Таблица температур плавления. Что такое кипение и плавление
Почти все металлы при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Но при определенных температурах они могут изменять свое агрегатное состояние и становиться жидкими. Давайте узнаем, какая температура плавления металла самая высокая? Какая самая низкая?
Температура плавления металлов
Большая часть элементов периодической таблицы относится к металлам. В настоящее время их насчитывается примерно 96. Всем им необходимы разные условия, чтобы превратиться в жидкость.
Порог нагревания твердых кристаллических веществ, превысив который они становятся жидкими, называется температурой плавления. У металлов она колеблется в пределах нескольких тысяч градусов. Многие из них переходят в жидкость при относительно большом нагревании. Благодаря этому они являются распространенным материалом для производства кастрюль, сковородок и других кухонных приборов.
Средние температуры плавления имеют серебро (962 °С), алюминий (660,32 °С), золото (1064,18 °С), никель (1455 °С), платина (1772 °С) и т.д. Выделяют также группу тугоплавких и легкоплавких металлов. Первым, чтобы превратиться в жидкость, нужно больше 2000 градусов Цельсия, вторым - меньше 500 градусов.
К легкоплавким металлам обычно относят олово (232 °C), цинк (419 °C), свинец (327 °C). Однако у некоторых из них температуры могут быть еще ниже. Например, франций и галлий плавятся уже в руке, а цезий можно греть только в ампуле, ведь от кислорода он воспламеняется.
Самые низкие и высокие температуры плавления металлов представлены в таблице:
Вольфрам
Самая высокая температура плавления - у металла вольфрама. Выше него по этому показателю стоит только неметалл углерод. Вольфрам представляет собой светло-серое блестящее вещество, очень плотное и тяжелое. Он кипит при 5555 °C, что почти приравнивается к температуре фотосферы Солнца.
При комнатных условиях он слабо реагирует с кислородом и не подвергается коррозии. Несмотря на свою тугоплавкость, он довольно пластичен и поддается ковке уже при нагревании до 1600 °C. Эти свойства вольфрама используют для нитей накаливания в лампах и кинескопах электродов для сварки. Большую часть добытого металла сплавляют со сталью, чтобы повысить ее прочность и твердость.
Широкое применение вольфрам имеет в военной сфере и технике. Он незаменим для изготовления боеприпасов, брони, двигателей и наиболее важных частей военного транспорта и самолетов. Из него также делают хирургические инструменты, ящики для хранения радиоактивных веществ.
Ртуть
Ртуть - единственный металл, температура плавления которого имеет минусовое значение. К тому же это один из двух химических элементов, простые вещества которых при нормальных условиях, существуют в виде жидкостей. Интересно, что кипит металл при нагревании до 356,73 °C, а это намного выше температуры его плавления.
Имеет серебристо-белый цвет и ярко выраженный блеск. Она испаряется уже при комнатных условиях, конденсируясь в небольшие шарики. Металл очень токсичен. Он способен накапливается во внутренних органах человека, вызывая болезни головного мозга, селезенки, почек и печени.
Ртуть - один из семи первых металлов, о которых узнал человек. В Средние века она считалась главным алхимическим элементом. Несмотря на ядовитость, когда-то ее применяли в медицине в составе зубных пломб, а также как лекарство от сифилиса. Сейчас ртуть почти полностью исключили из медицинских препаратов, но широко используют ее в измерительных приборах (барометрах, манометрах), для изготовления ламп, переключателей, дверных звонков.
Сплавы
Чтобы изменить свойства того или иного металла, его сплавляют с другими веществами. Так, он может не только приобрести большую плотность, прочность, но и снизить или повысить температуру плавления.
Сплав может состоять из двух или больше химических элементов, но хотя бы один из них должен быть металлом. Такие «смеси» очень часто используют в промышленности, ведь они позволяют получить именно те качества материалов, которые необходимы.
