نقطة انصهار من الزنك

1. مقدمة: نظرة عامة على نقطة انصهار الزنك

نقطة الانصهار في الزنك تقع في 692.68 كيلو بايت (419.53درجة مئوية, 787.15° f), نقطة ثابتة رئيسية على مقياس درجة حرارة ITS -90 التي تعتمد عليها الصناعة والعلوم للمعايرة والتحكم في العملية.

تذوب مادة نقية في درجة الحرارة حيث تتعايش مراحلها الصلبة والسائلة في التوازن.

درجة حرارة الانصهار المنخفضة نسبيًا - جميع المهندسين الذين يستغلونها من أجل الصب والتجمد - أيها الممتدة الحرارية تجعل الزنك لا غنى عنه عبر القطاعات.

1.1 التعريف الأساسي لنقطة الانصهار

تمثل نقطة الانصهار درجة الحرارة التي توجد بها مراحل المادة الصلبة والسائلة معًا في حالة توازن عند ضغط معين.

في الممارسة العملية, يسخن المرء الصلبة حتى يصل إلى درجة الحرارة هذه; مزيد من تناول الحرارة يحول الصلبة إلى سائل دون تغيير درجة الحرارة حتى يذوب البلورة الأخيرة.

• التعريف العلمي: درجة الحرارة التي يتغير فيها طاقة Gibbs خالية (ΔG) للصلبة → السائل يساوي الصفر, بينما enthalpy (ΔH) و Entropy (ΔS) يزيد.
• الظروف القياسية: ما لم يذكر خلاف ذلك, تقرير نقاط الانصهار في 1ATM (101.325KPA).

يذوب الزنك في 692.68ك (419.53درجة مئوية, 787.15° f) تحت 1ATM, وضعها بين المعادن الانتقالية المنخفضة.

1.2 معلومات أساسية عن الزنك

• الحقائق الأساسية:
  • الرقم الذري: 30
  • تكوين الإلكترون: [AR]3D & ⁰4S²
  • فئة: د, Group12 عنصر
• الخصائص الفيزيائية:
  • كثافة (20درجة مئوية): 7.14جم/سم3 (صلب), 6.57جم/سم3 (سائل في M.P.)
  • حرارة الانصهار: 7.32kj/mol
  • نقطة الغليان: 1180ك (907درجة مئوية, 1665° f)

ينشأ الترابط المعدني للزنك من إلكترونات 4S المخللة التي تتفاعل في شعرية سداسية قريبة, تسفر عن قوة الرابطة المعتدلة ونقطة الذوبان المميزة لها.

1.3 أهمية الزنك في الصناعة والحياة اليومية

1. الجلفنة
   طلاء الزنك على الصلب يحمي من التآكل. نقطة ذوبان الزنك (~ 420 درجة مئوية) يسمح بعمليات الرش أو الغمس في أفران الكهرباء أو الغاز الاقتصادية.
2. يموت الصب
   تتيح درجة حرارة الانصهار المنخفضة المسبوكات الدقيقة للسيارات, الأجهزة, والسلع الاستهلاكية.
3. البطاريات
   خصائص الزنك الكهروكيميائية لخلايا القلوية والزنك; تؤثر نقطة الانصهار على إعادة التدوير وتصنيع القطب الكهربائي.
4. سبائك
   النحاس (Cu -Zn) وسبائك السلامة المتخصصة في السلامة المنخفضة (على سبيل المثال, معدن وود) استفد من سلوك ذوبان الزنك.

2. نقطة انصهار من الزنك: الأساس الفيزيائي والكيميائي

2.1 البنية الذرية وأنواع الترابط من الزنك

تحمل ذرات الزنك د - د - (3د) واثنين من الإلكترونات 4S. تنشيط هذه الإلكترونات 4s تنتج الترابط المعدني, التي تحدد قوته الطاقة المطلوبة للذوبان.

• قذائف الإلكترون: 2,8,18,2
• الترابط: في الغالب معدنية; لا يوجد مكون تساهمي الاتجاه.

2.2 التركيب البلوري للزنك

يتبلور الزنك في أ سداسي سداسي (HCP) شعرية, مع ذرتين لكل خلية وحدة في المواقف (1/3,2/3,1/4) و (2/3,1/3,3/4). يعطي هذا الترتيب كفاءة التعبئة بنسبة 74 ٪ ويساهم في ذوبان معتدلة.

2.3 الخصائص الديناميكية الحرارية للزنك

تعكس هذه القيم تغيير الطاقة والاضطراب مع انتقالات الزنك من شكل HCP الصلب إلى السائل.

