Почти всички метали са твърди вещества при нормални условия. Но при определени температури те могат да променят агрегатното си състояние и да станат течни. Нека да разберем коя е най-високата точка на топене на метала? Кое е най-ниското?
Точка на топене на металите
Повечето от елементите в периодичната таблица са метали. В момента има приблизително 96 от тях, всички те изискват различни условия, за да се превърнат в течност.
Прагът на нагряване на твърдите кристални вещества, над който те стават течни, се нарича точка на топене. За металите варира в рамките на няколко хиляди градуса. Много от тях се превръщат в течност при относително висока температура. Това ги прави обичаен материал за направата на тенджери, тигани и други кухненски прибори.
Среброто (962 °C), алуминият (660,32 °C), златото (1064,18 °C), никелът (1455 °C), платината (1772 °C) и др. имат средни точки на топене. Има и група огнеупорни и нискотопими метали. Първият се нуждае от повече от 2000 градуса по Целзий, за да се превърне в течност, вторият се нуждае от по-малко от 500 градуса.
Нискотопимите метали обикновено включват калай (232 °C), цинк (419 °C) и олово (327 °C). Някои от тях обаче може да имат дори по-ниски температури. Например франций и галий се топят в ръката, но цезият може да се нагрее само в ампула, защото се запалва с кислород.
Най-ниските и най-високите температури на топене на металите са представени в таблицата:
Волфрам
Металът волфрам има най-висока точка на топене. Само неметалният въглерод се нарежда по-високо по този показател. Волфрамът е светло сиво лъскаво вещество, много плътно и тежко. Кипи при 5555 °C, което е почти равно на температурата на фотосферата на Слънцето.
При стайни условия реагира слабо с кислорода и не корозира. Въпреки своята огнеупорност, той е доста пластичен и може да се кове дори при нагряване до 1600 °C. Тези свойства на волфрама се използват за нажежаеми нишки в лампи и кинескопи и електроди за заваряване. По-голямата част от добития метал се легира със стомана, за да се увеличи здравината и твърдостта му.
Волфрамът намира широко приложение във военната сфера и технологиите. Той е незаменим за производството на боеприпаси, броня, двигатели и най-важните части на военни превозни средства и самолети. Използва се и за направата на хирургически инструменти и кутии за съхранение на радиоактивни вещества.
Меркурий
Живакът е единственият метал, чиято точка на топене е минус. Освен това той е един от двата химични елемента, чиито прости вещества при нормални условия съществуват под формата на течности. Интересното е, че металът кипи при нагряване до 356,73 °C, което е много по-високо от точката му на топене.
Има сребристо-бял цвят и изразен блясък. Той се изпарява вече при стайни условия, кондензирайки се на малки топчета. Металът е много токсичен. Може да се натрупва във вътрешните органи на човека, причинявайки заболявания на мозъка, далака, бъбреците и черния дроб.
Живакът е един от седемте първи метала, за които човекът е научил. През Средновековието е смятан за основен алхимичен елемент. Въпреки токсичността си, някога е бил използван в медицината като част от зъбни пломби, а също и като лек за сифилис. Сега живакът е почти напълно премахнат от медицинските препарати, но се използва широко в измервателни уреди (барометри, манометри), за производството на лампи, ключове и звънци.
Сплави
За да се променят свойствата на определен метал, той се легира с други вещества. Така той може не само да придобие по-голяма плътност и здравина, но и да намали или повиши точката на топене.
Една сплав може да се състои от два или повече химически елемента, но поне един от тях трябва да е метал. Такива „смеси“ се използват много често в промишлеността, тъй като те позволяват да се получат точно необходимите качества на материалите.
Точката на топене на металите и сплавите зависи от чистотата на първите, както и от пропорциите и състава на вторите. За получаване на сплави с ниска топимост най-често се използват олово, живак, талий, калай, кадмий и индий. Съдържащите живак се наричат амалгами. Съединение на натрий, калий и цезий в съотношение 12%/47%/41% става течност още при минус 78°C, амалгама от живак и талий - при минус 61°C. Най-огнеупорният материал е сплав от тантал и хафниеви карбиди в съотношение 1:1 с точка на топене 4115 °C.
