1. 導入
1.1 リードとは何ですか?
鉛, 化学記号で PB (ラテン名から派生した 鉛) および原子番号 82, 濃いです, 柔らかい, 順応性のある移動後の金属.
カットしたときに明確な青みがかった白い光沢があります, 周囲空気の鈍い灰色の表面にすぐに酸化しますが.
の原子量で 207.2 g/mol, 鉛は最も重い安定した要素の1つであり、 11.34 g/cm³—その使用を形作った資格 9,000 年, 古代の配管システムから最新のバッテリー技術まで.
1.2 鉛の融点
鉛の融点はです 327.46℃ (621.43°F) 標準的な大気圧で (1 ATM).
この重要な熱特性は、産業プロセスでの鉛の振る舞いを定義しています, 科学研究, そして毎日のアプリケーション.
水銀などの揮発性金属とは異なります (室温で液体です) またはタングステンのような耐火物 (3,422°Cでの融解), 鉛は中盤を占有します。産業用炉では、ほとんどの周囲条件下では安定しています.
1.3 なぜ私たちは鉛の融点を知る必要があるのですか?
リードの融点を理解することは、3つの主な理由で不可欠です:
- 産業プロセスの最適化: メーカーは、このデータに依存して炉を設計します, 型型, リードの融解と形成のための安全プロトコル.
- 物質科学の基礎: 原子結合に関する洞察を提供します, 位相遷移, および合金行動 - 新しい材料を開発するための基本的な知識.
- 安全性と環境コンプライアンス: 鉛が蒸発する時期を知る (約500°C) 有毒な煙暴露による健康リスクを軽減するのに役立ちます, バッテリーリサイクルなどの業界の重要な関心事.
2. 鉛の基本的な特性
2.1 鉛の物理的および化学的特性
物理的特性:
| 財産 | 価値 |
|---|---|
| 融点 | 327.46℃ (621.43°F) |
| 沸点 | 1,749℃ (3,180°F) |
| 密度 (固体) | 11.34 g/cm3 |
| 密度 (液体) | 10.66 g/cm3 (350°Cで) |
| モル質量 | 207.2 g/mol |
| 結晶構造 | 顔中心の立方体 (FCC) |
| 熱伝導率 | 35.3 W/m・K (20°Cで) |
| 電気伝導率 | 5.96×10⁶S/m (20℃, 20% IACS) |
化学的性質:
- 耐食性: 保護酸化物層を形成します (PBO) 空中, 水や弱酸に耐性をもたらします.
- 酸との反応性: 硝酸と反応して硝酸鉛を形成しますが、室温で硫酸塩と塩酸に耐えます.
- 毒性: すべてのリード化合物は有毒です; 摂取または吸入は神経学を引き起こす可能性があります, 腎, および心血管損傷.
2.2 原子構造と融点への影響
鉛の原子構造 - 大きな原子半径によって特徴付けられます (175 PM) そして、比較的低いイオン化エネルギー (715 KJ/mol) - 弱い金属結合の結果.
その固体状態, 鉛原子はFCC格子に配置します, 各原子は非局在電子によって保持されています.
これらの弱い金属結合を破るために必要なエネルギー (融合のエンタルピー: 4.77 KJ/mol) 鉄のような遷移金属よりも大幅に低いです (13.8 KJ/mol), リードの比較的低い融点を説明します.
2.3 他の金属との比較
| 金属 | 融点 (℃) | リードとの重要な違い |
|---|---|---|
| 鉄 (鉄) | 1,538 | はるかに高い融点; D軌道のオーバーラップによる強力な金属結合. |
| アルミニウム (アル) | 660.32 | より高い融点, より小さな原子半径からの強い結合. |
| 錫 (sn) | 231.93 | 融点が低い; リードとともに使用して、低融合はんだを作成します. |
| 水銀 (HG) | -38.83 | 室温での液体; 弱い原子間力によるユニークな金属結合. |
鉛の融点は、スズのような低融合金属と鉄のような高販売構造金属との間の橋としてそれを配置します, 形成性と中程度の熱安定性の両方を必要とするアプリケーションに理想的なものにする.
3. 鉛の融点
3.1 鉛の融点は何ですか?
確立されている, 純粋な鉛が溶けます 327.46℃.
