Titik lebur plumbum

1. Pengenalan

1.1 Apa yang memimpin?

Memimpin, dengan simbol kimia Pb (berasal dari nama Latinnya plumbum) dan nombor atom 82, adalah padat, lembut, logam pasca peralihan yang mudah dibentuk.

Ia mempunyai kilauan putih kebiruan yang berbeza ketika dipotong baru, Walaupun ia dengan cepat mengoksidakan ke permukaan kelabu yang membosankan di udara ambien.

Dengan berat atom 207.2 g/mol, Lead adalah salah satu unsur yang paling berat dan mempunyai ketumpatan 11.34 G/cm³ -KELUARGA yang telah membentuk penggunaannya lebih dari 9,000 tahun, dari sistem paip kuno ke teknologi bateri moden.

1.2 Titik lebur plumbum

Titik lebur plumbum adalah 327.46°C (621.43° f) pada tekanan atmosfera standard (1 atm).

Harta termal kritikal ini mentakrifkan bagaimana plumbum bertindak dalam proses perindustrian, Penyelidikan saintifik, dan aplikasi setiap hari.

Tidak seperti logam yang tidak menentu seperti merkuri (yang cair pada suhu bilik) atau logam refraktori seperti tungsten (lebur pada 3,422 ° C.), Memimpin menduduki tanah pertengahan -senang meleleh di relau perindustrian namun stabil di bawah keadaan ambien.

1.3 Mengapa Kita Perlu Mengetahui Titik Pencairan Lead?

Memahami titik lebur plumbum adalah penting untuk tiga sebab utama:

1. Pengoptimuman Proses Perindustrian: Pengilang bergantung pada data ini untuk merancang relau, acuan pemutus, dan protokol keselamatan untuk mencair dan membentuk plumbum.
2. Asas Sains Bahan: Ia memberikan pandangan tentang ikatan atom, Peralihan fasa, dan pengetahuan tingkah laku aloi untuk membangunkan bahan -bahan baru.
3. Pematuhan keselamatan dan alam sekitar: Mengetahui ketika memimpin menguap (Sekitar 500 ° C.) Membantu mengurangkan risiko kesihatan dari pendedahan asap toksik, kebimbangan utama dalam industri seperti kitar semula bateri.

2. Sifat Asas Lead

2.1 Sifat fizikal dan kimia plumbum

Sifat Fizikal:

Sifat kimia:

• Rintangan Kakisan: Membentuk lapisan oksida pelindung (Pbo) di udara, menjadikannya tahan air dan asid lemah.
• Kereaktifan dengan asid: Bertindak balas dengan asid nitrik untuk membentuk nitrat plumbum tetapi menentang asid sulfur dan hidroklorik pada suhu bilik.
• Ketoksikan: Semua sebatian utama adalah toksik; pengambilan atau penyedutan boleh menyebabkan neurologi, buah pinggang, dan kerosakan kardiovaskular.

2.2 Struktur atom dan kesannya pada titik lebur

Struktur atom plumbum -dicirikan oleh jejari atom yang besar (175 pm) dan tenaga pengionan yang agak rendah (715 kJ/mol)-Mengesali ikatan logam yang lemah.

Dalam keadaan pepejalnya, atom utama mengatur dalam kekisi FCC, di mana setiap atom dipegang oleh elektron yang diselaraskan.

Tenaga yang diperlukan untuk memecahkan ikatan logam yang lemah ini (entalpi gabungan: 4.77 kJ/mol) jauh lebih rendah daripada logam peralihan seperti besi (13.8 kJ/mol), Menjelaskan titik lebur yang agak rendah.

2.3 Perbandingan dengan logam lain

Titik lebur plumbum meletakkannya sebagai jambatan antara logam lebur rendah seperti timah dan logam struktur lebur tinggi seperti besi, menjadikannya sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kedua -dua kebolehbaburan dan kestabilan terma sederhana.

3. Titik lebur plumbum

3.1 Apakah titik lebur plumbum?

Seperti yang ditetapkan, Lead murni cair di 327.46°C.

Nilai ini diseragamkan oleh organisasi seperti Persatuan Amerika untuk Ujian dan Bahan (ASTM) dan dirujuk dalam Skala Suhu Antarabangsa (ITS-90) Sebagai titik tetap yang menentukan untuk menentukur termometer.

Butiran Peralihan Fasa:

• Pepejal kepada cecair: Pada 327.46 ° C., memimpin menyerap haba untuk mengatasi daya interatomik, Peralihan dari kekisi FCC yang tegar ke struktur bendalir di mana atom bergerak lebih bebas.
• Perubahan kelantangan: Pemimpin cecair adalah ~ 6% kurang padat daripada plumbum pepejal, sifat umum di kalangan logam (kecuali air, yang berkembang ketika membeku).