Всеки метал или сплав има уникални свойства, включително точката на топене. В този случай обектът преминава от едно състояние в друго, в конкретен случай става течен от твърд. За да го разтопите, трябва да го загреете и да го нагреете до достигане на желаната температура. В момента, в който се достигне желаната температурна точка на дадена сплав, тя все още може да остане в твърдо състояние. Докато експозицията продължава, тя започва да се топи.
Живакът е с най-ниска точка на топене - топи се дори при -39 °C, волфрамът е с най-висока - 3422 °C. За сплавите (стомана и други) е изключително трудно да се определи точната цифра. Всичко зависи от съотношението на компонентите в тях. За сплави се записва като цифров интервал.
Как работи процесът
Елементите, каквито и да са: злато, желязо, чугун, стомана или други, се топят приблизително еднакво. Това се случва поради външно или вътрешно нагряване. Външното отопление се извършва в термична пещ. За вътрешна употреба резистивно нагряване, преминаване на електрически ток или индукция нагряване във високочестотно електромагнитно поле. Въздействието е приблизително същото.
Кога настъпва нагряване, амплитудата на топлинните вибрации на молекулите се увеличава. Появи се структурни дефекти на решетката, съпроводено с разкъсване на междуатомни връзки. Периодът на разрушаване на решетката и натрупване на дефекти се нарича топене.
В зависимост от степента на топене металите се делят на:
- нискотопими - до 600 °C: олово, цинк, калай;
- среднотопими - от 600 °C до 1600 °C: злато, мед, алуминий, чугун, желязо и най-вече елементи и съединения;
- огнеупорни - от 1600 °C: хром, волфрам, молибден, титан.
В зависимост от това каква е максималната степен се избира апаратът за топене. То трябва да е по-силно, колкото по-силно е отоплението.
Втората важна стойност е степента на кипене. Това е параметърът, при който течностите започват да кипят. По правило тя е два пъти по-висока от точката на топене. Тези стойности са право пропорционални една на друга и обикновено се дават при нормално налягане.
Ако налягането се увеличи, количеството на топене също се увеличава. Ако налягането намалее, значи намалява.
Таблица с характеристики
Метали и сплави - незаменими основа за коване, леярско производство, производство на бижута и много други области на производство. Без значение какво прави майсторът ( златни бижута, огради от чугун, ножове от стомана или медни гривни), за правилна работа трябва да знае температурите, при които се топи определен елемент.
За да разберете този параметър, трябва да се обърнете към таблицата. В таблицата можете да намерите и степента на кипене.
Сред най-често използваните елементи в ежедневието индикаторите за точка на топене са:
- алуминий - 660 °C;
- температура на топене на медта - 1083 °C;
- точка на топене на златото - 1063 °C;
- сребро - 960 °C;
- калай - 232 °C. Калайът често се използва за запояване, тъй като температурата на работещ поялник е точно 250–400 градуса;
- олово - 327 °C;
- точка на топене на желязото - 1539 °C;
- точката на топене на стоманата (сплав от желязо и въглерод) е от 1300 °C до 1500 °C. Тя варира в зависимост от наситеността на стоманата с компоненти;
- точка на топене на чугун (също сплав от желязо и въглерод) - от 1100 °C до 1300 °C;
- живак - -38,9 °C.
Както става ясно от тази част на таблицата, най-топимият метал е живакът, който при положителни температури вече е в течно състояние.
Точката на кипене на всички тези елементи е почти два пъти, а понякога дори по-висока от точката на топене. Например за златото е 2660 °C, за алуминий - 2519 °C, за желязо - 2900 °C, за мед - 2580 °C, за живак - 356,73 °C.
За сплави като стомана, чугун и други метали изчислението е приблизително същото и зависи от съотношението на компонентите в сплавта.
Максималната точка на кипене за металите е Рения - 5596 °C. Най-високата точка на кипене е за най-огнеупорните материали.
