Point de fusion du zinc

1. Introduction: Aperçu du point de fusion du zinc

Le point de fusion du zinc se trouve à 692,68k (419.53°C, 787.15° F), Un point fixe clé sur l'échelle de température ITS-90 sur laquelle l'industrie et la science s'appuient pour les étalonnages et le contrôle des processus.

Une substance pure fond à la température où ses phases solides et liquides coexistent en équilibre.

Sa température de fusion relativement basse - les ingénieurs alliés l'exploitent pour la coulée de mat.

1.1 Définition de base du point de fusion

Le point de fusion marque la température à laquelle les phases solides et liquides d'un matériau existent ensemble en équilibre à une pression donnée.

En pratique, on chauffe le solide jusqu'à ce qu'il atteigne cette température; Un apport de chaleur supplémentaire convertit le solide en liquide sans changer la température jusqu'à ce que le dernier cristal se dissout.

• Définition scientifique: Température à laquelle Gibbs Changement d'énergie libre (ΔG) pour solide → liquide est égal à zéro, Alors que l'enthalpie (ΔH) et entropie (ΔS) augmenter.
• Conditions standard: Sauf indication contraire, Rapport sur les points de fusion à 1ATM (101.325kpa).

Le zinc fond à 692.68K (419.53°C, 787.15° F) sous 1ATM, Le placer parmi les métaux de transition à baisse.

1.2 Informations générales sur le zinc

• Faits de base:
  • Numéro atomique: 30
  • Configuration d'électrons: [Ardente]3D & ⁰4S²
  • Catégorie: d-block, élément du groupe12
• Propriétés physiques:
  • Densité (20°C): 7.14g/cm³ (solide), 6.57g/cm³ (liquide à M.P.)
  • Chaleur de fusion: 7.32kJ / mol
  • Point d'ébullition: 1180K (907°C, 1665° F)

La liaison métallique du zinc provient d'électrons 4s délocalisés interagissant dans un réseau hexagonal rapproché, donnant une résistance à la liaison modérée et son point de fusion caractéristique.

1.3 Importance du zinc dans l'industrie et la vie quotidienne

1. Galvanisation
   Le revêtement en zinc sur l'acier protège contre la corrosion. Le point de fusion du zinc (~ 420 ° C) Permet des processus de pulvérisation ou de trempette dans des fours électriques ou de gaz économiques.
2. Moulage
   Une faible température de fusion permet des moulages à rabais fin pour l'automobile, matériel, et biens de consommation.
3. Batteurs
   Propriétés électrochimiques du zinc puissance alcaline et cellules zinc-air; Le point de fusion influence le recyclage et la fabrication d'électrodes.
4. Alliages
   Laiton (Cu -zn) et alliages de sécurité spécialisés à faible tentative (par ex., Métal de bois) tirer parti du comportement de fusion du zinc.

2. Point de fusion du zinc: Base physique et chimique

2.1 Structure atomique et types de liaisons de zinc

Les atomes de zinc transportent une coque en D remplie (3d¹⁰) et deux électrons 4s. La délocalisation de ces électrons 4S produit une liaison métallique, dont la force définit l'énergie requise pour la fusion.

• Coquilles d'électrons: 2,8,18,2
• Liaison: Principalement métallique; Aucun composant covalent directionnel.

2.2 Structure cristalline du zinc

Le zinc cristallise dans un hexagonal rapproché (HCP) treillis, avec deux atomes par cellule unitaire aux positions (1/3,2/3,1/4) et (2/3,1/3,3/4). Cet arrangement donne une efficacité d'emballage de ~ 74% et contribue à une enthalpie de fusion modérée.

2.3 Propriétés thermodynamiques du zinc

Ces valeurs reflètent l'énergie et le changement de trouble à mesure que le zinc transitions de sa forme de HCP solide à liquide.

3. Base thermodynamique du point de fusion

3.1 Principe thermodynamique du changement de phase

Au point de fusion, les énergies libres de Gibbs de solide (Gₛ) et liquide (Gₗ) Les phases coïncident (Δg = 0), satisfaisant:

$$Δg = ΔH - TΔS = 0$$ $$ΔS = frac{ΔH}{Tₘ} = frac{7.32× 10³ Mathrm{J / mol}}{692.68\ \mathrm{K}} \environ 10.57\ \mathrm{J /(mol · k)}.$$

où ΔH est l'enthalpie de la fusion et ΔS est l'entropie de la fusion.

3.2 Enthalpie de fusion et de point de fusion

Zinc Enthalpie de fusion (7.32kJ / mol) Définit la chaleur latente requise pour briser ses liaisons métalliques par mole d'atomes au dép.p.. Le rapport ΔH / Tₘ donne un changement d'entropie:

$$\mathrm{D}S=\frac{\mathrm{D}H}{T_m}=\frac{7.32\times {10}^3\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}{692.68\mathrm{K}}\approx 10.57\mathrm{J}\mathrm{/}(\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\cdot \mathrm{K})\mathrm{.}$$

3.3 Effet de la pression sur le point de fusion

Le point de fusion se déplace avec la pression selon la relation clausius - clapeyron:

 

$$\frac{dT}{dP}=\frac{\mathrm{D}V}{\mathrm{D}S},$$

 

où ΔV est le changement de volume lors de la fusion. Parce que le liquide du zinc est légèrement moins dense que son solide, Pression augmentant généralement augmentation Tₘ, Bien que la sensibilité reste faible par rapport aux transitions bouillantes.