3.2 Cara mengukur titik lebur

Kaedah makmal:

1. Kaedah tiub kapilari:

• Sebilangan kecil serbuk plumbum dibungkus ke dalam tiub kapilari dan dipanaskan pada kadar terkawal (10° C/min) Menggunakan radas titik lebur.
• Suhu di mana penurunan cecair pertama muncul direkodkan sebagai titik lebur.

2. Kalorimetri pengimbasan pembezaan (DSC):

• Mengukur aliran haba ke dalam atau keluar dari sampel semasa perubahan fasa. Puncak di lengkung DSC menunjukkan titik lebur, sementara kawasan di bawah puncak mengira entalpi gabungan.

Teknik Perindustrian:

• Thermocouples: Thermocouples platinum-rhodium atau nikel-kromium dimasukkan ke dalam crucibles plumbum cair untuk pemantauan suhu masa nyata.
• Thermography inframerah: Sensor tidak hubungan mengukur suhu permukaan jongkong plumbum semasa lebur, memastikan keseragaman dalam foundries berskala besar.

3.3 Faktor yang mempengaruhi titik lebur plumbum

1. Kesucian plumbum

• Lead tulen (99.9%): Mencairkan secara mendadak pada 327.46 ° C dengan superheating minimum.
• Memimpin tidak suci:
• Elemen aloi: timah, antimoni, atau kalsium menurunkan titik lebur (cth., 1% Tin dalam plumbum mengurangkan titik lebur sebanyak ~ 10 ° C).
• Bahan cemar: Tahap zink atau besi yang tinggi boleh mencairkan heterogen, menyebabkan kawasan pepejal atau cecair setempat.

2. Komposisi aloi

• Aloi eutektik: Titik lebur yang paling rendah untuk campuran. Contohnya, Sistem endangan utama membentuk eutektik di 61.9% Tin-38.1% memimpin, lebur di 183°C-144 ° C lebih rendah daripada plumbum tulen.
• Aloi penyelesaian pepejal: Aloi plumbum-antimoni (cth., 5% antimoni) mempunyai titik lebur antara 300-320 ° C, mengimbangi kekuatan dan kebolehan.

3. Tekanan

Walaupun tekanan mempunyai kesan yang tidak dapat diabaikan dalam keadaan normal, Persamaan Clausius-Clapeyron meramalkan bahawa peningkatan tekanan menimbulkan titik lebur plumbum dengan ~ 0.01 ° C per 100 atmosfera.

Ini tidak relevan untuk kebanyakan aplikasi tetapi perkara dalam kajian geologi teras Bumi, di mana tekanan melampau boleh menjejaskan tingkah laku fasa plumbum.

4. Aplikasi titik lebur plumbum

4.1 Aplikasi Perindustrian Lead

a. Pematerian timah dan kimpalan

Titik lebur yang rendah, Digabungkan dengan sifat pembasahan timah, Membuat Solders Lead-Tin Standard Industri selama beberapa dekad:

• Solder eutektik (60% PB-40% SN): Mencairkan pada 190-220 ° C., Sesuai untuk menyertai komponen elektrik sebelum kebangkitan peraturan bebas plumbum.
• Solder suhu tinggi (95% PB-5% SN): Mencairkan pada suhu 315 ° C., digunakan dalam aplikasi yang memerlukan rintangan terhadap berbasikal terma (cth., elektronik automotif).

Peralihan moden kepada Solder tanpa plumbum: Kerana kebimbangan alam sekitar, Industri kini menggunakan aloi tembaga atau tembaga timah timah, Walaupun Solder berasaskan plumbum berterusan dalam aplikasi kebolehpercayaan tinggi.

b. Pembuatan bateri

Bateri asid plumbum, bateri yang boleh dicas semula yang paling biasa, bergantung pada kebolehgunaan plumbum untuk pengeluaran grid:

1. Pemutus Grid: Memimpin cair (dengan kalsium 0.05-0.1% untuk kekuatan) dicurahkan ke dalam acuan untuk membentuk grid positif dan negatif.
2. Pembentukan plat: Grid disalut dengan pes utama dan sembuh, dengan titik lebur memastikan kestabilan semasa operasi bateri (biasanya <60°C).

