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.
https://wikimetall.ru/spravochnik/samyj-legkoplavkij-metall.html
- 2.1 1) Обзор группы легкоплавких металлов промышленного назначения