Легкоплавкие металлы и их применение

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:

1. Тяжелые, то есть кадмий, кобальт, свинец, ртуть.
2. 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.

Примеры использования данного легкоплавкого металла:

1. как антикоррозийное покрытие железа/стали;
2. в качестве компонента аккумуляторов и элементов питания сухого типа;
3. в типографском деле, где металл используется в виде листов;
4. 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:

1. изготовление взрывчатки – в ход идет нитрат свинца;
2. черная промышленность – выполняет функцию компонента тяжелых жидкостей по обогащению руд;
3. катодный материал в источниках тока химического типа;
4. термоэлектрический материал – для этого используют теллурид свинца;
5. основа свинцовых аккумуляторов и иных источников питания;
6. производство шпаклевки и некоторых разновидностей краски;
7. присадка для повышения октанового числа бензина.

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:

1. в виде амальгамы как теплоноситель в термометрах;
2. при кардиологических исследованиях;
3. как материал линз в инфракрасной оптике;
4. как добавка в металлогалогеновые лампы;
5. в минералогии позволяет определять характеристики минералов;
6. 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.

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:

1. 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;
2. как компонент красок;
3. в сфере гамма-резонансной спектроскопии;
4. в качестве легирующего элемента в производстве титана;
5. как абразив – для этих целей применяют двуокись олова;
6. как анодный материал в источниках тока химического типа.

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:

1. производство ЖК-экранов, обязательным элементом которых является оксидно-оловянная пленка;
2. микроэлектроника, где он выполняет функцию акцепторной примеси;
3. компонент легкоплавких припоев;
4. покрытие зеркал, поскольку по своим отражающим свойствам индий не уступает серебру;
5. основа для фотоэлементов;
6. производство «голубого золота»;
7. 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:

1. изготовление соединений полупроводникового типа – на эти цели уходит до 97 % добываемого галлия;
2. в качестве холодной пайки в радиоэлектронике для металла и керамики;
3. как легирующий элемент;
4. дли изготовления оптических зеркал;
5. вместо ртути в выпрямителях электрического тока.

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.