Температура плавления металлов и сплавов зависит от чистоты первых, а также от пропорций и состава вторых. Для получения легкоплавких сплавов чаще всего используют свинец, ртуть, таллий, олово, кадмий, индий. Те, в составе которых находится ртуть, называются амальгамами. Соединение натрия, калия и цезия в соотношении 12%/47%/41% становится жидкостью уже при минус 78 °C , амальгама ртути и таллия - при минус 61°C. Самым тугоплавким материалом является сплав тантала и карбидов гафния в пропорциях 1:1 с температурой плавления 4115 °C.
Кипит – вода, плавится – металл, в крайнем случае – стекло… такие представления привычны с детства. Но, оказывается, и вода может плавиться, и металл кипеть – словом эти понятия могут быть применены к любому веществу.
Как все мы помним из школьного курса физики, любое вещество может пребывать в одном из трёх агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном (правда, выделяют еще и другие состояния вещества – плазма, жидкие кристаллы – но в контексте рассматриваемого вопроса они нас интересовать не будет).
В каком бы состоянии ни пребывало вещество, оно будет состоять из одних и тех молекул, разница лишь в том, как они расположены и как «себя ведут». В твердом теле они совершают лишь небольшие колебания, благодаря чему твердое тело сохраняет форму и объем. Твердые тела подразделяются на кристаллические и аморфные. В кристаллических телах молекулы располагаются в строгом порядке и периодично, образуя кристаллическую решетку в виде многогранника. Аморфное тело граничит с жидкостью, но вязкость этой «жидкости» очень велика, поэтому такое тело все же обладает свойствами твердого.
В жидкости молекулы не имеют определенного расположения, но и свободы передвижения лишены, притяжение удерживает их вместе, поэтому жидкое тело сохраняет объем, но не форму. В газообразном веществе молекулы хаотично движутся, слабо взаимодействуют, и такое вещество ни объема, ни формы не может сохранить.
Как уже говорилось, в любом из трех этих состояний может находиться любое вещество – все зависит лишь от двух факторов: давления и температуры. Например, в условиях Марса нет жидкой воды, на Земле достаточно сложно получить жидкий кислород, но все-таки возможно, а вот металлический водород не получится сделать ни в одной земной лаборатории – зато на Юпитере он есть. Переходы между этими состояниями – т.н. фазовые переходы – именуются кипением и плавлением.
Кипение – это переход от жидкого состояния к газообразному. Такой переход происходит всегда за счет того, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, подвергаются воздействию не только «собратьев» из жидкости, но и молекул воздуха. У некоторых молекул жидкости кинетической энергии больше, чем у других, и они покидают жидкость, а у оставшихся молекул энергии в целом меньше, поэтому жидкость становится холоднее. Так постепенно может «уйти» вся жидкость, это называется испарением. При кипении же испарение происходит не только с поверхности жидкости, но и во всем ее объеме – благодаря образующимся в жидкости пузырькам пара. Такой фазовый переход происходит намного быстрее любая хозяйка знает, что воде нужно больше времени на высыхание, чем на выкипание). Если испарение происходит при любой температуре, то кипение – только при повышении температуры до определенного уровня (у каждого вещества температура своя).
Переход вещества из кристаллического твердого тела в жидкое состояние называется плавлением. Следует подчеркнуть: именно из кристаллического, к аморфным телам это понятие не применяется. Так что выражение «плавленый сыр» с точки зрения физики лишена смысла, поскольку сыр – как раз аморфное тело, а вот лёд плавиться может (что не очевидно для многих далеких от физики людей).
Как и кипение, плавление происходит при повышении температуры до определенного уровня. При нормальном давлении самая высокая температуры плавления у углерода (4500 градусов), из металлов – у вольфрама (3422 градуса). Самой низкой температурой плавления при нормальном давлении обладает гелий. Она настолько низкая, что ее… вообще нет! Даже при температуре, близкой к абсолютному нулю, он остается жидким, не переходя в твердое состояние – для этого нужно давление более 25 атмосфер.
