Що називають температурою плавлення. Температура плавлення металів

Майже всі метали за нормальних умов є твердими речовинами. Але за певних температур вони можуть змінювати свій агрегатний стан і ставати рідкими. Давайте дізнаємось, яка температура плавлення металу найвища? Яка найнижча?

Температура плавлення металів

Більшість елементів періодичної таблиці належить до металів. В даний час їх налічується приблизно 96. Всім їм необхідні різні умови, щоб перетворитися на рідину.

Поріг нагрівання твердих кристалічних речовин, перевищивши який вони стають рідкими, називається температурою плавлення. У металів вона коливається не більше кількох тисяч градусів. Багато хто з них переходить у рідину при відносно великому нагріванні. Завдяки цьому вони є найпоширенішим матеріалом для виробництва каструль, сковорідок та інших кухонних приладів.

Середні температури плавлення мають срібло (962 ° С), алюміній (660,32 ° С), золото (1064,18 ° С), нікель (1455 ° С), платина (1772 ° С) і т.д. Виділяють також групу тугоплавких та легкоплавких металів. Першим, щоб перетворитись на рідину, потрібно більше 2000 градусів Цельсія, другим – менше 500 градусів.

До легкоплавких металів зазвичай відносять олово (232 ° C), цинк (419 ° C), свинець (327 ° C). Однак у деяких із них температури можуть бути ще нижчими. Наприклад, францій та галій плавляться вже в руці, а цезій можна гріти тільки в ампулі, адже від кисню він спалахує.

Найнижчі та найвищі температури плавлення металів представлені в таблиці:

Вольфрам

Найвища температура плавлення – у металу вольфраму. Вище за цим показником стоїть лише неметал вуглець. Вольфрам є світло-сіра блискуча речовина, дуже щільна і важка. Він кипить при 5555 ° C, що майже дорівнює температурі фотосфери Сонця.

За кімнатних умов він слабо реагує з киснем і не зазнає корозії. Незважаючи на свою тугоплавкість, він досить пластичний і піддається куванню вже при нагріванні до 1600 °C. Ці властивості вольфраму використовують для ниток розжарювання в лампах та кінескопах електродів для зварювання. Більшу частину видобутого металу сплавляють зі сталлю, щоб підвищити її міцність та твердість.

Широке застосування вольфрам має у військовій сфері та техніці. Він незамінний для виготовлення боєприпасів, броні, двигунів та найважливіших частин військового транспорту та літаків. З нього також виготовляють хірургічні інструменти, ящики для зберігання радіоактивних речовин.

Ртуть

Ртуть – єдиний метал, температура плавлення якого має мінусове значення. До того ж це один із двох хімічних елементів, прості речовини яких за нормальних умов, існують у вигляді рідин. Цікаво, що кипить метал при нагріванні до 356,73 °C, а це набагато вище за температуру його плавлення.

Має сріблясто-білий колір та яскраво виражений блиск. Вона випаровується вже за кімнатних умов, конденсуючись у невеликі кульки. Метал дуже токсичний. Він здатний накопичується у внутрішніх органах людини, викликаючи хвороби головного мозку, селезінки, нирок та печінки.

Ртуть - один із семи перших металів, про які дізналася людина. У середні віки вона вважалася головним алхімічним елементом. Незважаючи на отруйність, колись її застосовували у медицині у складі зубних пломб, а також як ліки від сифілісу. Наразі ртуть майже повністю виключили з медичних препаратів, але широко використовують її у вимірювальних приладах (барометрах, манометрах) для виготовлення ламп, перемикачів, дверних дзвінків.

Сплави

Щоб змінити властивості того чи іншого металу його сплавляють з іншими речовинами. Так, він може не тільки набути великої щільності, міцності, але й знизити або підвищити температуру плавлення.

Сплав може складатися з двох або більше хімічних елементів, але хоча один з них повинен бути металом. Такі «суміші» дуже часто використовують у промисловості, адже вони дозволяють отримати саме ті якості матеріалів, які потрібні.