Има таблици, които също посочват плътност на метала. Най-лекият метал е литият, най-тежкият е осмият. Осмият има по-висока плътност от уранаи плутоний, ако се разглежда при стайна температура. Леките метали включват: магнезий, алуминий, титан. Тежките метали включват най-често срещаните метали: желязо, мед, цинк, калай и много други. Последната група е много тежки метали, те включват: волфрам, злато, олово и други.
Друг индикатор, открит в таблиците, е топлопроводимост на металите. Нептуният е най-лошият проводник на топлина, а най-добрият метал по отношение на топлопроводимостта е среброто. Злато, стомана, желязо, чугун и други елементи са по средата между тези две крайности. Ясни характеристики за всеки могат да бъдат намерени в необходимата таблица.
Водата кипи, металът се топи или в краен случай стъклото... подобни идеи са познати от детството. Но се оказва, че водата може да се стопи, а металът може да кипи - накратко, тези концепции могат да се приложат към всяко вещество.
Както всички помним от училищния курс по физика, всяко вещество може да бъде в едно от трите агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно (въпреки че има и други състояния на материята - плазма, течни кристали - но в контекста на проблема под предвид, че те няма да ни интересуват).
В каквото и състояние да е дадено вещество, то ще се състои от едни и същи молекули, единствената разлика е как са разположени и как се „държат“. В твърдо тяло те претърпяват само малки вибрации, поради което твърдото тяло запазва своята форма и обем. Твърдите вещества се делят на кристални и аморфни. В кристалните тела молекулите са подредени в строг ред и периодично, образувайки кристална решетка под формата на полиедър. Аморфното тяло граничи с течност, но вискозитетът на тази „течност“ е много висок, така че такова тяло все още има свойствата на твърдо вещество.
В течността молекулите нямат специфично разположение, но те също са лишени от свобода на движение; привличането ги държи заедно, така че течното тяло запазва обем, но не и форма. В газообразно вещество молекулите се движат хаотично, взаимодействат слабо и такова вещество не може да запази нито обем, нито форма.
Както вече споменахме, всяко вещество може да бъде във всяко от тези три състояния - всичко зависи само от два фактора: налягане и температура. Например в условията на Марс няма вода в течно състояние, на Земята е доста трудно да се получи течен кислород, но все пак е възможно, но метален водород не може да се направи в нито една земна лаборатория - но на Юпитер го има. Преходите между тези състояния са т.нар. фазовите преходи се наричат кипене и топене.
Кипенето е преход от течно към газообразно състояние. Този преход винаги се дължи на факта, че молекулите, разположени на повърхността на течността, са изложени не само на своите „братя“ от течността, но и на молекулите на въздуха. Някои молекули в течността имат повече кинетична енергия от други и напускат течността, но останалите молекули имат по-малко енергия като цяло, така че течността става по-студена. Така постепенно цялата течност може да „напусне“, това се нарича изпаряване. По време на кипене изпарението става не само от повърхността на течността, но и в целия й обем - благодарение на мехурчетата пара, образувани в течността. Този фазов преход се случва много по-бързо; всяка домакиня знае, че водата се нуждае от повече време, за да изсъхне, отколкото да заври). Ако изпарението се случи при всяка температура, тогава кипенето се случва само когато температурата се повиши до определено ниво (всяко вещество има своя собствена температура).
Преходът на веществото от кристално твърдо състояние в течно състояние се нарича топене. Трябва да се подчертае: именно от кристални тела тази концепция не се прилага за аморфни тела. Така че изразът „топено сирене“ от гледна точка на физиката е безсмислен, тъй като сиренето е просто аморфно тяло, но ледът може да се стопи (което не е очевидно за много хора, далеч от физиката).
Подобно на кипенето, топенето се случва, когато температурата се повиши до определено ниво. При нормално налягане най-високата точка на топене е въглеродът (4500 градуса), сред металите - волфрам (3422 градуса). Хелият има най-ниската точка на топене при нормално налягане. Толкова е ниско, че... изобщо го няма! Дори при температура, близка до абсолютната нула, той остава течен, без да преминава в твърдо състояние - това изисква налягане над 25 атмосфери.