4.2 Memimpin dalam kerajinan dan kegunaan artisan

a. Pemutus patung

Titik lebur yang rendah dan kebolehkerjaan yang sangat baik menjadikannya popular untuk patung-patung kecil dan barang hiasan:

• Casting-casting: Lead cair dicurahkan ke dalam acuan seramik, Menangkap butiran rumit lebih mudah daripada logam lebur yang lebih tinggi seperti gangsa.
• Artifak sejarah: Patung -patung Rom kuno dan perhiasan gereja zaman pertengahan sering menggabungkan memimpin untuk kebolehmampuannya.

b. Pembuatan mainan (Konteks sejarah dan moden)

• Penggunaan sejarah: Sehingga akhir abad ke -20, Lead dilemparkan ke tentera, guli, dan patung -patung kerana kos rendah dan kemudahan pencetakan.
• Sekatan moden: Peraturan keselamatan (cth., CPSIA di A.S.) telah mengharamkan memimpin dalam mainan, digantikan oleh logam plastik atau bukan toksik seperti zink.

4.3 Aplikasi dalam Perlindungan Sinaran dan Peranti Perubatan

• Pelindung radiasi: Lembaran dan batu bata pepejal digunakan di bilik X-ray dan kemudahan nuklear kerana:
• Mereka tetap kukuh pada suhu bilik, menyediakan perlindungan kekal.
• Lead cair boleh dicurahkan ke dalam acuan berbentuk tersuai untuk keperluan perisai kompleks (cth., sekitar mesin MRI).
• Implan Perubatan (Sejarah): Pada masa lalu, Kerajang plumbum digunakan dalam aplikator terapi radiasi, Walaupun peranti moden memihak kepada bahan yang lebih selamat seperti aloi tungsten.

5. Sains di sebalik titik lebur Lead

5.1 Prinsip Thermodynamic

Lebur, atau gabungan, adalah peralihan fasa yang ditadbir oleh termodinamik:

• Perubahan entalpi (ΔH): Positif semasa lebur (Memimpin menyerap 4.77 kj/mol untuk memecahkan bon).
• Perubahan entropi (ΔS): Meningkat apabila atom mendapat kebebasan bergerak dalam keadaan cair (Δs ≈ 15 J/mol · k untuk plumbum).
• Tenaga Percuma Gibbs (Δg): ΔG = ΔH - TΔS. Lebur berlaku apabila ΔG = 0, yang pada 327.46 ° C., Mengimbangi istilah entalpi dan entropi.

5.2 Ikatan atom memimpin dan peranan mereka dalam mencairkan

Bon logam plumbum lebih lemah daripada yang ada dalam logam peralihan kerana:

1. Radius atom yang besar: Elektron jauh dari nukleus, Mengurangkan tarikan elektrostatik.
2. Cangkang elektron yang dipenuhi: Elektron valensi plumbum (6S²6p²) kurang diselaraskan daripada logam blok D, membawa kepada interaksi laut elektron yang lebih lemah.

Semasa lebur, Tenaga haba mengatasi ikatan lemah ini, Membenarkan kekisi FCC untuk hancur menjadi struktur cecair yang tidak teratur di mana susunan atom jarak pendek berterusan.

5.3 Perbandingan proses lebur plumbum dengan logam lain

Proses lebur plumbum agak mudah berbanding besi, yang mengalami banyak perubahan struktur kristal (Ferritic ke Austenitic) sebelum lebur.

6. Aloi utama dan titik lebur mereka

6.1 Aloi plumbum biasa

a. Aloi utama

• 60/40 Solder: 60% Pb, 40% Sn; Titik lebur 190-220 ° C..
• 50/50 Solder: 50% Pb, 50% Sn; Titik lebur 215-230 ° C. (julat lebur yang lebih luas untuk peningkatan kebolehkerjaan).

b. Aloi plumbum-antimoni

• Babbitt Metal: 85% Pb, 10% Sb, 5% Sn; Titik lebur 240-280 ° C.. Digunakan untuk melayari galas kerana geseran yang rendah dan kebolehpercayaan yang baik.
• Grid bateri: 94-97% PB, 3-6% SB; titik lebur ~ 310 ° C.. Antimon menguatkan grid tanpa secara drastik menaikkan titik lebur.

c. Aloi utama-kalsium

• 99.9% Pb, 0.1% Ca: Titik lebur ~ 325 ° C.. Kalsium meningkatkan ketahanan kakisan dalam grid bateri sambil mengekalkan titik lebur yang dekat dengan plumbum tulen.