Температура плавлення металів та сплавів залежить від чистоти перших, а також від пропорцій та складу других. Для отримання легкоплавких сплавів найчастіше використовують свинець, ртуть, талій, олово, кадмій, індій. Ті, у складі яких знаходиться ртуть, називаються амальгамами. З'єднання натрію, калію та цезію у співвідношенні 12%/47%/41% стає рідиною вже при мінус 78 °C, амальгама ртуті та талію - при мінус 61°C. Найбільш тугоплавким матеріалом є сплав танталу та карбідів гафнію у пропорціях 1:1 з температурою плавлення 4115 °C.

Кипить – вода, плавиться – метал, у крайньому разі – скло… такі уявлення звичні з дитинства. Але, виявляється, вода може плавитися, і метал кипіти – словом ці поняття можуть бути застосовані до будь-якої речовини.

Як усі ми пам'ятаємо зі шкільного курсу фізики, будь-яка речовина може перебувати в одному з трьох агрегатних станів: твердому, рідкому та газоподібному (щоправда, виділяють ще й інші стани речовини – плазма, рідкі кристали – але в контексті питання вони нас цікавити не буде ).

У якому б стані не перебувала речовина, вона складатиметься з одних і тих молекул, різниця лише в тому, як вони розташовані і як «себе ведуть». У твердому тілі вони роблять лише невеликі коливання, завдяки чому тверде тіло зберігає форму та об'єм. Тверді тіла поділяються на кристалічні та аморфні. У кристалічних тілах молекули розташовуються у строгому порядку та періодично, утворюючи кристалічну решітку у вигляді багатогранника. Аморфне тіло межує з рідиною, але в'язкість цієї «рідини» дуже велика, тому таке тіло все ж таки має властивості твердого.

У рідини молекули немає певного розташування, а й свободи пересування позбавлені, тяжіння утримує їх разом, тому рідке тіло зберігає обсяг, але з форму. У газоподібній речовині молекули хаотично рухаються, слабо взаємодіють, і така речовина ні об'єму, ні форми не може зберегти.

Як уже говорилося, у будь-якому з трьох цих станів може бути будь-яка речовина – все залежить лише від двох факторів: тиску і температури. Наприклад, в умовах Марса немає рідкої води, на Землі досить складно отримати рідкий кисень, але все-таки можливо, а от металевий водень не вдасться зробити в жодній земній лабораторії – на Юпітері він є. Переходи між цими станами – т.зв. фазові переходи – називаються кипінням та плавленням.

Кипіння – це перехід від рідкого до газоподібного стану. Такий перехід відбувається завжди за рахунок того, що молекули, що знаходяться на поверхні рідини, піддаються впливу не лише «побратимів» із рідини, а й молекул повітря. У деяких молекул рідини кінетичної енергії більше, ніж у інших, і вони залишають рідину, а у молекул енергії, що залишилися, в цілому менше, тому рідина стає холоднішою. Так поступово може «піти» вся рідина, це називається випаровуванням. При кипінні ж випаровування відбувається не тільки з поверхні рідини, а й у всьому її обсязі – завдяки бульбашкам пари, що утворюються в рідині. Такий фазовий перехід відбувається набагато швидше, будь-яка господиня знає, що воді потрібно більше часу на висихання, ніж на википання). Якщо випаровування відбувається при будь-якій температурі, то кипіння - тільки при підвищенні температури до певного рівня (у кожної речовини своя температура).

Перехід речовини з твердого кристалічного тіла в рідкий стан називається плавленням. Слід наголосити: саме з кристалічного, до аморфних тіл це поняття не застосовується. Тож вираз «плавлений сир» з погляду фізики позбавлений сенсу, оскільки сир – саме аморфне тіло, а ось лід плавитися може (що не очевидно для багатьох далеких від фізики людей).

Як і кипіння, плавлення відбувається за підвищення температури до певного рівня. При нормальному тиску найвища температура плавлення у вуглецю (4500 градусів), з металів – у вольфраму (3422 градуси). Найнижчою температурою плавлення при нормальному тиску має гелій. Вона настільки низька, що її взагалі немає! Навіть при температурі, близької до абсолютного нуля, він залишається рідким, не переходячи в твердий стан – для цього потрібний тиск понад 25 атмосфер.

