Человек плавиться при температуре

Он хрупкий, как стекло, плавится при комнатной температуре и не любит другие металлы. Знакомьтесь: галлий.

В 1869 году его существование предсказал Дмитрий Менделеев. Основываясь на открытом периодическом законе, он оставил места в третьей группе для неизвестных элементов. (Таблица, как принято считать, приснилась великому химику, а о других «вещих» снах читайте в нашем обзоре). Ориентируясь по «соседям», Менделеев достаточно точно описал их химические и физические свойства. А в 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран выступил на заседании Парижской академии наук, сообщив, что открыл новый элемент. Как раз так, как и предсказал Менделеев, — с помощью спектроскопии. Свою «находку» он предложил назвать галлием от слова «Галлия» (римское название исторической части Европы, включающей в том числе и Францию. — Прим. ред.). Хотя некоторые поговаривали, что за основу химик взял свою фамилию Лекок, созвучную французскому le coq («петух»). А по-латински «петух» — gallus, откуда недалеко и до галлия (gallium). В любом случае галлий занял третью группу четвертого периода системы химических элементов Менделеева под атомным номером 31.

Металл достаточно редкий. Собственные минералы галлия в природе обнаружены лишь в Намибии и Заире. В качестве примеси он входит в состав многих минералов, но его количество там крайне мало. И даже из бокситов, а именно на них приходится 90% мирового выпуска галлия, извлекается до 20%. Так что производство является сложным и дорогостоящим процессом. Основные страны, где им занимаются, — Китай, Германия, Япония.

Галлий обладает весьма интересными свойствами. Во-первых, тепла человеческого тела вполне достаточно, чтобы превратить этот серебристый металл в жидкость. Температура его плавления — всего 29,8 °С. Для сравнения: у свинца — 327 °С, у золота — 1063 °С, а у вольфрама — 3420 °С. Именно благодаря низкой температуре плавления галлий является основным компонентом многих легкоплавких сплавов, которые широко используют в технике. Удобно, к примеру, применять его в устройствах пожарной сигнализации. Стоит воздуху в помещении слегка нагреться, как столбик галлиевого сплава, вмонтированный в реле, начинает таять. В результате замыкаются электрические контакты и звуковой или световой сигнал извещает об опасности. Надежнее любого вахтера!

Во-вторых, галлий может длительное время не затвердевать в переохлажденном состоянии. Можно положить его вечером в морозильник и утром найти в таком же расплавленном виде. И даже если вылить каплю на лед, она еще долго не затвердеет. Зато, когда это произойдет, объем металла значительно увеличится. Это свойство проявляют немногие простые вещества и соединения, такие как, например, вода. Поэтому галлий обычно хранят в небольших желатиновых капсулах или резиновых баллонах.

Наконец, третье его достоинство в том, что он остается жидким в огромном интервале температур (от 29,8 до 2230 °С). А так как кипеть начинает лишь при 2230 °С, его используют при изготовлении высокотемпературных термометров и манометров. Сравните: температура кипения ртути — 356,7 °С.

Казалось бы, легкоплавкость в сочетании с возможностью долгое время оставаться жидким должны делать его прекрасным теплоносителем. Но не тут-то было! По отношению к другим металлам жидкий галлий недружелюбен: при повышенных температурах большинство из них он растворяет, то есть разрушает.

Зато способность хорошо отражать световые лучи позволяет широко использовать галлий при производстве зеркал. Причем они не тускнеют даже при повышенных температурах! Включают галлий и в состав медицинских препаратов, так как было установлено, что его ионы способны заменять ионы железа. Галлий является мощным антибактериальным средством, способен затормозить потерю костной массы у онкологических больных, быстро остановить кровотечение и ускорить заживление ран. Однако основной сферой применения его уникальных способностей остается микроэлектроника.

Пройдите также наш занимательный тест на знание таблицы Менделеева. Химиком для этого быть не обязательно!

Источник

Уже в древности люди добывали и плавили медь. Этот металл широко применялся в быту и служил материалом для изготовления различных предметов. Бронзу научились делать примерно 3 тыс. лет назад. Из этого сплава делали хорошее оружие. Популярность бронзы быстро распространялась, так как металл отличался красивым внешним видом и прочностью. Из него делали украшения, орудия охоты и труда, посуду. Благодаря небольшой температуре плавления меди человек быстро освоил ее производство.

Нахождение в природе

Свое латинское название Cuprum металл получил от названия острова Кипр, где его научились добывать в третьем тысячелетии до н. э. В системе Менделеева Сu получил 29 номер, а расположен в 11-й группе четвертого периода.

