Bod topenia zinku

1. Zavedenie: Prehľad bodu topenia zinku

Bod topenia zinku sedí na 692,68k (419.53°C, 787.15° F), kľúčový pevný bod na stupnici teploty ITS -90, na ktorý sa odvetvie a veda spoliehajú na kalibrácie a riadenie procesov.

Čistá látka sa topí pri teplote, kde jej tuhá a kvapalná fáza koexistujú v rovnováhe.

Jeho relatívne nízka teplota topenia - inžinieri, ktorí ju využívajú na odlievanie a galvanizáciu -, vďaka svojej tepelnej robustnosti robí zinok nedostupný naprieč odvetviami.

1.1 Základná definícia bodu topenia

Bod topenia označuje teplotu, pri ktorej existujú pevné a kvapalné fázy materiálu v rovnováhe pri danom tlaku.

V praxi, Jeden zahrieva tuhú látku, až kým nedosiahne túto teplotu; Ďalší príjem tepla premieňa tuhú látku na kvapalinu bez zmeny teploty, až kým sa posledný kryštál nerozpustí.

• Vedecká definícia: Teplota, pri ktorej sa menia voľná energia Gibbs (ΔG) pre pevnú → kvapalinu sa rovná nule, zatiaľ čo entalpia (ΔH) a entropia (ΔS) zvýšenie.
• Štandardné podmienky: Pokiaľ nie je uvedené inak, Správa o tavení na 1atm (101.325KPA).

Zinok sa topí na 692.68Klimatizovať (419.53°C, 787.15° F) pod 1ATM, Umiestnite ho medzi prechodné kovy s nižším počtom časov.

1.2 Základné informácie o zinku

• Základné fakty:
  • Atómové číslo: 30
  • Konfigurácia elektrónov: [Ar]3D & ⁰4s²
  • Kategória: d -blok, prvok skupiny12
• Fyzické vlastnosti:
  • Hustota (20°C): 7.14g/cm³ (tuhý), 6.57g/cm³ (kvapalina na M.P.)
  • Horúčavy fúzie: 7.32kj/mol
  • Bod varu: 1180Klimatizovať (907°C, 1665° F)

Kovové väzby zinku vznikajú z delokalizovaných 4S elektrónov interagujúcich v šesťuholníkovej blízkosti mriežky, poskytuje miernu pevnosť väzby a jeho charakteristický bod topenia.

1.3 Dôležitosť zinku v priemysle a každodennom živote

1. Galvanizácia
   Zinkový povlak na oceli chráni pred koróziou. Bod topenia zinku (~ 420 ° C) umožňuje procesy rozprašovania alebo ponorenia v ekonomických elektrických alebo plynových peciach.
2. Odlievanie
   Nízka teplota topenia umožňuje odliatky s jemnými odliatkami pre automobilový priemysel, hardvér, a spotrebný tovar.
3. Batérie
   Elektrochemické vlastnosti zinku Power alkalických a zinkových buniek; Vplyv topenia vplyvy recyklácie a výroby elektród.
4. Zliatiny
   Mosadz (Cu -zn) a špecializované zliatiny bezpečnosti s nízkym členom (napr., Kov dreva) Pákový taviaci správanie zinku.

2. Bod topenia zinku: Fyzikálny a chemický základ

2.1 Atómová štruktúra a typy väzieb zinku

Atómy zinku nesú naplnenú D -šikan (3d⁰⁰) a dva elektróny 4S. Delokalizácia týchto 4S elektrónov produkuje kovové väzby, ktorého sila nastavuje energiu potrebnú na topenie.

• Elektrónové škrupiny: 2,8,18,2
• Spájanie: Prevažne kovový; Žiadna smerová kovalentná zložka.

2.2 Kryštálová štruktúra zinku

Zinok kryštalizuje v a šesťuholníkovitý (HCP) mriežka, s dvoma atómami na jednotku bunky v pozíciách (1/3,2/3,1/4) a (2/3,1/3,3/4). Toto usporiadanie poskytuje účinnosť balenia ~ 74% a prispieva k miernej entalpie topenia.

2.3 Termodynamické vlastnosti zinku

Tieto hodnoty odrážajú zmenu energie a poruchy ako prechod zinku z jeho pevnej formy HCP na kvapalinu.