Не всі речовини при нормальному тиску проходять всі ці три стани та фазові переходи. Деякі з них переходять з твердого стану в газоподібний, минаючи стадію рідини - цей процес називається сублімацією, або сублімацією.

Кожен метал та сплав має власний унікальний набір фізичних та хімічних властивостей, серед яких не останнє місце займає температура плавлення. Сам процес означає перехід тіла з одного агрегатного стану в інший, в даному випадку з твердого кристалічного стану в рідке. Щоб розплавити метал, необхідно підводити тепло до досягнення температури плавлення. При ній він все ще може залишатися у твердому стані, але при подальшому впливі та підвищенні тепла метал починає плавитися. Якщо температуру знизити, тобто відвести частину тепла, елемент затвердіє.

Найвища температура плавлення серед металів належить вольфраму: вона становить 3422С, найнижча - у ртуті: елемент плавиться вже при - 39С про. Визначити точне значення для сплавів, як правило, не надає можливості: воно може значно коливатися в залежності від відсоткового співвідношення компонентів. Їх зазвичай записують у вигляді числового проміжку.

Як відбувається

Плавлення всіх металів відбувається приблизно однаково – за допомогою зовнішнього або внутрішнього нагрівання. Перший здійснюється в термічній печі, для другого використовують резистивне нагрівання при пропусканні електричного струму або індукційне нагрівання у високочастотному електромагнітному полі. Обидва варіанти впливають на метал приблизно однаково.

При збільшенні температури збільшується та амплітуда теплових коливань молекул, виникають структурні дефекти грат, що виражаються у зростанні дислокацій, перескоку атомів та інших порушеннях. Це супроводжується розривом міжатомних зв'язків та потребує певної кількості енергії. В цей же час відбувається утворення квазі-рідкого шару на поверхні тіла. Період руйнування решітки та накопичення дефектів називається плавленням.

Залежно від температури плавлення метали поділяються на:

Залежно від температури плавлення вибирають і плавильний апарат. Чим вищий показник, тим міцнішим він має бути. Дізнатись температуру потрібного вам елемента можна з таблиці.

Ще однією важливою величиною є температура кипіння. Це величина, при якій починається процес кипіння рідин, вона відповідає температурі насиченої пари, яка утворюється над плоскою поверхнею окропу. Зазвичай вона майже вдвічі більша, ніж температура плавлення.

Обидві величини прийнято наводити при нормальному тиску. Між собою вони прямопропорційні.

1. Збільшується тиск – збільшиться величина плавлення.
2. Зменшується тиск – зменшується величина плавлення.

Таблиця легкоплавких металів та сплавів (до 600С про)

Таблиця середньоплавких металів і сплавів (від 600С до 1600С про)

Температурою плавлення ( Тпл) твердої кристалічної речовини називається температура, при якій вона починає переходити в рідкий стан при атмосферному тиску. Абсолютно чиста індивідуальна речовина має чітко визначену Тпл. Однак у звичайній практиці речовину рідко вдається довести до чистоти, близької до 100%, тому повне перетворення твердого зразка на рідину відбувається в деякому температурному інтервалі D Тпл = Тдо - Тн, де Тдо і Тн - відповідно температури початку та кінця плавлення. Ці температури зазвичай і вказують при характеристиці чистоти отриманої речовини (у тому числі досить часто в довідниках; наприклад, в “Довідник хіміка”, т. II, для п-аміноацетаніліду Тпл 161 - 162 ° С, для ваніліну 81 - 83 ° С і т. п.). Чим чистіша речовина, тим менше D Т пл. Практично чиста речовина має D Тпл не більше 0,5 ° С. Різниця між початком і кінцем плавлення в 1 ° С свідчить про хорошу якість отриманого продукту. Неправильно приймати за температуру плавлення середню величину ( Тн+ Тк)/2.

Домішка будь-якої іншої речовини, здатної повністю або частково змішуватися з досліджуваним з'єднанням, знижує його температуру плавлення і, як правило, розширює температурний інтервал D Тпл. Величина D Тпл виходить завищеною також через неправильне, занадто швидке, нагрівання зразка.