4. Facteurs affectant le point de fusion du zinc

4.1 Effet de pureté

Les impuretés élargissent la plage de fusion et dépriment tₘ. Même les contaminants de niveau PPM en zinc déplacent son liquide vers le bas et étendent sa gamme pâteuse, une préoccupation clé pour les cellules d'étalonnage.

• Zinc de haute pureté: Zinc ultra-pure (≥99,99%) présente un point de fusion vif à 419,58 ° C.
• Impuretés:
  • Plomb (PB): Abaisse le point de fusion à ~ 400 ° C en perturbant le réseau cristallin .
  • Fer (Fe): Augmente le point de fusion en raison de la formation de composés intermétalliques.

4.2 Pression et conditions environnementales

Environnements à haute pression (par ex., >1GPa) peut modifier le tₘ de zinc par des dizaines de degrés, mais les processus industriels à la pression quasi-ambiante voir un changement négligeable.

• Altitude: Une pression atmosphérique réduite à haute altitude baisse marèrement le point de fusion (par ex., 419.5° C au niveau de la mer Vs. ~ 419 ° C à 5,000 mètres).
• Oxydation: Oxyde de zinc (ZnO) formes à des températures élevées, Augmenter le point de fusion effectif en raison de sa température de fusion plus élevée (1,975°C).

4.3 Effet d'alliage

Ajout d'éléments (Cu, Al, Mg) forme des alliages avec un comportement eutectique ou péritectique. Laiton (≈60% cu,40%Zn) fond entre 900 et 940 ° C, bien au-dessus du zinc pur, Alors que les alliages de sécurité (par ex., Bi - in - zn - sn) Exploiter le bas M.P du zinc. Pour créer des liens fusibles autour de 100 à 250 ° C.

• Alliages de zinc-aluminium:
  • La teneur en Al de 4 à 11% abaisse le point de fusion à 380–460 ° C, idéal pour moulage sous pression.
• Alliages zamak:
  • Charges 12 (Zn-al-C) fond à 377–432 ° C, Équilibrage de la force et de la couchabilité.
• Laiton (Zn-Cu):
  • Le point de fusion diminue de 1 085 ° C (Cu pur) à 900–940 ° C avec 30% Zn.

5. Applications pratiques du point de fusion du zinc

5.1 Métallurgie industrielle et casting

Le zinc fond à seulement 419,5 ° C, considérablement inférieur à la compétition point de fusion de l'aluminium (648.8 ° C), qui se traduit par des températures de fournaises plus basses et des économies d'énergie dans les opérations de casse.

La casse-pure de chambre à chaud plonge le système d'injection directement dans le zinc fondu, capitaliser sur la fluidité du zinc à de basses températures pour atteindre la paroi mince, Pièces de socle net jusqu'à 0,13 mm d'épaisseur.

Le zinc donne près de 100% de recyclabilité; La ferraille et les splues conservent leur qualité métallurgique et leur se remontage sans dégradation, Réduction des déchets et de l'empreinte carbone par rapport à d'autres matériaux de coulée.

• Moulage sous pression: Le faible point de fusion du zinc réduit la consommation d'énergie et l'usure des outils, Activation de la production de masse de composants pour l'automobile et l'électronique.
• Galvanisation: Zinc fondu (450–460 ° C) manteaux, Former une couche résistante à la corrosion via des processus à chaud.

5.2 Batteries et champs d'énergie

Les processus de récupération thermique chauffent les résidus de batterie à plus de 1200 ° C, volatiliser les organiques et permettre une récupération du zinc à 99% avec une pureté à 97% - paramètres directement guidés par le comportement de fusion et de vaporisation du zinc.

Dans les cellules rechargeables en zinc et en alcalines, Le traitement en zinc fondu informe le recyclage des électrodes et les workflows de remise à neuf, Assurer l'intégrité des matériaux et les solutions de stockage d'énergie rentables.

• Batteries au zinc: Le point de fusion faible du zinc aide à la production d'anode, tandis que sa forte densité d'énergie théorique (1,086 Wh / kg) le rend prometteur pour les véhicules électriques.
• Stockage d'énergie thermique: Le zinc fondu stocke la chaleur efficacement pour les applications solaires et industrielles.

5.3 Construction et anti-corrosion

La galvanisation à chaud plongea l'acier dans une bouilloire de ≥98% de zinc fondu pur à ~ 449 ° C pour déposer une couche d'alliage Zn - Fe liée métallurgiquement qui résiste à la rouille et à l'abrasion pendant des décennies.

