Из этого материала вы узнаете:
- Какие металлы являются самыми легкоплавкими
- Свойства легкоплавких металлов, активно применяемых в промышленности и быту
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:
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.
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.
Читайте также: Инструментальные стали: свойства, характеристики, применение
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
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.