | Сплав алюминия, магния, меди и марганца | 650°C | |
| Инвар | Сплав никеля и железа | 1425°C | |
| Латунь | Сплав меди и цинка | 1000°C | |
| Нейзильбер | Сплав меди, цинка и никеля | 1100°C | |
| Нихром | Сплав никеля, хрома, кремния, железа, марганца и алюминия | 1400°C | |
| Сталь | Сплав железа и углерода | 1300°C — 1500°C | |
| Фехраль | Сплав хрома, железа, алюминия, марганца и кремния | 1460°C | |
| Чугун | Сплав железа и углерода | 1100°C — 1300°C |
Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов
Таблица температур плавления тугоплавких металлов и сплавов
| Название | Обозначение | t Плавления °C | t Кипения °C |
| Вольфрам | W | 3420 | 5555 |
| Титан | Ti | 1680 | 3300 |
| Иридий | Ir | 2447 | 4428 |
| Осмий | Os | 3054 | 5012 |
| Платина | Pt | 1769,3 | 3825 |
| Рений | Re | 3186 | 5596 |
| Хром | Cr | 1907 | 2671 |
| Родий | Rh | 1964 | 3695 |
| Рутений | Ru | 2334 | 4150 |
| Гафний | Hf | 2233 | 4603 |
| Тантал | Ta | 3017 | 5458 |
| Технеций | Tc | 2157 | 4265 |
| Торий | Th | 1750 | 4788 |
| Ванадий | V | 1910 | 3407 |
| Цирконий | Zr | 1855 | 4409 |
| Ниобий | Nb | 2477 | 4744 |
| Молибден | Mo | 2623 | 4639 |
| Карбиды гафния | 3890 | ||
| Карбиды ниобия | 3760 | ||
| Карбиды титана | 3150 | ||
| Карбиды циркония | 3530 |
Получение тугоплавких материалов
Основная трудность, встречающаяся при получении тугоплавких металлов и сплавов, это их высокая химическая активность, которая мешает быть элементу в чистом виде.
Установка для получения тугоплавких металлов
Наиболее распространенной технологией получения считается порошковая металлургия. Существует несколько способов получить порошок тугоплавкого металла.
- Восстановление с помощью триоксида водорода. Такой метод включает в себя несколько этапов, оборудование для обработки — это многотрубные печи, с диапазоном температур от 750 до 950 °С. Данный способ применяется для получения молибдена и вольфрама.
- Восстановление водородом из перрената аммония. При температуре около 500 °С, на заключительном этапе, полученный порошок, отделяют от щелочей с помощью кислот и воды. Применяется для получения рения.
- Соли различных металлов также применяются для получения порошка молибдена. Например, используют соль аммония металла и его порошок не более 15% от общей массы. Смесь нагревается до 500-850 °С при помощи инертного газа, а затем технология производства предусматривает провести восстановление водородом при температуре 850 — 1000 °С.
Производство тугоплавких металлов
Полученный этими способами порошок в дальнейшем подвергают к спеканию в специальные формы, для дальнейшей транспортировки и хранения.
На сегодняшний день, эти способы получения чистых тугоплавких металлов продолжают дорабатываться и применяются новые техники извлечения материала из горных пород. С развитием ядерной энергетики, космической отрасли, металлургии, мы в скором времени сможем наблюдать появление новых методов, возможно более дешевых и простых.
Самый тугоплавкий металл в мире расплавили ученые ИЯФ
Тончайший электронный пучок. Скорость – полмиллиметра в секунду. Самый тугоплавкий материал – карбид гафния – поддается за считанные минуты. Сибирские ученые разработали уникальный подход – прямо в электронно-лучевой установке получают карбид из исходных порошкообразных материалов. Тут же материал плавят в готовое изделие, как в 3D принтере. При такой технологии улучшаются и свойства материала. Раньше его синтезировали в огромной печи и только потом делали расплав.
