7 областей применения самого легкоплавкого металла

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 11 Августа 2024

Содержание:

• Понимание самого легкоплавкого металла
• ТОП легкоплавкости и области использования

Самый легкоплавкий металл: углубленный анализ термина + рассмотрение 7 элементов группы легкоплавких металлов + анализ того, какой металл признан самым легкоплавким + применение материала в различных отраслях промышленности и в повседневной жизни.

У каждого представителя группы металлов есть уникальный набор физических и химических свойств, благодаря которым они могут служить во благо человечества. Температура плавления — это далеко не последний критерий в данном вопросе.

Если говорить о металлических элементах, то при достижении критической температуры они переходят из твердого состояния в жидкое.

Сегодня мы рассмотрим самый легкоплавкий металл и его близких соседей по этой характеристике — обсудим их свойства, особенности и области применения элементов периодической системы в промышленности и повседневной жизни человека.

Понимание самого легкоплавкого металла

Классификация металлов по плавкости:

• легкоплавкие. Температура плавления этих элементов должна быть ниже 600 градусов по Цельсию;

металлы средней температуры плавления. Для расплавления таких материалов необходима температура в диапазоне от 600 до 1600 градусов по Цельсию;

Жаропрочные: вещества на основе металлов, отличающиеся высокой температурой плавления, превышающей 1 600 градусов Цельсия.

Процесс плавления для всех металлов осуществляется одинаково, будь то внешнее воздействие или внутреннее. В первом случае металл плавится в специальных печах, во втором – нагревается путем пропускания электрического тока через материал. Также иногда применяют индукционный нагрев в высокочастотном электромагнитном поле.

Научный взгляд на процесс плавки металла:

1. Нагревание до температуры плавления.
2. Повышение амплитуды тепловых колебаний молекул в металле.
3. Появление дефектов в кристаллической решетке материала.
4. Разрыв межатомных связей и затрата энергии на этот процесс.
5. Формирование квазижидкого слоя на поверхности.
6. Постепенное разрушение решетки и накопление дефектов, что и составляет процесс плавления.

При выборе приборов из сплавов, необходимо учитывать их способность выдерживать температурные максимумы, которые зависят от температуры плавления вещества. Для металлов с низкой температурой плавления этот вопрос решается проще всего.

Второй значимый параметр – это температура кипения металла. В 95% случаев она в два раза превышает температуру плавления. Эти две величины непосредственно связаны: при изменении давления на материал изменяются и его показатели температур плавления и кипения.

ТОП легкоплавкости и области использования

Важно: легкоплавкие сплавы включают в себя соответствующие металлы, однако их максимальная температура плавления не должна превышать 232 градуса.

Проанализировав таблицу легкоплавких металлов, мы осознаем, что граничащим материалом является олово. Весь остальной набор легкоплавких металлов с более высокой температурой плавления в качестве легирующих добавок используется редко.

1) Исследование группы легкоплавких металлов для промышленного использования

В промышленности активно применяются 9 легкоплавких материалов: цинк, свинец, кадмий, таллий, висмут, олово, индий, галлий и ртуть. Далее мы представим краткую характеристику каждого элемента и рассмотрим их применение в бытовых и промышленных сферах.

А) Цинк (Zn)

Уровень распространенности	★★★★★ (5.0 из 5.0)	Общая привлекательность в промышленном использовании ★★★★★ 4.5
Стоимость	★★★★ (4.0 из 5.0)
Области применения	★★★★ (4.0 из 5.0)

Цинк впервые упоминался в исторических источниках древней Греции и Египта, где он входил в состав латуни. В 1743 году в Бристоле началось первое промышленное производство цинка, а в 1746 году был разработан метод его получения путем прокаливания смеси окиси с углем в условиях отсутствия кислорода с последующим охлаждением паров в специальных устройствах.