Не все вещества при нормальном давлении проходят все эти три состояния и фазовых перехода. Некоторые из них переходят из твердого состояния в газообразное, минуя стадию жидкости – этот процесс называется возгонкой, или сублимацией.
Температурой плавления (Т пл) твердого кристаллического вещества называется температура, при которой оно начинает переходить в жидкое состояние при атмосферном давлении. Абсолютно чистое индивидуальное вещество имеет строго определенную Т пл. Однако в обычной практике вещество редко удается довести до чистоты, близкой к 100 %, поэтому полное превращение твердого образца в жидкость происходит в некотором температурном интервале DТ пл = Т к - Т н, где Т к и Т н - соответственно температуры начала и конца плавления. Эти температуры обычно и указывают при характеристике чистоты полученного вещества (в том числе довольно часто в справочниках; например, в “Справочнике химика”, т. II, для п -аминоацетанилида Т пл 161 - 162° С, для ванилина 81 - 83° С и т. п.). Чем чище вещество, тем меньше DТ пл . Практически чистое вещество имеет DТ пл не более 0,5° С. Разность между началом и концом плавления в 1° С свидетельствует о хорошем качестве полученного продукта. Неправильно принимать за температуру плавления среднюю величину (Т н + Т к)/2.
Примесь любого другого вещества, способного полностью или частично смешиваться с исследуемым соединением, понижает его температуру плавления и, как правило, расширяет температурный интервал DТ пл. Величина DТ пл получается завышенной также из-за неправильного, слишком быстрого, нагревания образца.
| Температура плавления – физическая константа химического соединения. Совпадение найденной и табличной величин Т пл служит одним из доказательств природы неизвестного вещества при его идентификации (распознавании). Прибор для определения температуры плавления изображен на рис. 3. Вещество помещают в стеклянный капилляр (7), который с помощью резинового колечка (6) прикрепляется к термометру (3) так, чтобы столбик вещества в капилляре был прижат к шарику термометра и за его состоянием можно было наблюдать через прозрачные стенки сосудов (1 и 2) и слой концентрированной серной кислоты, находящейся в сосуде (1). Капилляр представляет собой тонкостенную трубочку длиной 40 – 50 мм и диаметром 0,8 – 1 мм. С одного конца (более узкого) капилляр запаивают, для чего достаточно поднести кончик капилляра к краю нижней части пламени горелки. Около 0,1 г исследуемого вещества помещают на часовое стекло или на вогнутую поверхность донышка перевернутого стеклянного стакана и как можно тоньше измельчают кристаллы с помощью стеклянной палочки. Если нет уверенности в | Рис. 3. Прибор для определения температуры плавления: 1 – внешний сосуд, заполненный концентрированной серной кислотой; 2 – внутренний пустой сосуд; 3 – термометр, укрепленный с помощью резиновой пробки с боковым вырезом 4; 5 – отвод внешнего сосуда; 6 – резиновое кольцо; 7 – капилляр с веществом; 8 – металлическая или асбестовая сетка |
том, что вещество совершенно сухое, стаканчик перед помещением на него образца можно слабо нагреть и подержать измельченное вещество на теплой поверхности в течение некоторого времени (~ 10 минут). Прикасаются открытым концом капилляра к “горке” измельченного вещества и попавшие внутрь кристаллы проталкивают вниз капилляра, бросая его несколько раз запаянным концом вниз в трубку длиной 60 – 70 см и диаметром около 1 см, поставленную вертикально на металлическую, стеклянную или керамическую поверхность. Уплотнение образца в капилляре происходит при ударе о твердую поверхность. При этом из-за упругой деформации стекла капилляр несколько раз подскакивает внутри трубки. Высота столбика вещества в капилляре должна быть 4 – 5 мм (не больше). Чем лучше уплотнено вещество в капилляре, тем точнее может быть определена температура плавления.
Капилляр прикрепляют к термометру, как об этом было сказано выше, и начинают нагрев прибора.