Извержение в жерле вулкана моделируют ученые Академгородка
– При стандартной технологии просто получаются зерна, требуется очень много время, чтобы они соединились друг с другом. Но все равно остается пористость, которая ухудшает свойства конструкционных материалов. А когда мы ударили электронным пучком, металл не просто расплавился, он стал испаряться, это слишком высокое воздействие, а дальше пошла поверхность ровная и гладкая, – рассказывает старший научный сотрудник Института химии твердого тела Алексей Анчаров.
За один сеанс в установке можно изготовить и многослойное изделие – соединить тугоплавкий слой и, например, теплоизоляционный, который защитит от вредного воздействия. Исследование невозможно было бы без уникальной разработки сибирских физиков.
Читайте также: Токарный станок ТП-130М (ТАП-130М)
– Обычный электронный пучок чаще всего используется прямой, в нашем случае – пучок поворачивается на 90 градусов, потому что когда идет испарение, мощный поток паров может попадать на катод и вывести его из строя, – поясняет сотрудник Института ядерной физики Юрий Семенов.
Изделия из карбида гафния можно поставить и на промышленный поток, изготовив штампы и трафареты. То есть снизить цену и временные затраты на производство ядерных ректоров, космических ракет и ускорителей.
– Вы сами понимаете, самый высокотемпературный материал находит применение не только в гражданской области. Поэтому в первую очередь он идет на другие применения, тут пока информации нет, – сообщил старший научный сотрудник Института химии твердого тела Алексей Анчаров.
Дальше ученые разработают оптимальные параметры для автоматизации процесса получения и расплава карбида. Есть и конкретное задание – изготовить новый катод для ускорителя ИЯФ. Детали из самого тугоплавкого материала прочнее и долговечнее и сокращают энергозатраты.
Все выпуски новостей телеканала ОТС, а также программы «Итоги недели», «ПАТРИОТ», «Экстренный вызов», «Пешком по Новосибирской области», «ДПС – дорога. Перекресток. Судьба», «От первого лица» выложены на сайте YouTube.
Применение и нахождение в природе
Самый легкоплавкий металл в мире находится в природе очень рассеяно. Общая его концентрация в земной коре составляет примерно 83 мг/т, что делает его довольно редким элементом. В больших количествах он находится в глинистых сланцах и сульфидных минералах, в особенности в сфалеритах и антимонитах. Встречается в ливингстонитах и метациннабаритах.
Несмотря на свою токсичность, ртуть применяется во многих сферах, например, в металлургии, медицине, химической промышленности, машиностроении, электротехнике и даже сельском хозяйстве. Самый легкоплавкий металл подходит для наполнения энергосберегающих ламп, термометров и барометров.
В тяжёлой промышленности вещество используют для ртутнопаровых турбин, вакуумных установок и диффузионных насосов. Им наполняют измерительные приборы, аккумуляторы, сухие батареи. Ртуть участвует в производстве кондиционеров, холодильников и стиральных машин. В сельском хозяйстве её применяют в составе пестицидов.
Свойства ртути
Итак, самый легкоплавкий металл – это ртуть. Для её плавления нужна температура от 234,32 К или -38,83 °С. Кроме неё, при низких температурах плавятся свинец, таллий, галлий, висмут, олово, кадмий. Закипает ртуть при 629,88 К или 356,73 градусов Цельсия, а при 4,155 К ведёт себя как сверхпроводник.
Она обладает серебристо-белым цветом с ярко выраженным блеском. В периодической таблице ей присвоен номер 80. Это единственный металл, который при комнатной температуре находится в жидком состоянии. В твёрдом состоянии она обладает ромбоэдрической решеткой.
Смотреть галерею
Самый легкоплавкий металл малоактивен при небольших температурах. В таких условиях он слабо реагирует на окислительные растворы и многие газы. Не вступает в реакцию он и с кислородом воздуха, хотя прекрасно растворяется в царской водке.
С другими металлами ртуть образует различные сплавы, амальгамы. С органическими соединениями образует очень прочные связи. С хлором или йодом соединяется после нагревания, образуя ядовитые и практически не диссоциирующие вещества.
