Наиболее легкоплавкие металлы: свойства, особенности, физические характеристики

Содержание

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:

Температура плавления (°С)

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.

Физические свойства
Химические свойства
Имеет низкую теплопроводность в пределах 35 Вт/(м*к) при 0 °C
Образует оксиды при взаимодействии с кислородом
Отличается высокой пластичностью – свинцовые изделия можно царапать, разрезать ножом, сгибать
Является хорошим реагентом для кислот
Обладает температурой плавления – +328 °C, кипения – +1750 °C
Вступает в реакцию с растворами щелочей

Относится к тяжелым металлам, имея плотность 11,34 г/см3, но данный показатель снижается при повышении температуры

Ряд соединений свинца имеет повышенные кислотные свойства, из-за чего вещество считается окислителем
При достижении 7,26 °K превращается в сверхпроводник

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.

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

Сплав железа и меди: область применения
Углерод в металле и его влияние на свойства материала
Легированные конструкционные стали: характеристики и применение

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.

Наиболее легкоплавкие металлы: свойства, особенности, физические характеристики

Температура плавления – важная характеристика, которая чаще всего применяется именно к металлам. Она зависит от многих физических свойств веществ – их чистоты и кристаллической структуры. Какой металл наиболее легкоплавкий: Li, Al, Hg, Cu? Давайте выясним, кто из них действительно может называться таковым.

Наиболее легкоплавкие металлы

Плавление – процесс перехода из твердого состояния в жидкое. Он происходит под воздействием тепла, но зависит еще от ряда физических факторов, например от давления. Важную роль в том, насколько легко и тяжело вещество поддается плавлению, также играет его состав, размер кристаллов в решетке и прочность связей между атомами.

Вам будет интересно: Что такое молярная масса воздуха?

Температура плавления металлов очень разнится и может иметь даже минусовые значения. Она колеблется от -39 до +3410 градусов Цельсия. Тяжелее всего в жидкость превращаются молибден, вольфрам, хром, титан. Для этого процесса их требуется нагреть до температуры не менее 2000 градусов.

Наиболее легкоплавкими металлами являются галлий, ртуть, литий, олово, свинец, цинк, индий, висмут, таллий. Подробнее о некоторых из них читайте далее.

Ртуть

Полезный во многих сферах, но ядовитый металл был известен еще до нашей эры. Ртуть использовали античные и средневековые медики для лечения венерических и многих других заболеваний, алхимики пытались сделать из нее золото. Сегодня она применяется в электротехнике, приборостроении и органической химии.

Руть – это наиболее легкоплавкий металл на планете. При нормальных комнатных условиях она всегда жидкая, так как температура ее плавления составляет -39 градуса. Ее пары очень опасны, поэтому ртуть содержат только в контейнерах и специальных стеклянных колбах. На организм она действует как яд, отравляя его и выводя из строя нервную, иммунную, дыхательную и пищеварительную системы.

Галлий

Вторым в списке наиболее легкоплавких металлов находится галлий. Он становится жидкостью при температуре выше 29,5 градусов Цельсия, и размягчить его можно просто подержав немного в руках. При нормальных условиях галлий очень хрупкий, легко поддается механическому воздействию и окрашен в светло-серебристый, несколько голубоватый оттенок.

Металл очень рассеян в земной коре и не встречается в виде самородков. В природе его находят в составе различных минералов, таких как гранат, мусковит, турмалин, хлорит, полевой шпат. Кроме того, он содержится в морской воде. Галлий используют в высокочастотной электронике, для изготовления зеркал и различных сплавов.

Индий

В качестве простого вещества индий очень светлый, ковкий и мягкий настолько, что даже оставляет след, если им провести по бумаге. Он также является одним из наиболее легкоплавких металлов, но воздействуют на него только температуры выше 157 °C. Закипает он при 2072 градусах.

Как и галлий, индий не образует собственных месторождений, но содержится в различных рудах. Благодаря своей рассеяности в природе металл довольно дорогой. Его применяют в микроэлектронике, для изготовления легкоплавких сплавов, припоев, жидкокристаллических экранов для техники.

Олово

Олово плавится от температуры выше 231 градуса по Цельсию. Это пластичный и мягкий металл, светло-серебристого цвета. Оно существует четырех аллотропных модификациях, две из них появляются только при высоком давлении.

Олово довольно рассеяно в природе, но может образовывать собственные минералы, например, станнин и касситерит. Его используют в качестве покрытия для металлов для усиления их устойчивости к коррозии, а также для производства жести, фольги, разнообразных сплавов, посуды и деталей для музыкальных инструментов.

Литий

Литий – наиболее легкоплавкий металл, который становится жидкостью при температуре 180 градусов. Он мягкий, хорошо поддается ковке и механической обработке. Он относится к щелочным металлам, но проявляет активность гораздо хуже остальных представителей группы. Он медленно реагирует с влажным воздухом, а в сухой атмосфере остается практически стабильным

Металл встречается в сподумене, лепидолите, в месторождениях с оловом, висмутом и вольфрамом, содержится в морской воде и в звездных космических объектах. Литий часто используется для изготовления гальванических элементов, аккумуляторов, применяют в качестве окислителя, а также в пиротехнике. В сплавах с кадмием, медью и алюминием используется в космической, военной и авиационной технике.