Если температуру плавления измеряют с целью определения степени чистоты известного продукта, прибор нагревают сначала быстро до температуры приблизительно на 10° С ниже известной из справочника Т пл чистого вещества. После этого горелку на короткое время отставляют, однако столбик термометра еще продолжает подниматься из-за тепловой инерции. Затем, тщательно дозируя подвод тепла расположением пламени горелки под сеткой, очень медленно поднимают температуру (1 – 2° С за 1 минуту). Чем медленнее поднимается столбик ртути в термометре, тем точнее может быть измерена температура плавления.
В процессе нагревания наблюдают за состоянием вещества в капилляре. Температуру, при которой столбик вещества в результате появления жидкой фазы начинает разрушаться, уменьшаясь в объеме (“съеживается”), принимают за начало плавления. В этот момент отмечают показание термометра (T н). Еще более замедляют темп нагревания и дожидаются момента, когда вещество в капилляре полностью превратиться в жидкость. Это – конец плавления. Ему соответствует показание термометра T к.
Если необходимо определить температуру плавления неизвестного вещества, то, прежде всего, следует убедиться, что оно вообще способно расплавляться при такой температуре, которая лежит в обычных пределах величин Т пл органических соединений (<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 Т пл определяют ориентировочно при относительно быстром темпе нагревания. Для второго опыта следует использовать вновь набитый капилляр и определить Т пл более тщательно при медленном повышении температуры, как это описано выше.
В приборе, изображенном на рис. 3, заполненном концентрированной серной кислотой, запрещается определять температуры плавления веществ, плавящихся выше 200° С.
Следует также указать на другие меры предосторожности при работе с прибором для определения температуры плавления, заполненном концентрированной серной кислотой. Определение высоких Т пл (180 – 200° С) следует проводить в защитных очках или наблюдать за плавлением через защитный экран. Отвод (5) сосуда (рис. 3) при нагреве должен быть обращен в ту сторону, где нет людей. Если капилляр упал на дно внутреннего сосуда, не пытайтесь доставать его с помощью стеклянной палочки и ни в коем случае не переворачивайте прибор! Нельзя принудительно охлаждать горячий прибор холодной водой; перед повторным определением температуры плавления прибору надо дать постепенно остыть на воздухе.
Контрольные вопросы
1. На каких различиях в свойствах вещества и примесей к нему основан метод очистки твердого вещества путем перекристаллизации?
2. Как обычно изменяется растворимость органических веществ с изменением температуры?
3. Какими свойствами должен обладать растворитель для того, чтобы быть пригодным для перекристаллизации вещества?
4. Как практически подбирают растворитель, пригодный для перекристаллизации вещества?
5. Как правильно приготовить горячий насыщенный раствор вещества: а) в воде; б) в легколетучем огнеопасном растворителе?
6. Как проводится удаление примесей продуктов осмоления, придающих веществам буро-желтую окраску?
7. Для чего и как проводится “горячее” фильтрование?
8. Какие меры предосторожности должны соблюдаться при внесении активированного угля в раствор?
9. Как и для чего определяют температуру плавления вещества?
Каждый металл и сплав имеет собственный уникальный набор физических и химических свойств, среди которых не последнее место занимает температура плавления. Сам процесс означает переход тела из одного агрегатного состояния в другое, в данном случае, из твердого кристаллического состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, необходимо подводить к нему тепло до достижения температуры плавления. При ней он все еще может оставаться в твердом состоянии, но при дальнейшем воздействии и повышении тепла металл начинает плавиться. Если температуру понизить, то есть отвести часть тепла, элемент затвердеет.
Самая высокая температура плавления среди металлов принадлежит вольфраму : она составляет 3422С о, самая низкая - у ртути: элемент плавится уже при - 39С о. Определить точное значение для сплавов, как правило, не представляет возможности: оно может значительно колебаться в зависимости от процентного соотношения компонентов. Их обычно записывают в виде числового промежутка.