7 областей применения самого легкоплавкого металла
Самый легкоплавкий металл: разбор понятия + обзор 7 элементов группы легкоплавких металлов + обзор, какой металл считается самым легкоплавким + область применения материала в промышленности и быту.
У каждого элемента из группы металлов имеются уникальный перечень физических и химических свойств, благодаря которым те могут служить на благо человечества. Температура плавления – отнюдь не последний показатель в данном вопросе.
Если речь о металлических элементах, то здесь происходит преобразование из твердого состояния в жидкое при достижении пикового значения по температуре.
Сегодня мы разберем самый легкоплавкий металл и его ближайших соседей по характеристике – рассмотрим свойства, особенности и области применения элементов периодической системы в промышленности и повседневной жизни человека.
- 1 Суть понятия самого легкоплавкого металла
- 2 ТОП легкоплавкости + области применения
- 2.1 1) Обзор группы легкоплавких металлов промышленного назначения
- 2.1.1 А) Цинк (Zn)
- 2.1.2 В) Свинец (Pb)
- 2.1.3 С) Кадмий (Cd)
- 2.1.4 D) Таллий (Tl)
- 2.1.5 E) Висмут (Bi)
- 2.1.6 F) Олово (Sn)
- 2.1.7 G) Индий (In)
- 2.2.1 А) Ртуть – ТОП-1 по легкоплавкости в мире
- 2.2.2 Б) Галлий (Ga) – металл, тающий в руках
Суть понятия самого легкоплавкого металла
Для специалистов больше знакомо понятие «тугоплавкость». Хотя слово «легкоплавки» и является антонимом в языковом аспекте, на практике – это один из пунктов к общей классификации в промышленности. По своей сути, любой элемент, имеющий температуру плавления менее 600 градусов по Цельсию, называют легкоплавким. Некоторые источники ставят планку вхождения в группу еще ниже – до 500 градусов Цельсия.
Классификация металлов по плавкости:
- легкоплавкие. Температура плавления элементов обязана быть ниже 600 градусов по Цельсию;
Процесс плавления одинаковый для всех металлических элементов – либо внешнее воздействие, либо внутреннее. В первом случае – это расплавка в печах, а во втором – разогревание через пропуск электрического тока сквозь металл. Иногда используется индукционный нагрев в электромагнитном поле с высокой частотой.
Процесс плавки металла через призму науки:
- Разогрев до температуры плавления.
- Увеличение амплитуды тепловых колебаний молекул внутри металла.
- Возникновение дефектов в структуре решетки материала.
- Межатомные связи разрываются + параллельно затрачивается энергия.
- Образование на поверхности квазижидкого слоя.
- Постепенное разрушение решетки и накопление дефектов, что и принято называть процессом плавления.
В зависимости от температуры плавления, выбирают аппараты из сплавов, способных выдержать пиковые значения. Для легкоплавких металлов вопрос решается проще всего.
Второй весомый параметр – температура кипения металла. В 95% случаев она в 2 раза выше температуры плавления. Между собой эти две величины являются прямо пропорциональными + при снижении/увеличения давления на материал, снижается и его показатели плавления с кипением.
ТОП легкоплавкости + области применения
Металлов с температурой плавления ниже 600 градусов много, однако только небольшая их часть нашла широкое применение в промышленности и быту человека. Остальные – малоиспользуемые химические элементы таблицы Менделеева, составляющие менее 10% всего рынка промышленности по цветным и черным металлам.
Обратите внимание: легкоплавкие сплавы состоят из соответствующих металлов, но пиковая температура плавления таких элементов не должна превышать 232 градуса.
Если взглянуть на таблицу легкоплавких металлов выше, мы поймем, что граничным материалом будет именно олово. Все остальные легкоплавкие металлы, температура плавления которых выше, как легирующие добавки используются редко.
1) Обзор группы легкоплавких металлов промышленного назначения
Широчайшее применение имеет 9 легкоплавких материалов – цинк, свинец, кадмий, таллий, висмут, олово, индий, галлий и ртуть. Далее мы по каждому из элементов подадим краткую характеристику + область применения в быту и промышленности человеком.