тому, що речовина зовсім суха, стаканчик перед приміщенням на нього зразка можна слабо нагріти і потримати подрібнену речовину на теплій поверхні протягом деякого часу (10 хвилин). Торкаються відкритим кінцем капіляра до "гірки" подрібненої речовини і кристали, що потрапили всередину, проштовхують вниз капіляра, кидаючи його кілька разів запаяним кінцем вниз у трубку довжиною 60 - 70 см і діаметром близько 1 см, поставлену вертикально на металеву, скляну або керамічну поверхню. Ущільнення зразка капілярі відбувається при ударі об тверду поверхню. При цьому через пружну деформацію скла капіляр кілька разів підскакує всередині трубки. Висота стовпчика речовини у капілярі має бути 4 – 5 мм (не більше). Чим краще ущільнена речовина у капілярі, тим точніше може бути визначена температура плавлення.

Капіляр прикріплюють до термометра, як було зазначено вище, і починають нагрівання приладу.

Якщо температуру плавлення вимірюють з метою визначення ступеня чистоти відомого продукту, прилад нагрівають спочатку швидко до температури приблизно на 10° нижче відомої з довідника Тпл чистої речовини. Після цього пальник на короткий час відставляють, проте стовпчик термометра ще продовжує підніматися через теплову інерцію. Потім, ретельно дозуючи підведення тепла розташуванням полум'я пальника під сіткою, дуже повільно піднімають температуру (1 - 2 ° С за 1 хвилину). Чим повільніше піднімається стовпчик ртуті в термометрі, тим точніше можна виміряти температура плавлення.

У процесі нагрівання спостерігають станом речовини в капілярі. Температуру, при якій стовпчик речовини в результаті появи рідкої фази починає руйнуватися, зменшуючись в обсязі (з'їжджається), приймають за початок плавлення. У цей момент відзначають показання термометра ( Tн). Ще більше уповільнюють темп нагрівання і чекають моменту, коли речовина в капілярі повністю перетвориться на рідину. Це – кінець плавлення. Йому відповідає показання термометра Tдо.

Якщо необхідно визначити температуру плавлення невідомої речовини, то, перш за все, слід переконатися, що вона взагалі здатна розплавлятися за такої температури, яка лежить у звичайних межах величин Тпл органічних сполук (<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 Тпл визначають орієнтовно за відносно швидкого темпу нагрівання. Для другого досвіду слід використовувати знову набитий капіляр і визначити Тпл більш ретельно при повільному підвищенні температури, як описано вище.

У приладі, зображеному на рис. 3, заповненому концентрованою сірчаною кислотою, забороняється визначати температури плавлення речовин, що плавляться вище 200°.

Слід також вказати на інші запобіжні заходи при роботі з приладом для визначення температури плавлення, заповненому концентрованою сірчаною кислотою. Визначення високих Тпл (180 - 200 ° С) слід проводити в захисних окулярах або спостерігати за плавленням через захисний екран. Відведення (5) судини (рис. 3) при нагріванні має бути звернене в той бік, де немає людей. Якщо капіляр упав на дно внутрішньої посудини, не намагайтеся діставати його за допомогою скляної палички і в жодному разі не перевертайте прилад! Не можна примусово охолоджувати гарячий пристрій холодною водою; перед повторним визначенням температури плавлення приладу треба дати поступово охолонути на повітрі.

Контрольні питання

1. На яких відмінностях у властивостях речовини та домішок до неї заснований метод очищення твердої речовини шляхом перекристалізації?

2. Як зазвичай змінюється розчинність органічних речовин із зміною температури?

3. Якими властивостями повинен мати розчинник для того, щоб бути придатним для перекристалізації речовини?

4. Як практично підбирають розчинник, придатний для перекристалізації речовини?

5. Як правильно приготувати насичений гарячий розчин речовини: а) у воді; б) у легколетючому вогненебезпечному розчиннику?

6. Як проводиться видалення домішок продуктів осмолення, що надають речовин буро-жовте забарвлення?

7. Для чого і як проводиться гаряче фільтрування?

8. Яких запобіжних заходів слід дотримуватися при внесенні активованого вугілля в розчин?

9. Як і навіщо визначають температуру плавлення речовини?