Физические и химические характеристики цинка:

• металл серебристо-белого цвета, обладающий высокой пластичностью при температурах от 100 до 150 градусов;
• при комнатной температуре металл становится более хрупким, даже небольшие сгибы вызывают хруст;
• температура плавления составляет около 419 градусов Цельсия;
• наличие примесей увеличивает хрупкость цинка пропорционально их количеству;
• металл способен образовывать амфотерные соединения;
• при контакте с воздухом на поверхности цинка формируется оксидная пленка.

Цинк встречается в природе в более чем 65 минералах. В земной коре его содержание составляет примерно 8*10^(-3) %. Также цинк присутствует в воде и активно перемещается в термальных потоках вместе со свинцом. Самые крупные месторождения цинка находятся в Иране, Австралии, Боливии и Казахстане.

Сферы применения цинка:

• для антикоррозийного покрытия железа и стали;
• как компонент в аккумуляторах и элементах питания сухого типа;
• типография работает с листами из цинка;
• используется в составе сплавов для полупроводников.

Цинк важен для организма благодаря своим катализирующим свойствам. Элемент входит в состав инсулина и поступает в организм с молоком, мясом и яйцами. Дефицит цинка в почве вызывает болезни растений. Сам по себе металл имеет низкую токсичность.

В) Свинец (Pb)

Уровень распространенности	★★★★★ (5.0 из 5.0)	Общая привлекательность в промышленности ★★★★ 4.0
Стоимость	★★★★★ (5.0 из 5.0)
Сферы применения	★★★ (3.0 из 5.0)

Свинец – металл серебристого цвета с голубоватым оттенком. Благодаря широкой распространенности и легкости в обработке, он использовался еще в древние времена, начиная с 6 400 лет до н. э. Промышленное производство свинца наладилось в 1840 году, но к концу 20-го века добыча снизилась из-за уменьшения спроса. Металл начали заменять на более безопасные для здоровья человека материалы.

Физические свойства	Химические свойства
Низкая теплопроводность – 35 Вт/(м*К) при температуре 0 градусов.	Образует оксиды при взаимодействии с кислородом.
Высокая пластичность. Изделия из свинца легко поцарапать, разрезать ножом или согнуть.	Хорошо реагирует с кислотами.
Плавится при температуре 328 градусов Цельсия, кипит при 1750 градусах.	Взаимодействует с растворами щелочей.
Относится к тяжелым металлам. Первоначальная плотность 11.34 грамма на кубический сантиметр снижается с повышением температуры.	Некоторые соединения свинца обладают повышенными кислотными свойствами, переводя его в разряд окислителей.
Превращается в сверхпроводник при 7.26 кельвина.

Основой получения свинца служат руды с галенитом. Путем флотации добывают концентрат, в котором содержится от 50% до 80% чистого вещества. Затем черновой свинец получают одним из четырех методов. Основными странами-поставщиками свинца являются США, Китай и Россия.

Области применения свинца:

• нитрат свинца используется в качестве компонента взрывчатых веществ;
• в черной промышленности как часть тяжелых жидкостей для обогащения руд;
• катодный материал в химических источниках тока;
• теллурид свинца применяется как термоэлектрический материал;
• как основа для свинцовых аккумуляторов и других средств энергообеспечения;
• компонент шпаклевок и некоторых видов красок;
• добавка к бензину для повышения октанового числа.

В медицинских целях свинец служит барьером против излучения в рентгеновском оборудовании. Цена за килограмм свинца составляет порядка 2-3 долларов, что вполне приемлемо. Однако, важно помнить о его токсичности. Сам свинец не представляет опасности, чего не скажешь о его многочисленных соединениях.