А) Цинк (Zn)
Распространенность ★★★★★ (5.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★★
4.5Стоимость ★★★★(4.0 из 5.0) Применение ★★★★(4.0 из 5.0) Первые упоминания цинка в неявном виде пришли к нам из древней Греции и Египта – он там был составляющим элементом латуни. Первое промышленное изготовление цинка было запущено в 1743 году в городе Бристоле, а в 1746 был разработан метод получения металла путем прокаливания окиси смеси с углем без доступа кислорода с дальнейшим охлаждением паров в холодильном оборудовании.
Химические и физические свойства цинка:
- металл серебристо-белого цвета с высоким показателем пластичности при температуре от 100 до 150 градусов;
- при комнатной температуре у металла повышенная хрупкость. Даже незначительные сгибания приводят к возникновению хруста;
- температура плавления от 419 градусов Цельсия;
- вкрапления примесей пропорционально повышают хрупкость цинка;
- металл образовывает амфотерные соединения;
- при воздействии воздуха, поверхность цинка окисляется с образованием пленки.
В природе существует 65+ минералов с содержанием цинка. В земной коре металл содержится на уровне 8*10^(-3) %. В воде цинк также присутствует и активно мигрирует в термальных потоках на ровне со свинцом. Крупнейшие месторождения цинка – Иран, Австралия, Боливия и Казахстан.
Область применения цинка:
- в качестве антикоррозийного покрытия железа/стали;
- как добавка в аккумуляторах и элементах питания сухого типа;
- типографское дело открыто для листового цинка;
- как компонент сплавов в полупроводниках.
Физиологическая ценность цинка заключается в его катализирующих свойствах. Элемент является составляющей инсулина, а его поступление в организм обеспечивается через молоко, мясо и яйца. Недостаток цинка в почве приводит к возникновению болезней растений. В чистом виде металл мало токсичен.
В) Свинец (Pb)
Распространенность ★★★★★ (5.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.0Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) Применение ★★★(3.0 из 5.0) На внешний вид, плюмбум – металл серебристого цвета с беловатым и голубоватым оттенками. Из-за широкого распространения и просты в обработке, свинец использовался еще с древних времен (датируется 6 400 лет до н. э.). Промышленная отладка производства свинца началась в 1840 году, а к концу 20-го века уровень его добычи снизился из-за понижения спроса. Металл начали замещать другими материалами, которые менее опасны для здоровья человека.
Физические свойства Химические свойства Низкая теплопроводимость – 35 Вт/(м*к), но это при температуре в 0 градусов. При взаимодействии с кислородом получаем оксиды. Высокая пластичность материала. Изделия из олова не составит труда поцарапать, разрезать ножом или согнуть. Хороший реагент для кислот. Плавится при температуре в 328 градусов, а закипает при нагревании до 1750 градусов. Взаимодействует с растворами щелочей. Расположен в группе тяжелых металлов. Изначальная плотность в 11.34 грамма на сантиметр кубический постепенно падает по мере повышения температуры в окружении. Некоторые соединения на основании свинца обладают повышенными кислотными свойствами, что переводят вещество в разряд окислителей. При достижении точки температуры в 7.26 кельвина становится сверхпроводником. В основе производства свинца руды с галенитом. Через флотацию формируют концентрат с 50%-80% чистого вещества, а далее одним из 4 методов получают черновой свинец. Основными добытчиками свинца является США, Китай и Россия.
Где применяют свинец:
- нитрат свинца как компонент взрывчатки;
- черная промышленность, как компонент тяжелых жидкостей по обогащению руд;
- катодный материал в источниках тока химического типа;
- теллурид свинца используется как термоэлектрический материал;
- как основа для свинцовых аккумуляторов и других источников выработки питания;
- компонент шпаклевки и некоторых типов краски;
- как присадка к бензину для повышения октанового значения.