この価値は、アメリカのテストと材料協会のような組織によって標準化されています (ASTM) 国際温度尺度で参照されています (その90) 温度計を校正するための定義的な固定点として.
位相遷移の詳細:
- 固体から液体: 327.46°Cで, 鉛は熱を吸収して原子間力を克服します, 剛性のあるFCC格子から、原子がより自由に移動する流体構造に移行する.
- ボリュームの変更: 液体鉛は、ソリッドリードよりも6％密度が少ない, 金属間の一般的な特性 (水を除く, 凍結すると拡大します).
3.2 融点を測定する方法
実験方法:
- キャピラリーチューブ法:
- 少量の鉛粉末を毛細管に詰め込み、制御された速度で加熱します (10°C/min) 融点装置を使用します.
- 液体の最初の滴が表示される温度は、融点として記録されます.
- 微分走査熱量測定 (DSC):
- 位相の変化中にサンプルへの出入り. DSC曲線のピークは融点を示します, ピークの下の領域が融合のエンタルピーを計算しますが.
産業技術:
- 熱電対: プラチナロジウムまたはニッケル - クロミウム熱電対は、リアルタイムの温度モニタリングのために溶融鉛るつぼに挿入されます.
- 赤外線サーモグラフィ: 非接触センサーは、融解中の鉛インゴットの表面温度を測定します, 大規模なファウンドリの均一性を確保する.
3.3 鉛の融点に影響する要因
1. 鉛の純度
- 純粋なリード (99.9%): 最小限の過熱で327.46°Cで鋭く溶けます.
- 不純なリード:
- 合金要素: 錫, アンチモン, または、カルシウムが融点を下げます (例えば, 1% 鉛のスズは、融点を〜10°C減らします).
- 汚染物質: 高レベルの亜鉛または鉄は不均一な融解を引き起こす可能性があります, 局所的な固体または液体領域を引き起こします.
2. 合金組成
- 共晶合金: 混合物の可能な限り低い融点. 例えば, 鉛ティンシステムは、共有を形成します 61.9% スズ-38.1％のリード, で溶けます 183℃—144°C純粋なリードよりも低い.
- 固形溶液合金: 鉛ティモニー合金 (例えば, 5% アンチモン) 300〜320°Cの間の融点があります, 強さとキャスティブのバランス.
3. プレッシャー
圧力は通常の条件下では無視できる効果があります, Clausius-Clapeyronの方程式は、圧力を上げると、鉛の融点が約0.01°Cを引き上げると予測しています。 100 雰囲気.
これはほとんどのアプリケーションでは無関係ですが、地球のコアの地質学的研究では問題, 極端な圧力がリードの位相挙動に影響を与える可能性があります.
4. 鉛融解点のアプリケーション
4.1 鉛の産業用途
a. スズのはんだ付けと溶接
リードの低融点, Tinの湿潤特性と組み合わせる, 鉛ティンは、何十年もの間、業界標準をはんだりとはんだものにしました:
- ユートテクティックはんだ (60% PB-40％SN): 190〜220°Cで溶けます, リードフリーの規制の上昇前に電気部品に参加するのに最適.
- 高温はんだ (95% PB-5％SN): 315°Cで溶けます, 熱サイクリングに対する抵抗を必要とするアプリケーションで使用されます (例えば, 自動車電子機器).
鉛のないはんだへの現代シフト: 環境上の懸念のため, 産業は現在、ブリキまたはスズシルバーコッパー合金を使用しています, 鉛ベースのはんだは、ニッチな高解放性アプリケーションで持続しますが.
b. バッテリー製造
鉛蓄電池, 最も一般的な充電式バッテリー, グリッド生産のためにLeadの溶けやすさに依存しています:
- グリッドキャスト: 溶融リード (強度のための0.05〜0.1％のカルシウム) ポジティブグリッドと負のグリッドを形成するために型に注がれます.
- プレート形成: グリッドは鉛ペーストでコーティングされ、硬化しています, 融点により、バッテリーの動作中に安定性が確保されます (通常 <60℃).