В земной коре элемент на 23-м месте по распространению и встречается чаще в виде сульфидных руд. Наиболее распространены медный блеск и колчедан. Сегодня медь из руды добывается несколькими способами, но любая технологий подразумевает поэтапный подход для достижения результата.

На заре развития цивилизации люди уже получали и использовали медь и ее сплавы.
В то время добывалась не сульфидная, а малахитовая руда, которой не требовался предварительный обжиг.
Смесь руды и углей помещали в глиняный сосуд, который опускался в небольшую яму.
Смесь поджигалась, а угарный газ помогал малахиту восстановиться до состояния свободного Cu.
В природе есть самородная медь, а богатейшие месторождения находятся в Чили.
Сульфиды меди нередко образуются в среднетемпературных геотермальных жилах.
Часто месторождения имеют вид осадочных пород.
Медяные песчаники и сланцы встречаются в Казахстане и Читинской области.

Физические свойства

Металл пластичен и на открытом воздухе покрывается оксидной пленкой за короткое время. Благодаря этой пленке медь и имеет свой желтовато-красный оттенок, в просвете пленки цвет может быть зеленовато-голубым. По уровню уровнем тепло- и электропроводности Cuprum на втором месте после серебра.

Плoтность — 8,94×103 кг/ м3 .
Удельная теплоемкость при Т=20 ° C — 390 Дж/кг х К.
Электрическoе удельное при 20−100 ° C — 1,78×10−8 Ом/м.
Температура кипeния — 2595 ° C.
Удельная электропрoводность при 20 ° C — 55,5−58 МСм/м.

При какой температуре плавится медь

Плавления происходит, когда из твердого состояния металл переходит в жидкое. Каждый элемент имеет собственную температуру плавления. Многое зависит от примесей в металле. Обычная температура плавления меди — 1083 ° C. Когда добавляется олово, температура снижается до 930- 1140 ° C. Температура плавления зависит здесь от содержания в сплаве олова. В сплаве купрума с цинком плавление происходит при 900- 1050 ° C .

При нагреве любого металла разрушается его кристаллическая решетка. По мере нагревания повышается температура плавления, но затем выравнивается по достижении определенного предела температуры. В этот момент и плавится металла. Полностью расплавляется, и температура повышается снова.

Когда металл охлаждается, температура снижается, в определенный момент остается на прежнем уровне, пока металл не затвердеет полностью. После полного затвердевания температура снижается опять. Это демонстрирует фазовая диаграмма, где отображен температурный процесс с начала плавления до затвердения. При нагревании разогретая медь при 2560 ° C начинает закипать. Кипение подобно кипению жидких веществ, когда выделяется газ и появляются пузырьки на поверхности. В момент кипения при максимально больших температурах начинается выделение углерода, образующегося при окислении.

Плавление в домашних условиях

Благодаря низкой температуре плавления древние люди могли расплавлять купрум на костре и использовать металл для изготовления различных изделий.

Для расплавки меди в домашних условиях понадобится:

древесный уголь;
тигель и специальные щипцы для него;
муфельная печь;
бытовой пылесос;
горн;
стальной крюк;
форма для плавления.

Процесс течет поэтапно, металл помещается в тигель, а затем размещается в муфельной печи. Выставляется нужная температура, а наблюдение за процессом осуществляется через стеклянное оконце. В процессе в емкости с Cu появится окисная пленка, которую нужно устранить — открыть окошко и отодвинуть в сторону стальным крюком.

При отсутствии муфельной печи расплавить медь можно автогеном. Плавление пойдет, если ест нормальный доступ воздуха. Паяльной лампой расплавляется латунь и легкоплавкая бронза. Пламя должно охватить весь тигель.

Если под рукой ничего из перечисленных средств нет, можно использовать горн, установленный на слой древесного угля. Для повышения Т можно использовать пылесос, включенный в режим выдувания, но шланг должен иметь металлический наконечник, хорошо, если с зауженным концом, так струя воздуха будет тоньше.

Температура плавления бронзы и латуни, как температура плавления меди и алюминия — невысоки.

Сегодня в промышленных условиях в чистом виде Cu не используется. В ее составе содержится много примесей: никель, железо, мышьяк, сурьма, другие элементы. Качество продукта определяется наличием содержания в процентах примесей в сплаве (не более 1%). Важные показатели — тепло- и электропроводность. Благодаря пластичности, малой Т плавления и гибкости медь широко используется во многих отраслях промышленности.

Другие варианты определений к слову :

2. Первый металл в таблице Менделеева.

3. Металл, который мягче воска и легче дерева.