В медицине свинец применяется как защитник от излучения в рентгеновских аппаратах. Стоимость одного килограмма свинца более чем приемлема – 2-3 доллара. Нельзя забывать и о токсичности химического элемента. Хотя сам по себе свинец и не токсичен, того нельзя сказать о массе его производных соединений.
С) Кадмий (Cd)
Распространенность ★★★★(4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.0Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) Применение ★★★(3.0 из 5.0) Очередной мягкий и ковкий металл с проявлением тягучих свойств. По расцветке – это серебристо-белое вещество. С древних времен не распространялся. Открыт только в 1817 году немцем Штромейером. Название придумано тем же человеком, и происходит от руды, с которой добывали на то время цинк. Массовая доля кадмия в отношении массы земной коры составляет 130 миллиграмм на тонну. В воде элемент также присущ – от 0.11 микрограмма на литр. В природе имеется всего 6 минералов с содержанием кадмия, но из-за их широкого распространения, вещество по частоте проявления приравнивают цинку.
Физические свойства кадмия:
- треск при сгибании, образовывающейся из-за кристаллической структуры металла;
- температура плавления составляет 321 градус, а кипения – 770 градусов;
- при добавлении примесей, кристаллическая структура полученного сплава упрощается;
- твердость выше, чем у олова, но мягче цинка – это позволяет нарезать бруски металла ножом;
- при достижении температуры нагрева кадмия выше 80 градусов, металл теряет свойства упругости. При небольших усилиях превращается в порошок.
Почти 40% кадмиевого производства отправляется для создания антикоррозийных покрытий на другие сплавы. Кадмирование относится к электролитическим процедурам и один из лучших способов сделать детали с инструментами менее восприимчивыми к коррозии. Порядка 20% элемента используют в качестве добавки в красящие вещества. Из прочих областей применения – пленочные солнечные батареи, компонент полупроводников, пайка алюминия и криогенная техника. В больших концентрациях соединения на основе кадмия ядовиты.
D) Таллий (Tl)
Распространенность ★★★★(4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★
3.0Стоимость ★★★★(4.0 из 5.0) Применение ★★(2.0 из 5.0) Таллий относится к группе легкоплавких металлов – температура плавления от 304 градусов, а кипения – от 1473 Цельсия.
Открытие металла произошло в 1861 году англичанином Круксом через спектральный метод, а название получено из-за зеленых линий спектра. Дословно Таллий переводится с греческого как «зеленая ветвь». Таллий относится к элементам рассеянного типа. Существует только 7 минералов с содержанием частичек металла в неявном виде. Среднее содержание в рамках земной коры – 3.5*10 в (-5) степени.
- амальгама таллия благодаря низкой температуре плавления используется как теплоноситель в термометрах;
- при кардиологических исследованиях в медицине;
- в инфракрасной оптике как материал для линз;
- добавка в металлогалогеновые лампочки;
- в минералогии для выявления свойств минералов;
- в отдаленных уголках планеты используется как отрава против грызунов в труднодоступных местах.
Из физических свойств выделим сверхпроводимость при температуре выше 2.39 Кельвина, твердость по Моосу в 1.3 (по Бриннелю 20 МПа). По химии – реакции с неметаллами, хорошая растворимость в азотной и серной кислотах + инертность в отношении реакции с щелочами. Значительной биологической роли в жизнедеятельности человека талий не играет. Металл относится к ядам кумулятивного типа, а при больших концентрациях вещество способно вызвать поражения почек, нервной системы и желудочно-кишечного тракта.
E) Висмут (Bi)
Распространенность ★★★(3.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.0Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) Применение ★★★★(4.0 из 5.0) Красивый металл, который в прошлых веках использовали для ковки красивого, переливающегося оружия – сабли, основа винтовок и так далее. Впервые о висмуте, как отдельном химическом элементе, упомянули в 1546 году, но официально металл признали только в 1739 году. Спустя целых 80 лет Берцелиус ввел элемент в периодическую систему. В поверхности земной коры висмут содержится в количестве 2*10 в (-5) % по массе. В руде содержится как чистый элемент, что существенно упрощает процесс его добычи. Промышленная добыча висмута (около 85%) происходит как попутный продукт от переработки медных, оловянных, свинцовых и прочих типов руд.