Не всички вещества при нормално налягане преминават през всички тези три състояния и фазови преходи. Някои от тях преминават от твърдо в газообразно състояние, без да преминават през течния стадий - този процес се нарича сублимация или сублимация.
Точка на топене ( Т pl) на кристално твърдо вещество е температурата, при която то започва да преминава в течно състояние при атмосферно налягане. Абсолютно чистата индивидуална субстанция има строго определена Тмн. В обикновената практика обаче рядко е възможно да се доведе вещество до чистота, близка до 100%, така че пълното превръщане на твърда проба в течност се извършва в определен температурен диапазон D Т pl = Тдо - Т n, където Ткъм и Т n са съответно температурите на началото и края на топенето. Тези температури обикновено се посочват, когато се характеризира чистотата на полученото вещество (включително доста често в справочници; например в "Наръчник на химика", том II, за п-аминоацетанилид Т pl 161 - 162° С, за ванилин 81 - 83° С и т.н.). Колкото по-чисто е веществото, толкова по-малко D Т мн.ч. Почти чисто вещество има D Т pl не повече от 0,5° C. Разлика между началото и края на топенето от 1° C показва доброто качество на получения продукт. Неправилно е да се вземе средната стойност ( Т n + Тй)/2.
Примес на всяко друго вещество, което може да бъде напълно или частично смесено с тестваното съединение, понижава неговата точка на топене и, като правило, разширява температурния диапазон D Тмн. Стойност D Т pl също е надценен поради неправилно, твърде бързо нагряване на пробата.
| Точката на топене е физическа константа на химично съединение. Съвпадение между намерените и табличните стойности Т pl служи като едно от доказателствата за естеството на неизвестно вещество по време на неговото идентифициране (разпознаване). | Устройството за определяне на точката на топене е показано на фиг. 3. Субстанцията се поставя в стъклена капилярка (7), която е прикрепена към термометъра (3) с помощта на гумен пръстен (6), така че колоната на субстанцията в капилярката да се притисне към топката на термометъра и състоянието му може се наблюдава през прозрачните стени на съдовете (1 и 2) и слой от концентрирана сярна киселина, разположен в съда (1). |
Ако веществото е напълно сухо, стъклото може леко да се нагрее, преди да се постави пробата върху него, и натрошеното вещество може да се държи на топла повърхност за известно време (~ 10 минути). Отвореният край на капиляра се докосва до „хълма“ от натрошено вещество и кристалите, които попадат вътре, се избутват надолу по капиляра, като се хвърлят няколко пъти със запечатания край надолу в тръба с дължина 60–70 cm и около 1 cm навътре диаметър, поставен вертикално върху метална, стъклена или керамична повърхност. Уплътняването на пробата в капиляра се получава, когато се удари в твърда повърхност. В този случай, поради еластичната деформация на стъклото, капилярът прескача няколко пъти вътре в тръбата. Височината на колоната на веществото в капиляра трябва да бъде 4–5 mm (не повече). Колкото по-добре е уплътнено веществото в капиляра, толкова по-точно може да се определи точката на топене.
Капилярката е прикрепена към термометъра, както е споменато по-горе, и започва нагряването на устройството.
Ако точката на топене се измерва, за да се определи чистотата на известен продукт, апаратът първо се нагрява бързо до температура приблизително с 10°C под тази, известна от справочника. Т pl от чисто вещество. След това горелката се оставя настрана за кратко време, но термометърът все още продължава да се покачва поради топлинна инерция. След това, като внимателно дозирате подаването на топлина, като поставите пламъка на горелката под мрежата, повишете температурата много бавно (1 - 2 °C за 1 минута). Колкото по-бавно се издига живачният стълб в термометъра, толкова по-точно може да се измери точката на топене.
По време на процеса на нагряване се следи състоянието на веществото в капиляра. За начало на топенето се приема температурата, при която колона от вещество започва да се разпада в резултат на появата на течна фаза, намаляваща обема си („свива се“). В този момент обърнете внимание на показанията на термометъра ( Т n). Те забавят още повече скоростта на нагряване и изчакват, докато веществото в капиляра напълно се превърне в течност. Това е краят на топенето. Показанието на термометъра съответства на него Тдо.