3. الأساس الديناميكي الحراري لنقطة الانصهار

3.1 المبدأ الديناميكي الحراري لتغيير الطور

في نقطة الانصهار, طاقات Gibbs الحرة الصلبة (ج) والسائل (ج) المراحل تتزامن (ΔG = 0), مرضية:

$$ΔG = ΔH - TΔS = 0$$ $$ΔS = frac{ΔH}{تي} = frac{7.32× 10³ mathrm{ي/مول}}{692.68\ \Mathrm{ك}} \تقريبا 10.57\ \Mathrm{j/(مول · ك)}.$$

حيث ΔH هو ethalpy من الانصهار و ΔS هو إنتروبيا الانصهار.

3.2 المحتوى الحراري للانصهار ونقطة الانصهار

الزنك المحتوى الحراري للانصهار (7.32kj/mol) يحدد الحرارة الكامنة المطلوبة لكسر الروابط المعدنية لكل مول من الذرات في M.P.. نسبة ΔH/Tₘ تعطي تغيير الانتروبيا:

$$\mathrm{د}ق=\frac{\mathrm{د}ح}{{ر}_{م}}=\frac{7.32\times {10}^3\mathrm{ي}\mathrm{/}\mathrm{م}\mathrm{س}\mathrm{ل}}{692.68\mathrm{ك}}\approx 10.57\mathrm{ي}\mathrm{/}(\mathrm{م}\mathrm{س}\mathrm{ل}\cdot \mathrm{ك})\mathrm{.}$$

3.3 تأثير الضغط على نقطة الانصهار

يتحول نقطة الانصهار بالضغط وفقًا لعلاقة Clausius -Clapeyron:

 

$$\frac{در}{دص}=\frac{\mathrm{د}V}{\mathrm{د}ق},$$

 

حيث ΔV هو تغيير حجم عند الانصهار. لأن سائل الزنك أقل كثافة قليلاً من صلاحه, زيادة الضغط بشكل عام يزيد تي, على الرغم من أن الحساسية لا تزال صغيرة مقارنة بالتحولات المغلي.

4. العوامل التي تؤثر على نقطة ذوبان الزنك

4.1 تأثير النقاء

الشوائب توسع نطاق الانصهار واكتئاب tₘ. حتى الملوثات على مستوى PPM في الزنك تحول سائلها إلى أسفل وتوسيع نطاق الطبقات, مصدر قلق رئيسي لخلايا المعايرة.

• زنك عالي النقاء: الزنك فائقة النشر (99.99 ٪) يعرض نقطة انصهار حادة عند 419.58 درجة مئوية.
• الشوائب:
  • يقود (PB): نقطة انصهار النقطة إلى حوالي 400 درجة مئوية عن طريق تعطيل الشبكة البلورية .
  • حديد (الحديد): يرفع نقطة الانصهار بسبب تكوين مركب intermetallic.

4.2 الظروف والضغط البيئي

بيئات الضغط العالي (على سبيل المثال, >1المعدل التراكمي) يمكن تغيير Tₘ الزنك بعشرات الدرجات, لكن العمليات الصناعية عند الضغط القريب - ترى تحولًا ضئيلًا.

• ارتفاع: انخفاض الضغط الجوي على ارتفاعات عالية يقلل من نقطة الانصهار بشكل هامشي (على سبيل المثال, 419.5° C على مستوى سطح البحر مقابل. ~ 419 درجة مئوية في 5,000 متر).
• أكسدة: أكسيد الزنك (زنو) أشكال في درجات حرارة عالية, زيادة نقطة الانصهار الفعالة بسبب ارتفاع درجة حرارة الانصهار (1,975درجة مئوية).

4.3 تأثير السبائك

إضافة عناصر (النحاس, آل, ملغ) أشكال السبائك مع السلوك الانصهار أو المعماري. النحاس (≈60 ٪ Cu,40%الزنك) يذوب بين 900 و 940 درجة مئوية, أعلى بكثير من الزنك النقي, بينما سبائك السلامة (على سبيل المثال, Bi -in -zn -sn) استغلال M.P من الزنك. لإنشاء روابط قابلة للانصهار حوالي 100-250 درجة مئوية.