Физические свойства висмута:
- 8 кристаллографических модификаций;
- при переходе из твердого состояния в жидкое, наблюдается повышение плотности вещества;
- удельное электрическое сопротивление растет с повышением температуры;
- низкая теплопроводимость – 7.9 Вт/(м*К);
- температура плавления 271 градус, а кипения – 1837 Кельвина;
- модуль упругости составляет от 33 до 35 ГПа, а модуль сдвига – 12.5 ГПа;
- в комнатной температуре металл имеет хрупкую структуру, но при повышении до 160-230 становится пластичным.
Висмут относится к редким металлам. Ежегодная добыча в чистом виде едва ли достигает отметки к 6 200 тонн ежегодно. Основные поставщики вещества на мировой рынок – Германия, Монголия, Австралия, Перу и Россия. Цена на металл непостоянна и меняется от уровня спроса. В 2020 году, к примеру, 1 килограмм висмута можно приобрести за 12$.
F) Олово (Sn)
Распространенность ★★★★(4.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★★
4.0Стоимость ★★★★★ (5.0 из 5.0) Применение ★★★★(4.0 из 5.0) История олова начинается еще с 4 века до нашей эры, но в чистой форме вещество было получено только в 21 веке. Происхождение названия металла – чисто славянское. Температура плавления олова составляет 231 градус, а кипения – 2 620 по Цельсию. Разница между показателями более чем заметна. Модуль упругости 55 ГПа, а временное сопротивление на разрыв – 20 МПа. Твердость по Бринеллю 152 МПа у белого и 62 МПа у серого олова. Температура литья – 260-300 по Цельсию.
Область применения олова:
- как вариант антикоррозийного покрытия в сплаве или чистом веществе. Примерами таких сплавов является белая жесть, бронза и пьютер. Последний особо популярен в производстве посуды;
- как составляющий компонент красок;
- гамма-резонансная спектроскопия;
- важный легирующий компонент при производстве титана;
- двуокись олова используется как абразивный материал;
- как анодный материал в химических источниках тока.
Олово относят к рассеянным редким элементам. В земной коре его процент разнится – от 2 до 8 умноженное на 10 в (-3) степени. Основным минералом для добычи олова считается касситерит, в котором содержится почти 80% чистого вещества. На втором месте – станнин, который более известен как оловянный колчедан (30%). Основные месторождения металла – Китай и Юго-восточная Азия. Достоверной информации о физиологическом воздействии олова на организм пока не имеется, но передозировки могут привести к отравлению и хроническим заболеваниям легких.
G) Индий (In)
Распространенность ★★(2.0 из 5.0) Общая привлекательность в промышленности
★★★
3.0Стоимость ★★★(3.0 из 5.0) Применение ★★★★(4.0 из 5.0) Металл был открыт двумя немцами Рейхом и Рихтером в 1863 году. Многие могут предположить, что название сродни одноименной стране на карте мира, но на самом деле свое обозначение металл получил из-за синего цвета (индиго) линий в спектре. Вещество в природе можно добыть из 5 минералов, а его общая доля в отношении земной коры составляет всего 10 в (-5) степени, что делает вещество в чистом виде как редким, так и дорогим (от 100 долларов за 1 килограмм).
Где применяется индий:
- оксидно-оловянная пленка незаменимый компонент ЖК экранов;
- в качестве акцепторной примеси в микроэлектронике;
- как компонент в легкоплавких припоях;
- для покрытия зеркал. Отображающие свойства индия ничуть не хуже нежели у серебра;
- основа для фотоэлементов;
- входит в состав «голубого золота»;
- в условиях вакуума используется как уплотнитель.
Температура плавления металла составляет 157 градусов, а кипения – 2072 градуса. Критическая температура для возникновения сверхпроводимости составляет 3.404 К. Твердость по Бринеллю 9 МПа, а по Моосу 1.2. Производство индия происходит из отходов цинка, реже свинца и олова. Ярко выраженной биологической роли металл для человека не имеет.