Ако е необходимо да се определи точката на топене на неизвестно вещество, тогава първо трябва да се уверите, че то обикновено може да се стопи при температура, която е в рамките на обичайния диапазон от стойности Т pl органични съединения (<300° C). Это можно сделать, нагревая небольшое количество продукта на стеклянной палочке над пламенем горелки. Только убедившись в том, что неизвестное вещество плавится на нагретой стеклянной палочке, можно приступить к определению его температуры плавления в капилляре. В этом случае обычно проводят не менее двух испытаний. В первом опыте Т pl се определя приблизително при относително висока скорост на нагряване. За втория експеримент използвайте новонапълнена капилярка и определете Тразтопете по-внимателно, докато бавно увеличавате температурата, както е описано по-горе.
В устройството, показано на фиг. 3, напълнена с концентрирана сярна киселина, е забранено да се определят температурите на топене на вещества, топящи се над 200 ° C.
Трябва да се вземат предвид и други предпазни мерки при работа с апарат за точка на топене, пълен с концентрирана сярна киселина. Определение за високо Ттопенето (180 – 200°C) трябва да се извършва с предпазни очила или да се наблюдава топенето през защитен екран. При нагряване изходът (5) на съда (фиг. 3) трябва да е обърнат в посоката, където няма хора. Ако капилярът падне на дъното на вътрешния съд, не се опитвайте да го отстраните със стъклена пръчка и в никакъв случай не обръщайте уреда! Не охлаждайте насила горещ уред със студена вода; Преди повторно определяне на точката на топене, устройството трябва да се остави постепенно да се охлади на въздух.
Въпроси за сигурност
1. На какви разлики в свойствата на дадено вещество и неговите примеси се основава методът за пречистване на твърдо вещество чрез прекристализация?
2. Как обикновено се променя разтворимостта на органичните вещества с температурата?
3. Какви свойства трябва да има един разтворител, за да бъде подходящ за прекристализация на дадено вещество?
4. Как на практика се избира разтворител, подходящ за прекристализация на вещество?
5. Как правилно да се приготви горещ наситен разтвор на вещество: а) във вода; б) в силно летлив запалим разтворител?
6. Как се премахват примесите от катранените продукти, които придават на веществата кафяво-жълт цвят?
7. Защо и как се извършва „гореща“ филтрация?
8. Какви предпазни мерки трябва да се вземат при добавяне на активен въглен към разтвор?
9. Как и защо се определя точката на топене на дадено вещество?
Всеки метал и сплав има свой уникален набор от физични и химични свойства, не на последно място от които е точката на топене. Самият процес означава преминаване на тялото от едно агрегатно състояние в друго, в този случай от твърдо кристално състояние в течно. За да се разтопи метал, е необходимо да се приложи топлина към него, докато се достигне температурата на топене. С него той все още може да остане в твърдо състояние, но при по-нататъшно излагане и повишена топлина металът започва да се топи. Ако температурата се понижи, тоест част от топлината се отстрани, елементът ще се втвърди.
Най-високата точка на топене на всеки метал принадлежи към волфрам: тя е 3422C o, най-ниската е за живака: елементът се топи вече при - 39C o. По правило не е възможно да се определи точната стойност за сплавите: тя може да варира значително в зависимост от процента на компонентите. Те обикновено се записват като числов интервал.
Как се случва
Топенето на всички метали става приблизително по един и същ начин - чрез външно или вътрешно нагряване. Първият се извършва в термична пещ, а за втория се използва резистивно нагряване чрез преминаване на електрически ток или индукционно нагряване във високочестотно електромагнитно поле. И двата варианта засягат метала приблизително еднакво.
С повишаването на температурата, амплитуда на топлинните вибрации на молекулите, възникват структурни дефекти на решетката, изразяващи се в нарастване на дислокации, атомни скокове и други смущения. Това е придружено от разкъсване на междуатомни връзки и изисква определено количество енергия. В същото време на повърхността на тялото се образува квазитечен слой. Периодът на разрушаване на решетката и натрупване на дефекти се нарича топене.