3. Termodynamický základ roztavenia

3.1 Termodynamický princíp fázovej zmeny

V bode topenia, Gibbs bezplatné energie tuhých látok (Gₛ) a tekutina (Gₗ) fázy sa zhodujú (ΔG = 0), uspokojujúci:

$$ΔG = ΔH - TAS = 0$$ $$Δs = frac{ΔH}{Tₘ} = frac{7.32× 10³ Mathrm{J/mol}}{692.68\ \matematika{Klimatizovať}} \približne 10.57\ \matematika{J/(mol · k)}.$$

kde ΔH je entalpia fúzie a AS je entropia fúzie.

3.2 Entalpia fúzie a bodu topenia

Zinkový entalpia fúzie (7.32kj/mol) Definuje latentné teplo potrebné na prelomenie kovových väzieb na mól atómov na M.P.. Pomer ΔH/tₘ poskytuje zmenu entropie:

$$\mathrm{D}\mathrm{Siež}=\frac{\mathrm{D}H}{{\mathrm{Tón}}_m}=\frac{7.32\times {10}^3\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}}{692.68\mathrm{Klimatizovať}}\approx 10.57\mathrm{J}\mathrm{/}(\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}\cdot \mathrm{Klimatizovať})\mathrm{.}$$

3.3 Vplyv tlaku na bod topenia

Pohyby topenia s tlakom podľa vzťahu Clausius -Clapeyron:

 

$$\frac{d\mathrm{Tón}}{dP}=\frac{\mathrm{D}V}{\mathrm{D}\mathrm{Siež}},$$

 

kde ΔV je zmena objemu pri topení. Pretože tekutina zinku je o niečo menej hustá ako jej pevná látka, Zvyšovanie tlaku všeobecne zvýšenie Tₘ, Hoci citlivosť zostáva v porovnaní s prechodmi varu malá.

4. Faktory ovplyvňujúce bod topenia zinku

4.1 Účinok čistoty

Nečistoty rozširujú rozsah topenia a depresia tₘ. Dokonca aj kontaminanty na úrovni PPM v zinku posúvajú svoju likvidu, Kľúčový problém pre kalibračné bunky.

• Zinok: Zinok (≥ 99,99%) vykazuje ostrý bod topenia pri 419,58 ° C.
• Nečistota:
  • Olovo (Pb): Znižuje bod topenia na ~ 400 ° C narušením kryštálovej mriežky .
  • Železo (Fe): Zvyšuje bod topenia v dôsledku tvorby intermetalických zlúčenín.

4.2 Tlakové a environmentálne podmienky

Vysokotlakové prostredie (napr., >1GPa) môže zmeniť zinok Tₘ o desiatky stupňov, Avšak priemyselné procesy pri takmer ambientnom tlaku pozri zanedbateľný posun.

• Nadmorská výška: Znížený atmosférický tlak vo vysokých nadmorských výška (napr., 419.5° C na hladine mora vs. ~ 419 ° C pri 5,000 meracie výrobky).
• Oxidácia: Oxid zinku (Zino) tvorí pri vysokých teplotách, Zvýšenie účinného bodu topenia v dôsledku jeho vyššej teploty topenia (1,975°C).

4.3 Účinok

Pridanie prvkov (Cu, Al, Mg) tvorí zliatiny s eutektickým alebo peritektickým správaním. Mosadz (≈60%Cu,40%Zn) Roztavuje sa medzi 900 - 940 ° C, ďaleko nad čistým zinkom, zatiaľ čo bezpečnostné zliatiny (napr., Bi - zn - sn) Využívajte zinok's Low M.P. Vytvorenie tavených odkazov okolo 100 - 250 ° C.

• Zliatiny zinku a hliníka:
  • Al obsah 4–11% znižuje bod topenia na 380–460 ° C, ideálny pre tlakové liatie.
• Zliatiny Zamak:
  • Zaťaženie 12 (Zn-Al-C) topí sa pri 377–432 ° C, Vyváženie sily a obsaditeľnosti.
• Mosadz (Zn-cu):
  • Bod topenia klesá z 1 085 ° C (čistá Cu) na 900 - 940 ° C s 30% Zn.

5. Praktické aplikácie bodu topenia zinku

5.1 Priemyselná metalurgia a obsadenie

Zinok sa topí iba pri 419,5 ° C, výrazne nižšie konkurenčné hliník (648.8 ° C), čo sa premieta do nižších teplotá.

Horúcnosť, ktorá vytlačila, ponorí vstrekovací systém priamo do roztaveného zinku, Využitie plynulosti zinku pri nízkych teplotách na dosiahnutie tenkej steny, Časti sieti až do hrúbky 0,13 mm.