• سبائك الزنك الألومنيوم:
  • محتوى AL من 4-11 ٪ يخفض نقطة الانصهار إلى 380-460 درجة مئوية, مثالي ل يموت الصب.
• سبائك زاماك:
  • الأحمال 12 (Zn-al-c) يذوب في 377-432 درجة مئوية, موازنة القوة والقدرة.
• النحاس (Zn-Cu):
  • تنخفض نقطة الانصهار من 1085 درجة مئوية (النحاس النقي) إلى 900-940 درجة مئوية مع 30% الزنك.

5. التطبيقات العملية لنقطة ذوبان الزنك

5.1 المعادن الصناعية والصب

يذوب الزنك عند 419.5 درجة مئوية فقط, أقل بكثير من المنافسة نقطة الانصهار من الألمنيوم (648.8 درجة مئوية), وهو ما يترجم إلى درجات حرارة فرن منخفضة وتوفير للطاقة في عمليات مداول الموت.

يموت الساخن - الكسور - غمر نظام الحقن مباشرة في الزنك المنصهر, الاستفادة من سيولة الزنك في درجات حرارة منخفضة لتحقيق جدار رفيع, الأجزاء الصافية التي تصل إلى 0.13 مم سماكة.

يعطي الزنك ما يقرب من 100 ٪ إعادة تدوير; تحتفظ الخردة والتجنب جودتها المعدنية وتخلفها دون تدهور, تقليل النفايات وبصمة الكربون مقارنة بمواد الصب الأخرى.

• يموت الصب: نقطة الانصهار المنخفضة للزنك تقلل من استهلاك الطاقة وارتداء الأدوات, تمكين الإنتاج الضخم للمكونات للسيارات والإلكترونيات.
• الجلفنة: الزنك المنصهر (450-460 درجة مئوية) معاطف الصلب, تشكيل طبقة مقاومة للتآكل عبر عمليات الساخنة الساخنة.

5.2 بطاريات وحقول الطاقة

عمليات الاسترداد الحرارية تعمل على درجة حرارة بقايا البطارية إلى أكثر من 1200 درجة مئوية, تقلبات المواد العضوية وتمكين استرداد الزنك بنسبة 99 ٪ مع نقاء 97 ٪ - الملامح التي تسترشد مباشرة بسلوك ذوبان الزنك وتبخيرها.

في خلايا الزنك والقلوية القابلة لإعادة الشحن, تقوم معالجة الزنك المنصهرة بإبلاغ بإعادة تدوير الإلكترود وإعادة تصنيع سير العمل, ضمان سلامة المواد وحلول تخزين الطاقة الفعالة من حيث التكلفة.

• بطاريات الزنك-الهواء: تساعد نقطة الانصهار المنخفضة للزنك في إنتاج الأنود, في حين أن كثافة الطاقة النظرية العالية (1,086 WH/kg) يجعلها واعدة للسيارات الكهربائية.
• تخزين الطاقة الحرارية: يخزن الزنك المنصهر الحرارة بكفاءة للتطبيقات الشمسية والصناعية.

5.3 البناء ومكافحة التآكل

غلفن الساخنة غمر الفولاذ في غلاية من ≥ 98 ٪ من الزنك المنصهر النقي في ~ 449 درجة مئوية لإيداع طبقة سبيكة Zn -Fe المعدنية التي تقاوم الصدأ والتآكل لعقود من الزمن.

ارتفاع درجة الحرارة ("دلتا جلفنة") في 560-630 درجة مئوية يخلق أصعب, طلاء أرق مع تطبيقات متخصصة في ورقة السيارات والأجهزة.
عندما إصلاح اللحام خرق طبقة الزنك, الدهانات الغنية بالزنك أو استعادة الزنك في الزنك ، لمقاومة التآكل دون ارتفاع درجة حرارة الركيزة الفولاذية.

• التسقيف والمزاريب: تسمح مقاومة التآكل في الزنك وقابليتها للتنقل في درجات حرارة عالية على تركيب سلس.
• الطلاء المعماري: تحمي الدهانات الغنية بالزنك الهياكل الفولاذية عن طريق التآكل التضحي.

5.4 اللحام والإلكترونيات

أثناء اللحام القوس من الصلب المجلفن, يتبخر الزنك عند ~ 871 درجة مئوية, أقل بكثير من نقطة ذوبان الصلب, تشكل مخاطر الإبادة والمخاطر المسامية; التهوية المناسبة والتصميم المشترك تخفف من هذه التحديات.

كلوريد الزنك تدفق (ذوبان ≈280 درجة مئوية) يخدم في إلكترونيات اللحام والأنابيب الصناعية, إزالة الأكاسيد وتعزيز الروابط المعدنية القوية دون الوصول إلى درجة حرارة ذوبان الزنك السائبة .