Как происходит
Плавление всех металлов происходит примерно одинаково - при помощи внешнего или внутреннего нагревания. Первый осуществляется в термической печи, для второго используют резистивный нагрев при пропускании электрического тока или индукционный нагрев в высокочастотном электромагнитном поле. Оба варианта воздействуют на металл примерно одинаково.
При увеличении температуры увеличивается и амплитуда тепловых колебаний молекул , возникают структурные дефекты решетки, выражающиеся в росте дислокаций, перескоке атомов и других нарушениях. Это сопровождается разрывом межатомных связей и требует определенного количества энергии. В это же время происходит образование квази-жидкого слоя на поверхности тела. Период разрушения решетки и накопления дефектов называется плавлением.
В зависимости от температуры плавления металлы делятся на:
В зависимости от температуры плавления выбирают и плавильный аппарат . Чем выше показатель, тем прочнее он должен быть. Узнать температуру нужного вам элемента можно из таблицы.
Еще одной немаловажной величиной является температура кипения. Это величина, при которой начинается процесс кипения жидкостей, она соответствует температуре насыщенного пара, который образуется над плоской поверхностью кипящей жидкости. Обычно она почти в два раза больше, чем температура плавления.
Обе величины принято приводить при нормальном давлении. Между собой они прямопропорциональны .
- Увеличивается давление - увеличится величина плавления.
- Уменьшается давление - уменьшается величина плавления.
Таблица легкоплавких металлов и сплавов (до 600С о)
| Название элемента | Латинское обозначение | Температуры | |
| Плавления | Кипения | ||
| Олово | Sn | 232 С о | 2600 С о |
| Свинец | Pb | 327 С о | 1750 С о |
| Цинк | Zn | 420 С о | 907 С о |
| Калий | K | 63,6 С о | 759 С о |
| Натрий | Na | 97,8 С о | 883 С о |
| Ртуть | Hg | - 38,9 С о | 356.73 С о |
| Цезий | Cs | 28,4 С о | 667.5 С о |
| Висмут | Bi | 271,4 С о | 1564 С о |
| Палладий | Pd | 327,5 С о | 1749 С о |
| Полоний | Po | 254 С о | 962 С о |
| Кадмий | Cd | 321,07 С о | 767 С о |
| Рубидий | Rb | 39,3 С о | 688 С о |
| Галлий | Ga | 29,76 С о | 2204 С о |
| Индий | In | 156,6 С о | 2072 С о |
| Таллий | Tl | 304 С о | 1473 С о |
| Литий | Li | 18,05 С о | 1342 С о |
Таблица среднеплавких металлов и сплавов (от 600С о до 1600С о)
| Название элемента | Латинское обозначение | Температураы | |
| Плавления | Кипения | ||
| Алюминий | Al | 660 С о | 2519 С о |
| Германий | Ge | 937 С о | 2830 С о |
| Магний | Mg | 650 С о | 1100 С о |
| Серебро | Ag | 960 С о | 2180 С о |
| Золото | Au | 1063 С о | 2660 С о |
| Медь | Cu | 1083 С о | 2580 С о |
| Железо | Fe | 1539 С о | 2900 С о |
| Кремний | Si | 1415 С о | 2350 С о |
| Никель | Ni | 1455 С о | 2913 С о |
| Барий | Ba | 727 С о | 1897 С о |
| Бериллий | Be | 1287 С о | 2471 С о |
| Нептуний | Np | 644 С о | 3901,85 С о |
| Протактиний | Pa | 1572 С о | 4027 С о |
| Плутоний | Pu | 640 С о | 3228 С о |
| Актиний | Ac | 1051 С о | 3198 С о |
| Кальций | Ca | 842 С о | 1484 С о |
| Радий | Ra | 700 С о | 1736,85 С о |
| Кобальт | Co | 1495 С о | 2927 С о |
| Сурьма | Sb | 630,63 С о | 1587 С о |
| Стронций | Sr | 777 С о | 1382 С о |
| Уран | U | 1135 С о | 4131 С о |
| Марганец | Mn | 1246 С о | 2061 С о |
| Константин | 1260 С о | ||
| Дуралюмин | Сплав алюминия, магния, меди и марганца | 650 С о | |
| Инвар | Сплав никеля и железа | 1425 С о | |
| Латунь | Сплав меди и цинка | 1000 С о | |
| Нейзильбер | Сплав меди, цинка и никеля | 1100 С о | |
| Нихром | Сплав никеля, хрома, кремния, железа, марганца и алюминия | 1400 С о | |