7. «Литос» по-гречески «камень», а какой металл получил шведский химик Арфедсон самым первым из царства камней?

8. Батискаф и атомная бомба, пиротехника и лечение психозов – вот области применения этого химического элемента.

9. Своё название этот химический элемент получил из-за того, что был обнаружен в камнях.

10. Этот щелочной металл был воспет большим любителем химии Куртом Кобэйном.

Температура плавления (обычно совпадает с температурой кристаллизации) — температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот. При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет изменяться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать), и, пока оно не застынет полностью, его температура не изменится.

Температура плавления/отвердевания и температура кипения/конденсации считаются важными физическими свойствами вещества. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества. На этом свойстве основаны специальные калибраторы термометров для высоких температур. Так как температура застывания чистого вещества, например олова, стабильна, достаточно расплавить и ждать, пока расплав не начнёт кристаллизоваться. В это время, при условии хорошей теплоизоляции, температура застывающего слитка не изменяется и в точности совпадает с эталонной температурой, указанной в справочниках.

Смеси веществ не имеют температуры плавления/отвердевания вовсе и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура появления жидкой фазы называется точкой солидуса, температура полного плавления — точкой ликвидуса). Поскольку точно измерить температуру плавления такого рода веществ нельзя, применяют специальные методы (ГОСТ 20287 и ASTM D 97). Но некоторые смеси (эвтектического состава) обладают определенной температурой плавления, как чистые вещества.

Аморфные (некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температурой плавления. С ростом температуры вязкость таких веществ снижается, и материал становится более жидким.

Поскольку при плавлении объём тела изменяется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Температуру плавления при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм ртутного столба) называют точкой плавления.

Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана) [ править | править код ]

Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом ( англ. ) . Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.

Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.

Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана [1] :

T λ = x m 2 9 ℏ 2 M k B θ r s 2 <displaystyle T_<lambda >=<frac ^<2>><9hbar ^<2>>>Mk_ heta r_^<2>>

где r s <displaystyle r_> — средний радиус элементарной ячейки, θ <displaystyle heta > — температура Дебая, а параметр x m <displaystyle x_> для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.

Температура плавления – Расчет

Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.

В 1999г. И.В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:

где Тпл – температура плавления; DHпл – скрытая теплота плавления; N – скрытая теплота плавления; k – константа Больцмана.

Впервые получено исключительно компактное выражение (1) для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.

Точность расчетов по (1) можно оценить по данным таблицы.

Температура плавления некоторых металлов. Расчет по (1)

2,55,513,54,44,183,121,71,78,7Тпл, К876185711791428140610515835292945Тпл, К933219015171811172813576925052890

По этим данным, точность расчетов Тпл меняется от 2 до 30%, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.

Формула (1) выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000г.[1].

[1]- Гаврилин И.В. Плавление и кристаллизация металлов и сплавов. Изд. ВлГУ. Владимир. 2000. 256 с.

Источник

Металл который плавится в руке: понятие легкоплавкости + характеристика галлия + разбор термодинамических свойств химического элемента + физические/химические свойства металла + его область применения.

Многие из нас видели в интернете фото металла, который плавится в руке. Единственный химический элемент в природе, который может безопасно для здоровья человека, провернуть подобный трюк – галлий.

В сегодняшней статье мы разберем отличительные свойства группы легкоплавких металлов + предоставим характеристику элемента, тающего в руках его владельца.

Понятие легкоплавких металлов/сплавов

Легкоплавкость – понятие растяжимое, особенно это актуально для промышленности. В химии легкоплавкими считаются элементы группы металлов + их сплавы, температура плавления которых ниже порога в 1000 градусов Цельсия.

Если температура плавления металла превышает 1 500 градусов Цельсия – его принято выделять в группу тугоплавких. Диаграмма выше четко дает понять, куда какой металл следует относить.

Обратите внимание: минимальная температура плавления у ртути — 39 градусов. Именно благодаря такому физическому свойству, мы можем наблюдать химический элемент в постоянно жидком состоянии.

Теперь пройдемся по легкоплавким сплавам. В своем большинстве – это сплавы эвтектического типа, пиковая температура плавления которых не превышает 232 градусов по Цельсию. В основе производства легкоплавких сплавов лежат легкоплавкие металлы – олово, висмут, таллий, галлий и другие.

Ученым удалось добиться -78 градусов в качестве минимальной температуры плавления для советского сплава, который состоит на 12% из натрия, 47% калия и 41% цезия. Недостаток сплава — реакция с водой. Ближайший конкурент – амальгама. Токсичный сплав из ртути с таллием, сохраняющий жидкое состояние до температуры -61 градус по Цельсию.