2) Какой самый легкоплавкий металл + область его применения
В данном разделе мы хотим остановиться на 2-х элементах, а не одном. С физической точки зрения, самым легкоплавким металлом является ртуть , но существует еще один сравнительно безопасный металл, который часто используют для наглядной демонстрации самого физического процесса – галлий. Давайте вкратце расскажем о каждом из них.
А) Ртуть – ТОП-1 по легкоплавкости в мире
Для большинства людей ртуть знакома с самого детства – ртутные градусники до сих пор считаются точнейшим методом измерения температуры тела человека. В комнатной температуре (да и вообще при «+»), металл имеет расплавленную форму. Переход в твердую форму происходит при понижении температуры окружения до -39 градусов – это температура плавления чистого вещества.
В исторической справке металл известен с древности. Впервые чистую ртуть химическим путем получили в 1735 году. Сделал это швед-химик Брандт. По уровню распространения в природе, ртуть имеет концентрацию в 83 мг/тонну. Концентрация чистого вещества в ртутных рудах сравнительно высока и может достигать 2.8%-3%. В природе известно порядка 20 минералов с содержанием чистого вещества.
Плотность ртути меняется в зависимости ото температуры окружения. В нормальных условиях, при комнатной температуре – то 13 550 килограмм на метр кубический. Температура кипения чистого элемента составляет 357 градусов. Имеет диамагнетические свойства + способен образовывать с прочими металлами сплавы твердого и жидкого типов. В химическом плане ртуть малоактивная.
Области применения ртути:
- как консервант для некоторых медпрепаратах;
- рабочее тело в ртутных термометрах;
- люминесцентные лампы могут заполняться ртутными парами;
- элемент датчиков положения;
- внедрение в некоторые типы красок. Например, чтобы не дать части корабля под водой обрасти морскими растениями;
- легирующий материал для множества сплавов;
- катод в электролитических методах получения металлов.
Все соединения ртути, как и сам материал ядовиты, потому, широкого распространения элемент в промышленности и быту человека не приобрел. В 21 веке направления использования ртути можно с успехом заменить на более безопасные элементы. Да, чуть дороже, но здоровье превыше всего.
Развернутая информация о самом легкоплавком металле на земле:
Б) Галлий (Ga) – металл, тающий в руках
Если говорить о наглядности, то обойти стороной рассматриваемый металл нереально. Температура тела человека 36.6, а галлий тает при температуре в 29.8 градуса. То есть, если взять металл в руки, он начнет растекаться – забавное зрелище. Существование элемента было предсказано самим Менделеевым, но впервые выделить металл удалось только в 1875 году Де Буабодраном.
На тонну земной коры приходится порядка 19 грамм галлия. Металл является типичным рассеянным химэлементом у которого двойная геохимическая природа. В чистой форме встретить металл нельзя, но в отношении количества минералов с его содержанием, может дать фору многим. Основными месторождениями галлия является страны Юго-Западной Африки, Россия и некоторые страны СНГ.
Где применяется галлий:
- почти 97% добываемого галлия уходит на получение соединений полупроводникового типа;
- как «холодная пайка» в радиоэлектронике для металла и керамики;
- как легирующий компонент;
- в получении зеркал оптического типа;
- как замена ртути в выпрямителях электрического тока.
Элемент относится к малотоксичным веществам + биологически важной роли в жизни человека не имеет. Хотя галлий и не самый легкоплавкий металл, его поведение в руках человека многих вводит в заблуждение.
Существуют и другие участники ряда металлов таблицы Менделеева с небольшой температурой плавления, но из-за их малой области применения, рассматривать в рамках нашего сайта их просто нет смысла.
Источник https://vt-metall.ru/articles/865-legkoplavkie-metally/
Источник https://msmetall.ru/stanki/samyj-trudno-plavkij-metall.html
Источник https://wikimetall.ru/spravochnik/samyj-legkoplavkij-metall.html
- 2.1 1) Обзор группы легкоплавких металлов промышленного назначения