4.2 クラフトと職人の使用法をリードします
a. 彫刻キャスティング
リードの低い融点と優れたキャスティブにより、小規模な彫刻や装飾品に人気がありました:
- 紛失したワックスキャスティング: 溶融鉛はセラミック型に注がれます, 青銅のような高販売金属よりも複雑な詳細をより簡単にキャプチャする.
- 歴史的なアーティファクト: 古代ローマの彫像と中世の教会の装飾品は、しばしばその作業性のために鉛を取り入れました.
b. おもちゃ製造 (歴史的および現代的な文脈)
- 歴史的使用: 20世紀後半まで, リードは兵士に投げ込まれました, ビー玉, そして、その低コストと成形の容易さによる置物.
- 現代の制限: 安全規制 (例えば, 米国のcpsia) おもちゃでリードを禁止しました, 亜鉛のようなプラスチックまたは非毒性の金属に置き換えられました.
4.3 放射線シールドおよび医療機器のアプリケーション
- 放射線シールド: ソリッドリードシートとレンガは、X線室と原子力施設で使用されています。:
- それらは室温で固体のままです, 恒久的な保護を提供します.
- 溶融鉛は、複雑なシールドニーズのためにカスタム型の金型に注ぐことができます (例えば, MRIマシン周辺).
- 医療用インプラント (歴史的): 過去に, 鉛箔は、放射線療法アプリケーターで使用されました, 最新のデバイスは、タングステン合金のようなより安全な材料を好みますが.
5. 鉛の融点の背後にある科学
5.1 熱力学的原理
溶融, または融合, 熱力学によって支配される位相遷移です:
- エンタルピー変化 (ΔH): 融解中は陽性 (鉛吸収 4.77 KJ/molは絆を破ります).
- エントロピーの変化 (ΔS): 原子が液体状態で移動の自由度を得るにつれて増加する (ΔS≈ 15 リードのj/mol・k).
- ギブスの自由エネルギー (Δg): Δg=ΔH - TΔS. 融解は、Δg=のときに発生します 0, 327.46°Cで, エンタルピーとエントロピーのバランス.
5.2 鉛の原子結合と融解における彼らの役割
鉛の金属結合は、遷移金属のものよりも弱いです:
- 大きな原子半径: 電子は核から遠く離れています, 静電引力を減らす.
- 満たされた電子殻: 鉛の価電子 (6s²6p²) Dブロック金属よりも非局在化されていません, 電子海の相互作用が弱くなります.
融解中, 熱エネルギーはこれらの弱い結合を克服します, FCC格子が、短距離原子秩序が持続する障害のある液体構造に崩壊することを可能にします.
5.3 鉛の融解プロセスと他の金属との比較
| 金属 | ボンドタイプ | 債券を破るエネルギー | 融解動作 |
|---|---|---|---|
| 鉛 | 弱い金属 | 低い (4.77 KJ/mol) | シャープな融点; 最小限の過熱. |
| 鉄 | 強いメタリック (d-oRVITALオーバーラップ) | 高い (13.8 KJ/mol) | 高温が必要です; 段階的位相遷移. |
| 錫 | 共有キャラクターのメタリック | 非常に低い (7.03 KJ/mol) | 簡単に溶けます; 低温合金で使用されます. |
鉛の融解プロセスは、鉄と比較して比較的単純です, 複数の結晶構造の変化を受けます (フェライトからオーステナイト) 溶ける前に.
6. 鉛合金とその融点
6.1 一般的な鉛合金
a. 鉛ティン合金
- 60/40 半田: 60% PB, 40% sn; 融点190〜220°C.
- 50/50 半田: 50% PB, 50% sn; 融点215〜230°C (作業性を向上させるためのより広い融解範囲).
b. 鉛ティモニー合金
- バビットメタル: 85% PB, 10% SB, 5% sn; 融点240〜280°C. 摩擦が低く、鋳造性が低いために裏地を持つために使用される.
- バッテリーグリッド: 94–97％pb, 3–6％SB; 融点〜310°C. アンチモンは融点を劇的に上げることなくグリッドを強化します.
c. 鉛カルシウム合金
- 99.9% PB, 0.1% ca: 融点〜325°C. カルシウムは、融点を純粋な鉛に近づけながら、バッテリーグリッドの耐食性を改善します.