С) Кадмий (Cd)

Популярность	★★★★(4.0 из 5.0)	Общая привлекательность в промышленности ★★★★ 4.0
Цена	★★★★★ (5.0 из 5.0)
Использование	★★★(3.0 из 5.0)

Это еще один металл, отличающийся мягкостью и ковкостью, а также демонстрирующий пластичность. Его цвет – серебристо-белый. В древности этот металл не был известен. Лишь в 1817 году его открыл немец Штромейер. Название, которое он придумал, связано с рудой, из которой в то время добывали цинк. Кадмий составляет 130 миллиграмм на тонну массы земной коры. В воде его концентрация составляет около 0.11 микрограмма на литр. Всего в природе существует шесть минералов с содержанием кадмия, однако из-за их широкого распространения, этот элемент по частоте встречаемости сравнивают с цинком.

Физические характеристики кадмия:

• при сгибании возникает треск из-за кристаллической структуры металла;
• температура плавления составляет 321 градус Цельсия, а температура кипения – 770 градусов Цельсия;
• при добавлении добавок, кристаллическая структура образующегося сплава становится проще;
• твердость выше, чем у олова, но он мягче цинка – благодаря этому можно разрезать металлические бруски ножом;
• при нагреве кадмия свыше 80 градусов металл теряет эластичность. Под небольшим давлением он превращается в порошок.

Около 40% мирового производства кадмия идет на создание антикоррозионных покрытий для различных сплавов. Процесс кадмирования является электролитическим и считается одним из самых эффективных способов защитить металлы от коррозии. Приблизительно 20% кадмия используется как добавка в красящие вещества. Среди других применений – производство пленочных солнечных батарей, компонентов полупроводников, пайка алюминия и криогенная техника. Высокие концентрации кадмиевых соединений являются токсичными.

D) Таллий (Tl)

Распространение	★★★★ (4.0 из 5.0)	Общая востребованность в промышленности ★★★ 3.0
Стоимость	★★★★ (4.0 из 5.0)
Применение	★★ (2.0 из 5.0)

Таллий относится к группе легкоплавких металлов – его температура плавления составляет 304 градуса Цельсия, а температура кипения – 1473 градуса Цельсия.

Металл был открыт в 1861 году британским исследователем Круксом с использованием спектрального анализа. Название металла происходит от зеленых линий его спектра, и буквально переводится с греческого как «зеленый побег». Таллий является рассеянным элементом и встречается только в 7 минералах в виде неявных частиц. Содержание таллия в земной коре составляет в среднем 3.5 * 10^-5.

• амальгама таллия используется как теплоноситель в термометрах из-за своей низкой температуры плавления;
• применяется в медицине для кардиологических исследований;
• используется в инфракрасной оптике в качестве материала для линз;
• добавляется в металлогалогеновые лампы;
• применяется в минералогии для изучения свойств минералов;
• в труднодоступных местах на нашей планете используется как средство для борьбы с грызунами.

Среди физических характеристик можно отметить сверхпроводимость при температуре выше 2.39 Кельвина и твердость по шкале Мооса 1.3 (по Бриннелю 20 МПа). В химическом плане он проявляет активность в реакциях с неметаллами, обладает хорошей растворимостью в азотной и серной кислотах, при этом не взаимодействует с щелочами. В жизнедеятельности человека талий не имеет значимой биологической роли. Металл является кумулятивным ядом и при высоких концентрациях может вызывать поражения почек, нервной системы и желудочно-кишечного тракта.

Е) Висмут (Bi)

Популярность	★★★ (3.0 из 5.0)	Общая востребованность в промышленности ★★★★ 4.0
Цена	★★★★★ (5.0 из 5.0)
Использование	★★★★ (4.0 из 5.0)

Этот блестящий металл использовался в старину для ковки изящного и сверкающего оружия – таких как сабли или основы винтовок. Впервые упоминание о висмуте как отдельном химическом элементе состоялось в 1546 году, однако официальное признание металл получил лишь в 1739 году. Лишь спустя 80 лет Берцелиус включил элемент в периодическую систему. В земной коре висмут присутствует в доле 2*10^-5 % по массе. В рудах он встречается в чистом виде, что значительно облегчает его добычу. Примерно 85% промышленного производства висмута получается как побочный продукт при переработке медных, оловянных, свинцовых и других видов руд.