6.2 Bagaimana aloi mengubah titik lebur plumbum

• Kesan eutektik: Menambah logam kedua (cth., timah) boleh menghasilkan komposisi eutektik dengan titik lebur yang lebih rendah daripada logam tulen.
• Pengerasan penyelesaian pepejal: Unsur -unsur seperti Antimon Mengganggu Kisi Lead, Memerlukan lebih banyak tenaga untuk mencairkan, dengan itu sedikit meningkatkan titik lebur (cth., 5% SB menimbulkan titik lebur sebanyak ~ 15 ° C).
• Sebatian intermetallic: Dalam aloi utama di luar komposisi eutektik, fasa intermetallic seperti bentuk PBSN, mewujudkan pelbagai suhu lebur (lebur lebat).

6.3 Aplikasi aloi plumbum berdasarkan titik lebur

7. Soalan yang sering ditanya (Soalan Lazim)

Q1: Boleh memimpin cair dalam ketuhar rumah tangga?

A: Tidak. Ketuhar isi rumah biasanya maksimum pada 250-275 ° C, Jauh di bawah titik lebur Lead 327.46 ° C.

Tungku perindustrian atau pemanas yang boleh dicairkan untuk mencairkan plumbum.

S2: Mengapa Lead mempunyai titik lebur yang lebih rendah daripada aluminium?

A: Aluminium mempunyai jejari atom yang lebih kecil dan ikatan logam yang lebih kuat kerana ketumpatan elektron valensi yang lebih tinggi (3 Elektron valensi vs.. Lead's 4, tetapi lebih banyak diselaraskan dalam aluminium), Memerlukan lebih banyak tenaga untuk mencairkan (660.32° C vs.. 327.46°C).

Q3: Adakah memimpin cair berbahaya untuk mengendalikan?

A: ya. Lead cair boleh menyebabkan luka bakar teruk pada sentuhan dan melepaskan wap toksik melebihi 500 ° C.

Sentiasa gunakan PPE tahan panas, termasuk sarung tangan, perisai muka, dan pernafasan, di kawasan pengudaraan yang baik.

Q4: Bagaimana titik lebur plumbum mempengaruhi kitar semula?

A: Titik lebur yang rendah memudahkan kitar semula -memimpin scrap cair di relau (selalunya pada 400-500 ° C.), ditapis untuk menghilangkan kekotoran, dan masuk ke dalam jongkong.

Proses cekap tenaga ini menjadikan LEAD salah satu logam yang paling dikitar semula (95% kadar kitar semula untuk bateri).

S5: Adakah terdapat aloi plumbum yang mencairkan di atas 400 ° C?

A: ya. Aloi dengan kepekatan tinggi logam lebur tinggi seperti tembaga atau nikel boleh melebihi 400 ° C.

Contohnya, aloi tembaga plumbum (10% Cu) boleh mencairkan sekitar 450 ° C, Walaupun aloi sedemikian jarang berlaku disebabkan oleh sifat peluncuran rendah yang memimpin.

S6: Mengapa beberapa sumber menyenaraikan titik lebur yang sedikit berbeza untuk memimpin?

A: Variasi kecil (± 0.1 ° C.) boleh mengakibatkan perbezaan tekanan (cth., ketinggian) atau kesucian.

Nilai standard dilaporkan pada 1 atm dan 99.99% kesucian.

8. Kesimpulan

Titik lebur plumbum 327.46 ° C adalah ciri yang menentukan yang telah membentuk peranannya dalam sejarah manusia, dari tamadun kuno ke industri moden.

Harta ini berakar umbi dalam struktur atom dan ikatan logam -membolehkan pelbagai aplikasi, dari pematerian halus hingga pelindung radiasi yang mantap, sementara juga menimbulkan cabaran dalam keselamatan dan kemampanan.

Semasa kita bergerak ke arah masa depan yang lebih hijau, Memahami titik lebur Lead menjadi lebih kritikal -sama ada mengoptimumkan proses kitar semula, Membangunkan alternatif bebas plumbum, atau memastikan pematuhan peraturan alam sekitar yang ketat.

Kisah Lead adalah bukti bagaimana harta fizikal tunggal dapat memacu inovasi, Tentukan amalan perindustrian, dan menyerlahkan keseimbangan antara utiliti dan tanggungjawab dalam sains bahan.

Dengan menguasai sains titik lebur plumbum, jurutera, penyelidik, dan pengeluar boleh terus memanfaatkan kelebihannya yang unik semasa mengurangkan risiko, memastikan logam purba ini tetap relevan dalam dunia yang pesat berkembang.

Maklumat lanjut mengenai titik lebur logam: http://langhe-metal.com/blog/melting-point-of-metals/