В зависимост от точката на топене металите се делят на:
В зависимост от точката на топене също е избран апарат за топене. Колкото по-висок е индикаторът, толкова по-силен трябва да бъде. Можете да разберете температурата на необходимия елемент от таблицата.
Друго важно количество е точката на кипене. Това е стойността, при която започва процесът на кипене на течности; тя съответства на температурата на наситената пара, която се образува над плоската повърхност на кипящата течност. Обикновено е почти два пъти по-висок от точката на топене.
И двете стойности обикновено се дават при нормално налягане. Те помежду си право пропорционална.
- С увеличаване на налягането количеството на топене се увеличава.
- С намаляването на налягането количеството на топене намалява.
Таблица на нискотопими метали и сплави (до 600C o)
| Име на артикул | латинско обозначение | Температури | |
| Топене | кипене | ||
| Калай | сн | 232 C около | 2600 C около |
| Олово | Pb | 327 C около | 1750 C около |
| Цинк | Zn | 420 C o | 907 C o |
| калий | К | 63,6 C о | 759 C o |
| Натрий | Na | 97,8 С о | 883 C около |
| Меркурий | Hg | - 38,9 С о | 356.73 C o |
| Цезий | Cs | 28,4 C o | 667.5 C о |
| Бисмут | Би | 271.4 C o | 1564 C около |
| Паладий | Pd | 327.5 C o | 1749 C около |
| полоний | По | 254 C около | 962 C около |
| Кадмий | Cd | 321.07 C о | 767 C около |
| Рубидий | Rb | 39.3 C o | 688 C около |
| Галий | Ga | 29.76 C о | 2204 C около |
| Индий | в | 156.6 C o | 2072 C около |
| Талий | Tl | 304 C около | 1473 C около |
| литий | Ли | 18.05 С о | 1342 C около |
Таблица на средно топими метали и сплави (от 600C до 1600C)
| Име на артикул | латинско обозначение | Температури | |
| Топене | кипене | ||
| Алуминий | Ал | 660 C o | 2519 C около |
| Германий | Ge | 937 C около | 2830 C около |
| Магнезий | Mg | 650 C o | 1100 C около |
| Сребро | Ag | 960 C o | 2180 C около |
| злато | Au | 1063 C o | 2660 C около |
| Мед | Cu | 1083 C около | 2580 C около |
| Желязо | Fe | 1539 C около | 2900 C около |
| Силиций | Si | 1415 C около | 2350 C около |
| никел | Ni | 1455 C около | 2913 C около |
| Барий | Ба | 727 C около | 1897 C около |
| Берилий | бъди | 1287 C около | 2471 C около |
| Нептуний | Np | 644 C около | 3901.85 C o |
| Протактиний | татко | 1572 C около | 4027 C около |
| Плутоний | Pu | 640 C o | 3228 C около |
| актиний | ак | 1051 C около | 3198 C около |
| калций | ок | 842 C o | 1484 C около |
| Радий | Ра | 700 C o | 1736.85 C o |
| Кобалт | Co | 1495 C около | 2927 C около |
| Антимон | сб | 630.63 C о | 1587 C около |
| Стронций | старши | 777 C o | 1382 C около |
| Уран | U | 1135 C около | 4131 C около |
| Манган | Мн | 1246 C около | 2061 C около |
| Константин | 1260 C около | ||
| дуралуминий | Сплав от алуминий, магнезий, мед и манган | 650 C o | |
| Инвар | Никелова желязна сплав | 1425 C около | |
| Месинг | Сплав от мед и цинк | 1000 C o | |
| Никел сребро | Сплав от мед, цинк и никел | 1100 C около | |
| нихром | Сплав от никел, хром, силиций, желязо, манган и алуминий | 1400 C около | |
| Стомана | Сплав желязо-въглерод | 1300 C o - 1500 C o | |
| Фехрал | Сплав от хром, желязо, алуминий, манган и силиций | 1460 C около | |
| Чугун | Сплав желязо-въглерод | 1100 C o - 1300 C o | |