Физические характеристики висмута:

• 8 кристаллографических модификаций;
• при переходе из твердого состояния в жидкое происходит увеличение плотности вещества;
• с повышением температуры удельное электрическое сопротивление увеличивается;
• теплопроводность низкая и составляет 7,9 Вт/(м·К);
• точка плавления – 271 градус, а кипения – 1837 К;
• модуль упругости варьируется от 33 до 35 ГПа, модуль сдвига – 12,5 ГПа;
• при комнатной температуре металл хрупкий, но при нагреве до 160-230 градусов становится пластичным.

Висмут – редкий металл. Его ежегодная добыча в чистом виде составляет приблизительно 6200 тонн. Основные экспортеры на мировой рынок включают Германию, Монголию, Австралию, Перу и Россию. Цена на металл колеблется в зависимости от спроса. В 2020 году, к примеру, 1 килограмм висмута оценивался в 12 долларов.

F) Олово (Sn)

Популярность	★★★★ (4.0 из 5.0)	Общая популярность в индустрии ★★★★ 4.0
Цена	★★★★★ (5.0 из 5.0)
Использование	★★★★ (4.0 из 5.0)

Происхождение олова можно проследить с 4 века до нашей эры, но чистый элемент был выделен лишь в 21 веке. Название металла имеет славянские корни. Олово плавится при 231 градусе Цельсия, а кипит при 2620 градусах. Разница между этими температурами весьма существенна. Его модуль упругости равен 55 ГПа, а предел прочности при растяжении — 20 МПа. Твердость олова также варьируется: по Бринеллю она составляет 152 МПа для белого и 62 МПа для серого. Температурный диапазон литья составляет 260-300 градусов по Цельсию.

Сферы применения олова:

• в качестве антикоррозионного покрытия, применяемого в различных сплавах или в виде чистого вещества. Примеры таких сплавов включают белую жесть, бронзу и пьютер, последний из которых широко используется в производстве посуды;
• в составе красок;
• в гамма-резонансной спектроскопии;
• как важный легирующий элемент при производстве титана;
• двуокись олова служит абразивным материалом;
• в качестве анодного материала в химических источниках тока.

Олово относится к категории рассеянных редких элементов. Его содержание в земной коре варьируется от 2 до 8 на 10 в (-3) степени. Основным минералом для получения олова является касситерит, который содержит около 80% чистого элемента. На втором месте по значимости идет станнин, также известный как оловянный колчедан, с содержанием порядка 30%. Основные месторождения олова находятся в Китае и Юго-Восточной Азии. На данный момент нет достоверной информации о физиологическом влиянии олова на человеческий организм, однако его передозировка может привести к отравлению и хроническим заболеваниям легких.

G) Индий (In)

Распространение	★★ (2.0 из 5.0)	Общая привлекательность в промышленности ★★★ 3.0
Стоимость	★★★ (3.0 из 5.0)
Использование	★★★★ (4.0 из 5.0)

Металл был обнаружен немецкими учеными Рейхом и Рихтером в 1863 году. Многим может показаться, что его название связано с одноименной страной, но на самом деле оно происходит от синего цвета (индиго) линий в спектре. Этот элемент можно добыть из пяти различных минералов, а его присутствие в земной коре составляет всего 10^-5, что делает его редким и дорогим (стоимость от 100 долларов за 1 килограмм).

Области применения индия:

• Оксидно-оловянная пленка — незаменимый элемент ЖК экранов;
• используется как акцепторная примесь в микроэлектронных устройствах;
• является компонентом легкоплавких сплавов для пайки;
• применяется для покрытия зеркальных поверхностей. Индий обладает отражающими свойствами, аналогичными серебру;
• служит основой для фотоэлементов;
• используется в составе «голубого золота»;
• в вакуумных условиях применяется в качестве уплотнителя.