منخفضة. سبائك الزنك (على سبيل المثال, انصهار bi -in -zn -sn) تذوب بين 100-250 درجة مئوية, تمكين المقابس القابلة للانصهار وأجهزة السلامة الحرارية في أنظمة حماية الحرائق.

• لحام: الجنود في الزنك (على سبيل المثال, Zn-al) تذوب في 380-460 درجة مئوية, مناسب للانضمام إلى المعادن دون إتلاف مكونات حساسة.
• الإلكترونيات المطبوعة: الجسيمات النانوية الزنك تتيح تلبيد درجات الحرارة المنخفضة في دوائر مرنة.

5.5 تنمية السبائك

سبائك زاماك (Zn -al utectic عند 381 درجة مئوية) الجمع بين انخفاض M.P. مع ارتفاع السيولة, مثالي لالتقاط الضغوط عالية الضغط من المكونات المعقدة في صناعات السيارات والأجهزة.

سبائك الزنك المتخصصة, مثل المستحضرات المقاومة للزحف, تمديد درجات حرارة الخدمة التي تتجاوز 80-90 درجة مئوية عن طريق تخصيص محتوى AL و CU, تم تعديلها مباشرة عن طريق ذوبان اعتبارات نطاق.

يستكشف الأبحاث الطبية الحيوية سبائك Zn القابلة للتحلل للدخول والزرع; يضمن التحكم في مسارات نقطة الانصهار ومسارات التصلب التوافق الحيوي وقابلية المعالجة.

• سبائك زاماك: تستخدم في المجوهرات والأجهزة بسبب انخفاض نطاق ذوبانها (379-390 درجة مئوية) وقوة عالية.
• superalloys: الزنك يحسن مقاومة الزحف في مواد الفضاء عند سباقاته بالنيكل والميتانيوم.

6. تقنية القياس لنقطة ذوبان الزنك

6.1 طرق المختبر

6.2 الممارسة الصناعية

• البيرومتر غير المسبق
  أجهزة قياس البذور بالأشعة تحت الحمراء والبصرية تقيس برك الذوبان في خطوط الجلفنة.
• خلايا نقطة ثابتة
  NIST SRM1748 خلايا الزنك (99.9999 ٪) توفير هضبة تجميد مرجعية على 419.527 درجة مئوية (692.677ك) مع عدم اليقين ≤1.12mk, حيوية لنشرها 90.

7. مقارنة مع المعادن الأخرى

الزنك يجلس بين في و Cu; Tₘ المعتدل يناسب العديد من أدوار السبائك والمعايرة.

محول وحدة درجة الحرارة：

8. الأسئلة الشائعة

س 1: هل يذوب الزنك بسهولة في حريق المنزل?
أ: تصل حرائق المنزل إلى ~ 600 درجة مئوية - ضفد لذوبان الزنك (419.5درجة مئوية), لكن الفولاذ الهيكلي نادراً ما يتجاوز 500 درجة مئوية.

Q2: هل يمكن أن تثير الشوائب نقطة ذوبان الزنك?
أ: لا. عادة ما تشكل الشوائب مخاليطًا تنصفية, خفض نقطة الانصهار.

س 3: لماذا نقطة انصهار الزنك أقل من الألمنيوم?
أ: يقلل الروابط المعدنية الأضعف للزنك ودارات D..

س: يمكن أن يذوب الزنك في فرن المنزل?
أ: لا ينصح به بسبب مخاوف السلامة وإمكانية التسخين غير المتناسق.

س: لماذا تعتبر نقطة ذوبان الزنك مهمة في تنمية السبائك?
أ: يسمح بإنشاء مواد ذات خصائص مصممة لتطبيقات محددة.

9. خاتمة

تعكس نقطة ذوبان الزنك الترابط المعدني, HCP هندسة الكريستال, والمعلمات الديناميكية الحرارية (ΔHₘ, ΔSₘ).

في 419.53 درجة مئوية, إنه يوفر توازنًا في معالجة الطاقة المنخفضة والاستقرار الحراري, تدعم الجلفنة, صب, معايرة, وتصميم السبائك المتقدمة.

دورها كنقطة ثابتة في 90 يضمن دقة درجة الحرارة في جميع أنحاء العالم.

فهم العوامل - الأمن, ضغط, صناعة السبائك - إن تحول سلوك ذوبان الزنك يمكّن المهندسين والعلماء من تسخير خصائصه الفريدة في التطبيقات من حماية التآكل إلى القياس الحراري الدقيق.