Область применения легкоплавких металлов/сплавов:

энергетическая промышленность и машиностроение. Основное направление – создание тепловых носителей с жидкометаллического типа;
литьевая промышленность;
как основа для датчиков температуры, что актуально в системах пожарной безопасности;
как основа для разработки термометров;
как ремонтный материал в вакуумных технологиях;
припои, предохранители и прочие мелочи в микроэлектронике;
медицинское направление. То же протезирование;
как металлическая смазка.

Низкая температура плавления является базовых свойством, которое требуется от легкоплавких металлов и сплавов. Вторичные параметры, которые берутся во внимание в различных областях использования – плотность, прочность на разрыв и инертность в химическом плане.

Галлий: металл, который плавится в руках

Поистине, занимательный химический элемент, который имеется в любом школьном кабинете химии. Благодаря демонстрационной наглядности, галлий считается лучшим вариантом донесения до умов учащихся тепловых свойств химических элементов.

Gallium (Ga) – металл, который плавится в руках при достижении температуры в 29.8 градуса по Цельсию. Учитывая стандартные 36.6 в организме человека, чтобы получить желаемый эффект, достаточно кусочек галлия положить на ладошку и наблюдать как тот медленно по ней растекается в разные стороны.

1) Общая информация по элементу

В периодической системе химических элементов галлий находится на 31 позиции. Его латинское обозначение – «Ga». Металл принадлежит к группе легких металлов, куда также входит алюминий, индий, олово, таллий, свинец и висмут.

Внешне, галлий представляет собой мягкий или хрупкий металл (в зависимости от температуры), имеющий белый + серебристый оттенки. Иногда можно заметить синеватые отблески на поверхности чистого вещества.

Великий Менделеев заранее знал о данном химическом элементе. Впервые он просчитал некоторые свойства галлия еще в 1871 году. Изначальное название, присвоенное химиком, звучало как «экаалюминий».

К предугаданным свойствам галлия Менделеевым относились:

оксидный тип;
варианты связи с хлором;
медленная растворимость при соприкасании с щелочами/кислотами;
галлий не будет реагировать с кислородом;
возможность легкоплавкого металла образовывать основные соли;
химический элемент будет открыт при использовании спектроскопии.

Непосредственное выделение металла в чистом виде пришлось на француза Буабодраном. Открытие приходится на 1875 год. Из-за малого долевого содержания галлия в руде (менее 0.2%), пришлось потратить пару месяцев на получение минимального запаса чистого вещества для полноценного исследования его физических/химических свойств.

Физика галлия	Химия галлия
Наличие нескольких модификаций полиморфного типа.	Низкая химическая активность замедляет протекание химических реакций металла в твердом состоянии.
При нормальных условиях кристаллическая решетка имеет орторомбическую структуру. При повышении давления наблюдается образование 2 структур полиморфного типа с кубической и тетрагональной решетками.	На воздухе галлий покрывается оксидной пленкой, которая предохраняет его от дальнейших реакций окисления.
Плотность галлия – 5.9 грамма на сантиметр кубический, а в жидком состоянии плотность увеличивается до 6.1 грамма на сантиметр кубический.	В контакте с горячей водой, он вытесняет из нее водород, в результате чего образуется гидроксид галлия.
Сопротивление электричеству у галлия в твердом и жидком состояниях одинаковы и равны 0.5 на 10-8 Ом*см при температурном режиме в 0 градусов по Цельсию.	Вступает в реакцию с паром (выше 340 градусов) и образует метагаллиевую кислоту.
Вязкость галлия колеблется в зависимости от температурного режима. При температуре в 100 градусов – 1.6 сантипуаз, а при 1000 градусов С – 0.6 сантипуаз.	Может взаимодействовать с кислотами минерального типа – происходит выделение Н и образование солевых веществ.
Поверхностное натяжение составляет 0.74 ньютона на метр, а отражательный коэффициент от 71% до 76% при разной длине волн.	Галлий инертен по отношению к водороду, азоту, углероду и кремнию.

В земной коре металл, который плавится в руках, встречается довольно часто. На 1 тонну земли приходится 19 грамм чистого вещества. В химическом аспекте, галлий – элемент рассеянного типа, располагающий двойной природой по геохимии. Хотя кларки вещества и большие, из-за его сильной склонности к изоморфизму, больших скоплений чистого галлия в природе не найти.