6.2 合金が鉛の融点をどのように変えるか
- ユートテクティック効果: 2番目の金属を追加します (例えば, 錫) どちらの純粋な金属よりも低い融点を持つ共感性組成を作成できます.
- 固形溶液硬化: アンチモンのような要素は、鉛の格子を破壊します, 溶けるためにより多くのエネルギーが必要です, したがって、融点がわずかに増加します (例えば, 5% SBは融点を〜15°C上昇させます).
- 金属間化合物: 鉛ティン合金では、ユートティック組成を超えています, PBSNフォームのような金属間フェーズ, さまざまな融解温度を作成します (ぬるぬるした融解).
6.3 融点に基づく鉛合金の応用
| 合金タイプ | 融点範囲 | キーアプリケーション |
|---|---|---|
| 鉛ティン共生性 | 183℃ (シャープ) | 電気はんだ付け (歴史的) |
| 鉛のantimony | 240–320°C | ベアリング材料, バッテリーグリッド |
| 鉛カルシウム | 325–330°C | メンテナンスのないバッテリーグリッド |
| 鉛Zinc (レア) | 380–400°C | 特殊な腐食耐性コーティング |
7. よくある質問 (よくある質問)
Q1: 家庭用オーブンで溶融することができます?
あ: いいえ. 通常、家庭用オーブンは250〜275°Cで最大になります, 327.46°Cの鉛の融点のかなり下.
鉛を溶かすには工業用炉またはるつぼヒーターが必要です.
Q2: 鉛がアルミニウムよりも融点が低い理由?
あ: アルミニウムは、原子半径が小さく、その原子価電子密度が高いため、金属結合が強くなっています。 (3 価電子対. リード 4, しかし、アルミニウムではより非局在化されています), 溶けるためにより多くのエネルギーが必要です (660.32°C対. 327.46℃).
Q3: 溶融鉛はハンドルに危険です?
あ: はい. 溶融鉛は接触時に重度の火傷を引き起こし、500°Cを超える有毒蒸気を放出する可能性があります.
常に熱耐性PPEを使用してください, 手袋を含む, フェイスシールド, と呼吸者, 十分に換気された地域で.
Q4: Leadの融点はリサイクルにどのように影響しますか?
あ: 鉛の低融点はリサイクルを簡素化します - 皮膚の鉛は炉で溶けています (多くの場合、400〜500°Cで), 不純物を除去するためにフィルタリングされました, インゴットにリキャストします.
このエネルギー効率の高いプロセスにより、リードは最もリサイクルされた金属の1つになります (95% バッテリーのリサイクル率).
Q5: 400°C以上で溶ける鉛合金はありますか?
あ: はい. 銅やニッケルなどの高濃度の高融合金属を持つ合金は、400°Cを超える可能性があります.
例えば, 鉛銅合金 (10% 銅) 約450°Cで溶けることがあります, そのような合金は、鉛の固有の低融合の性質のためにまれですが.
Q6: なぜいくつかのソースがリードのわずかに異なる融点をリストするのですか?
あ: マイナーなバリエーション (±0.1°C) 圧力の違いから生じる可能性があります (例えば, 高度) または純度.
で標準値が報告されます 1 ATMと 99.99% 純度.
8. 結論
327.46°Cのリードの融点は、人類の歴史におけるその役割を形作った決定的な特徴です, 古代文明から現代産業まで.
このプロパティは、その原子構造と金属結合に根ざしています - 幅広いアプリケーションを除外してください, デリケートなはんだ付けから堅牢な放射線シールドまで, また、安全性と持続可能性に課題をもたらします.
私たちが環境に優しい未来に向かって移動するにつれて, リードの融点を理解することはさらに重要になります - リサイクルプロセスを最適化するかどうか, リードフリーの代替品の開発, または、厳格な環境規制へのコンプライアンスを確保します.
リードの物語は、単一の物理的な財産がイノベーションを促進する方法の証です, 産業慣行を定義します, 材料科学における有用性と責任の間の微妙なバランスを強調してください.
鉛の融点の科学を習得することによって, エンジニア, 研究者, また、メーカーはリスクを軽減しながら、独自の利点を活用し続けることができます, この古代の金属は急速に進化する世界に関連したままであることを保証する.
金属の融点の詳細: http://langhe-metal.com/blog/melting-point-of-metals/