| Сталь | Сплав железа и углерода | 1300 С о - 1500 С о | |
| Фехраль | Сплав хрома, железа, алюминия, марганца и кремния | 1460 С о | |
| Чугун | Сплав железа и углерода | 1100 С о - 1300 С о | |
После проведения кристаллизации необходимо удостовериться, что вещество является достаточно чистым. Наиболее простым и эффективным методом идентификации и определения меры чистоты вещества является определение его температуры плавления (Т пл). Температурой плавления называют интервал температур, при котором твердое вещество переходит в жидкую фазу. Все чистые химические соединения имеют узкий температурный интервал перехода из твердого состояния в жидкое. Этот температурный интервал для чистых веществ составляет максимум 1–2 о С. Использование температуры плавления в качестве меры чистоты вещества основывается на том, что присутствие примесей (1) понижает температуру плавления и (2) расширяет температурный интервал плавления. Например, чистый образец бензойной кислоты плавится в интервале 120–122 о С, а слегка загрязненный – при 114-119 о С.
Использование температуры плавления для идентификации отличается, очевидно, большой неопределенностью, так как существует несколько миллионов органических соединений, и неизбежно температуры плавления многих из них совпадают. Однако, во-первых, Т пл полученного в синтезе вещества почти всегда отличается от Т пл исходных соединений. Во-вторых, можно использовать методику «определения температуры плавления смешанной пробы». Если Т пл смеси равных количеств исследуемого вещества и известного образца не отличается от Т пл последнего, то оба образца представляют собой одно и то же вещество.
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ . Тщательно растирают исследуемое вещество в тонкий порошок. Заполняют веществом капилляр (на 3–5 мм по высоте; капилляр должен быть тонкостенным, запаянным с одной стороны, с внутренним диаметром 0.8–1 мм и высотой 3–4 см). Для этого осторожно вдавливают капилляр открытым концом в порошок вещества и периодически ударяют его запаянным концом о поверхность стола 5–10 раз. Для полного смещения порошка к запаянному концу капилляра его бросают в вертикальную стеклянную трубку (длиной 30–40 см и диаметром 0.5–1 см) на твердую поверхность. Вставляют капилляр в металлическую кассету, закрепленную на носике термометра (рис. 3.5), и помещают термометр с кассетой в прибор для определения температуры плавления.
В приборе термометр с капиллярами нагревается электрической спиралью, напряжение на которую подается через трансформатор, и скорость нагрева определяется подаваемым напряжением. Сначала нагревают прибор со скоростью 4– 6 о С в минуту, а за 10 о С до предполагаемой Т пл нагревают со скоростью 1–2 о С в минуту. За температуру плавления принимают интервал от размягчения кристаллов (смокания вещества) до полного их плавления.
Полученные данные записывают в лабораторный журнал.
Перегонка
Перегонка является важным и широко используемым методом очистки органических жидкостей и разделения жидких смесей. Этот метод заключается в кипячении и выпаривании жидкости с последующей конденсацией паров в дистиллят. Разделение двух жидкостей с разницей температур кипения 50–70 о С и более можно осуществить простой перегонкой. Если разница меньше, необходимо использовать фракционную перегонку на более сложном приборе. Некоторые жидкости с высокими температурами кипения в процессе перегонки разлагаются. Однако при снижении давления температура кипения понижается, что позволяет перегонять высококипящие жидкости без разложения в вакууме.