К основным минералам, где сравнительно высокое содержание галлия в чистом виде относят сфалерит (до 0.1%), биотит (до 0.1%) и натролит (до 0.1%). В остальных 10+ минералах, которые также применяются для добычи галлия, долевое содержание чистого вещества менее 0.1%. В морской воде галлий также присутствует, но его содержание крайне мало – всего 30 на 10-6 миллиграммов на литр жидкости.

10 самых крепких металлов в мире

2) Почему галлий – это металл, который плавится в руке?

Обратимся к тепловым свойствам металла, и полностью разберем их при различных уровнях, хотя ответ на вопрос очевиден уже из базового понятия, температуры плавления, которая приравнивается к 29 градусам по Цельсию.

Термодинамические свойства чистого галлия:

металл переходит из твердого в жидкое состояние при достижении температуры в 29.8 С или 302 градуса Кельвина;
металл закипает при достижении температуры в 2 448 градусов Кельвина;
удельная теплота плавления чистого галлия составляет 5600 Джоулей на моль;
удельная теплота по испарению составляет 270 000 джоулей на моль;
молярная теплоемкость составляет 26 джоулей, деленных на Кельвины, перемноженные на моли.

Главными поставщиками галлия на мировой рынок являются государства из Юго-Запада Африки, Российская Федерация и большинство стран СНГ. Галлий – металл, который не только плавится в руке, но и вещество, способное менять плотность при смене температурного режима на основании данного свойства можно провести интересный опыт.

Эксперимент: переводим галлий в жидкое состояние, а далее загоняем его в маленький стеклянный пузырек. По мере охлаждения емкости, металл станет постепенно превращаться в твердую субстанцию. Постепенно образующиеся кристаллы начнут расширяться, за счет чего колба рано или поздно треснет.

Во избежание повреждений со стороны зрителей, демонстрация должна проходить в изолированном пространстве с защитной перегородкой. Если слишком резко переохладить колбу, осколки могут разлететься в разные стороны в радиусе нескольких десятков метров.

Обзор свойств и характеристик плавящегося в руке металла, галлия:

3) Получение галлия + области применения металла в промышленности/быту

В основе добычи чистого вещества лежит галлит – редкий минерал, который является смесью галлия и сульфида меди. Наиболее часто он встречается в совокупности с такими минералами как сфалерит и германит. Странный факт, но в залежах каменных углей иногда реально найти галлит в размере 1.5% от всего объема добычи, что делает такие месторождения крайне важными стратегическими запасами для промышленного производства галлия.

Основные методы получения металлического галлия – это переработка боксита, нефелина и некоторые типы полиметаллических руд/угля.

Алгоритм извлечения галлия из руд:

Электролиз с участием щелочных жидкостей, которые в свою очередь являются промежуточным продуктом с переработки бокситов в глинозем технического применения.
Получение концентрированных растворов по методу спекания или через процесс Байера. В первом случае получаем до 70 миллиграмм на литр, а во втором до 160 миллиграмм на литр концентрата.
Дальнейшая очистка галлия путем карбонизации.
Обогащенный осадок отправляют в емкость с известью, вследствие чего получаем раствор.
При помощи электролиза раствора получаем черновой вариант металла.
Черновой галлий прогоняют через водяной напор.
Смесь фильтруют при помощи пористых пластинок и греют в вакууме, из-за чего из чернового металла удаляются примеси летучего типа.
В зависимости от степени чистоты конечного продукта, используют химический, электрохимический, либо физический методы разложения.

Эталонный вариант чистки может предоставить галлий с чистотой в 99.9%. В данном случае используется метод электрохимического рафинирования и восстановление с помощью очищенного водорода.

В промышленном плане у галлия нет широкого распространения. Металл сравнительно дорогой для металлургии + его физические/химические свойства редко где могут пригодиться для массового использования.

Где применяется галлий:

в соединениях с натрием металл применяют при создании лазеров полупроводникового типа с ультрафиолетовым и синим диапазонами;
как присадка к германию/кремнию;
как отражающий элемент для зеркал среднего качества. В чистом виде материал способен отражать порядка 89% света. Достоинства подобных изделий обусловливаются способностью металл к пропуску ультрафиолетовых лучей;
как компонент в смазочных материалах. Клеи с добавкой жидкого галлия весьма популярны и сегодня;
как замена ртути в кварцевых термометрах;
оксид галлия – это стратегически важный объект в производстве лазерных материалов.

Иногда галлий применяют как компонент для светящихся красок, а соли на основе металла являются катализаторами в аналитической химии, медицине и органическом синтезе. Чтобы купить 1 килограмма металла, который плавится в руках, потребуется выложить от 250 до 400 американских долларов в зависимости от степени чистоты химического элемента.

Источник