Металл имеет температуру плавления 157 градусов Цельсия и температуру кипения 2072 градуса Цельсия. Критическая температура начала сверхпроводимости составляет 3.404 К. Твердость по шкале Бринелля 9 МПа, а по Моосу — 1.2. Индий производится из отходов цинкового производства, реже из свинцовых и оловянных. Для человека этот металл не имеет выраженной биологической значимости.

2) Какой самый легкоплавкий металл + область его применения

А) Ртуть — занимает первое место по легкоплавкости в мире

Для многих ртуть знакома с ранних лет – ртутные термометры до сих пор являются самым точным средством измерения температуры тела. В обычных условиях (и вообще при плюсовой температуре) металл находится в жидком состоянии. Твердой ртуть становится при снижении температуры до -39 градусов – это точка плавления чистого вещества.

С древних времен известно о металле. Химический способ получения чистой ртути был впервые осуществлен в 1735 году шведским химиком Брандтом. Ртуть встречается в природе с концентрацией 83 мг на тонну. В ртутных рудах содержание чистого вещества достаточно велико и варьируется от 2.8% до 3%. На данный момент в природе обнаружено около 20 минералов, содержащих этот металл.

Плотность ртути варьируется в зависимости от окружающей температуры. В стандартных условиях, при комнатной температуре, она составляет 13 550 килограммов на кубический метр. Температура кипения чистого металла достигает 357 градусов. Ртуть обладает диамагнитными свойствами и может образовывать сплавы с другими металлами как в твердом, так и в жидком состоянии. С точки зрения химической активности ртуть малореактивна.

Области использования ртути:

• в качестве консерванта в некоторых медицинских препаратах;
• рабочее вещество в ртутных термометрах;
• люминесцентные лампы могут заполняться ртутными парами;
• элемент датчиков положения;
• добавление в определенные типы красок для предотвращения обрастания подводных частей кораблей морскими организмами;
• как легирующее вещество для множества сплавов;
• катод в электролитических методах получения металлов.

Все соединения ртути, как и сам этот металл, чрезвычайно токсичны, поэтому его использование в промышленности и повседневной жизни ограничено. В XXI веке многие применения ртути успешно заменяются более безопасными элементами. Они могут быть несколько дороже, но здоровье важнее.

Подробная информация о наиболее легкоплавком металле на планете:

Б) Галлий (Ga) – металл, плавящийся в руках

Когда речь идет о наглядности, этот металл не может остаться незамеченным. Температура тела человека составляет 36,6 градуса, а галлий плавится уже при 29,8 градусах. Следовательно, взяв металл в руки, можно наблюдать его плавление – весьма занимательное зрелище. Существование данного элемента было предсказано Менделеевым, но выделить галлий удалось лишь в 1875 году Де Буабодраном.

В одной тонне земной коры содержится около 19 граммов галлия. Этот металл является типичным рассеянным химическим элементом с двойной геохимической природой. В чистом виде галлий не встречается, но количество минералов, в которых он присутствует, может составить конкуренцию многим другим элементам. Основные месторождения галлия находятся в странах Юго-Западной Африки, России и некоторых государствах СНГ.

Сферы применения галлия:

• до 97% добытого галлия используется для получения полупроводниковых соединений;
• в радиоэлектронике применяется как средство для «холодной пайки» металла и керамики;
• в качестве легирующего компонента;
• в производстве оптических зеркал;
• как замена ртути в выпрямительных устройствах электрического тока.

Элемент считается малотоксичным веществом и не играет значимой биологической роли для человека. Хотя галлий не является самым легкоплавким металлом, его необычные свойства в руках могут сбить с толку многих людей.

Есть и другие металлы из периодической таблицы Менделеева с низкой температурой плавления, но из-за их ограниченного использования изучение их на нашем сайте не представляет интереса.