Galvanisation à haute température («Delta Galvanising») à 560–630 ° C crée un, revêtement plus mince avec des applications spécialisées sur la feuille automobile et le matériel.
Lorsque les réparations de la soudure frappent la couche de zinc, peintures riches en zinc ou flamme de la résistance à la corrosion de restauration du zinc sans surchauffer le substrat en acier.

• Toiture et gouttières: La résistance à la corrosion du zinc et la malléabilité à des températures élevées permettent une installation transparente.
• Revêtements architecturaux: Les peintures riches en zinc protègent les structures en acier en corrodant sacrificiellement.

5.4 Soudage et électronique

Pendant le soudage à l'arc de l'acier galvanisé, Le zinc se vaporise à ~ 871 ° C, bien en dessous du point de fusion de l'acier, Posant les dangers des fusions et risque de porosité; Une bonne ventilation et une conception conjointe atténuent ces défis.

Flux de chlorure de zinc (fondre ≈280 ° C) sert à la soudure électronique et à la tuyauterie industrielle, Élimination des oxydes et promouvant des liaisons métalliques fortes sans atteindre la température de fusion en vrac du zinc .

Bas. alliages basés sur le zinc (par ex., bi - in-zn - zn) fondre entre 100 et 250 ° C, Permettre des bouchons fusibles et des dispositifs de sécurité thermique dans les systèmes de protection incendie.

• Soudure: Soldats à base de zinc (par ex., Zn-al) fondre à 380–460 ° C, Convient pour rejoindre les métaux sans endommager les composants sensibles.
• Électronique imprimée: Les nanoparticules de zinc permettent un frittage à basse température dans des circuits flexibles.

5.5 Développement

Alliages zamak (Zn - Al eutectique à 381 ° C) combiner basse m.p. avec une fluidité élevée, Idéal pour la basse à haute pression des composants complexes dans les industries de l'automobile et du matériel.

Alliages de zinc spécialisés, comme les formulations résistantes au fluage, Étendre les températures de service supérieures à 80–90 ° C en adaptant le contenu AL et CU, directement modulé par des considérations de plage de fusion.

La recherche biomédicale explore les alliages Zn biodégradables pour les stents et les implants; Le contrôle des chemins de fusion et des chemins de solidification assure la biocompatibilité et la procédabilité.

• Alliages zamak: Utilisé dans les bijoux et le matériel en raison de leur gamme de fusion basse (379–390 ° C) et haute résistance.
• Superalliages: Le zinc améliore la résistance au fluage dans les matériaux aérospatiaux lorsqu'il est allié avec du nickel et du titane.

6. Technologie de mesure pour le point de fusion du zinc

6.1 Méthodes de laboratoire

6.2 Pratique industrielle

• Pyrométrie sans contact
  Les pyromètres infrarouges et optiques mesurent les bassins de fonte dans les lignes galvanisantes.
• Cellules à point fixe
  NIST SRM1748 Cellules de zinc (≥99,9999%) Fournir un plateau de congélation de référence à 419,527 ° C (692.677K) avec incertitude ≤1,12 mk, Vital pour la dissémination ITS-90.

7. Comparaison avec d'autres métaux

Le zinc se trouve entre dans et Cu; son Tₘ modéré s'adapte à de nombreux rôles d'alliage et d'étalonnage.

Convertisseur d'unité de température：

8. FAQ

Q1: Le zinc fonde-t-il facilement dans un incendie de maison?
UN: Les incendies de maison atteignent ~ 600 ° C - suffisant pour faire fondre le zinc (419.5°C), mais l'acier de structure dépasse rarement 500 ° C.

Q2: Les impuretés peuvent-elles augmenter le point de fusion du zinc?
UN: Non. Les impuretés forment généralement des mélanges eutectiques, abaissant le point de fusion.

Q3: Pourquoi le point de fusion de Zinc est-il inférieur à celui de l'aluminium?
UN: Les obligations métalliques plus faibles du zinc et les orbitales D remplies réduisent la résistance aux obligations.

Q: Le zinc peut-il être fondu dans un four à domicile?
UN: Non recommandé en raison de problèmes de sécurité et de potentiel de chauffage incohérent.

Q: Pourquoi le point de fusion du zinc est-il important dans le développement des alliages?
UN: Il permet la création de matériaux avec des propriétés sur mesure pour des applications spécifiques.

9. Conclusion

Le point de fusion du zinc reflète sa liaison métallique, Géométrie de cristal HCP, et paramètres thermodynamiques (ΔHₘ, ΔSₘ).

À 419,53 ° C, Il offre un équilibre de traitement à faible énergie et de stabilité thermique, sous-tendre la galvanisation, fonderie, étalonnage, et conception avancée en alliage.

Son rôle de point fixe ITS-90 assure la précision de la température dans le monde entier.

Comprendre les facteurs - Pureté, pression, ALLIAGE - Ce changement de comportement de fusion de Zinc permet aux ingénieurs et aux scientifiques d'exploiter ses propriétés uniques dans les applications de la protection contre la corrosion à la thermométrie de précision.