Zinok poskytuje takmer 100% recyklovateľnosť; Šrot a vteky si zachovávajú svoju metalurgickú kvalitu a bez degradácie remelt, Zníženie odpadu a uhlíkovej stopy v porovnaní s inými odlievacími materiálmi.

• Odlievanie: Nízka teplota topenia zinku znižuje spotrebu energie a opotrebovanie nástroja, umožnenie hromadnej výroby komponentov pre automobilový priemysel a elektroniku.
• Galvanizácia: Roztavený zinok (450–460 ° C) kabátová oceľ, Tvorba vrstvy odolnej voči korózii prostredníctvom procesov v horúcej ploche.

5.2 Batérie a energetické polia

Tepelné procesy regenerácie Tepelná batéria Zvyšky batérie na viac ako 1200 ° C, Vrcholy organických látok a umožnenie 99% regenerácie zinku s 97% čistotou - parametre priamo vedené zinkovým topením a odparovaním správania.

V nabíjateľných zinkových a alkalických bunkách, spracovanie roztaveného zinku informuje o recyklácii a recyklácii pracovných postupov elektród, Zabezpečenie integrity materiálu a nákladovo efektívne riešenia ukladania energie.

• Batérie: Nízka teplota topenia zinku pri výrobe anódov pri výrobe anód, zatiaľ čo jeho vysoká teoretická hustota energie (1,086 Wh/kg) sľubuje pre elektrické vozidlá.
• Skladovanie tepelnej energie: Molten Zinok ukladá tepelne efektívne pre solárne a priemyselné aplikácie.

5.3 Konštrukcia

Hot -DIP Galvanizácia ponorí oceľ do kanvice ≥98% čisto roztaveného zinku pri ~ 449 ° C na uloženie metalurgicky viazanej zliatiny Zn -FE, ktorá odoláva hrdzi a oderu po celé desaťročia.

Galvanizácia („Delta Galvanizing“) pri 560 - 630 ° C vytvára ťažšie, tenší povlak so špecializovanými aplikáciami v automobilovom liste a hardvéri.
Pri opravách zvaru porušuje vrstvu zinku, Farby bohaté na zinok alebo plameň -spray zinok Restore Odolnosť proti korózii bez prehriatia oceľového substrátu.

• Strešné krytiny: Odolnosť proti korózii zinku a poddajnosť pri vysokých teplotách umožňujú plynulú inštaláciu.
• Architektonické povlaky: Farby bohaté na zinok chránia oceľové konštrukcie obetným korodovaním.

5.4 Zváranie a elektronika

Počas oblúka zvárania pozinkovanej ocele, Zinok sa odparuje pri ~ 871 ° C, ďaleko pod bodom topenia ocele, pózujúce nebezpečenstvo dymu a riskantná pórovitosť; Správne vetranie a spoločný dizajn zmierňujú tieto výzvy.

Tok chloridu zinku (topenie ≈280 ° C) slúži v spájkovacej elektronike a priemyselnom potrubí, Odstraňovanie oxidov a podporovanie silných kovových väzieb bez dosiahnutia teploty topenia zinku zinku .

Nízkom.p. zliatiny založené na zinku (napr., eutektický bi - v - zn - Sn) Roztavte sa medzi 100 - 250 ° C, Povolenie fusibilných zástrčiek a tepelných bezpečnostných zariadení v systémoch na ochranu proti ohňom.

• Spájkovanie: Spájky na báze zinku (napr., Zn-al) Roztopte pri 380 - 460 ° C, Vhodný na spojenie kovov bez poškodenia citlivých komponentov.
• Vytlačená elektronika: Nanočastice zinku umožňujú nízkoteplotné spekanie v flexibilných obvodoch.

5.5 Zliatina

Zliatiny Zamak (Zn - al Eutectic pri 381 ° C) Kombinujte nízky M.P. s vysokou plynulosťou, Ideálne na vysokotlakové vytlačenie zložitých komponentov v automobilovom a hardvérovom priemysle.

Špecializované zliatiny zinku, ako sú prípojky rezistentné, Rozšírte teploty služieb nad 80–90 ° C prispôsobením obsahu AL a CU, priamo modulované úvahami o topení rozsahu.

Biomedicínsky výskum skúma biologicky odbúrateľné zliatiny Zn pre stenty a implantáty; Ovládanie cesty topenia a dráhy solidifikácie zaisťujú biokompatibilitu a spracovateľnosť.

• Zliatiny Zamak: Používa sa v šperkoch a hardvéri kvôli ich nízkemu roztaveniu (379–390 ° C) a vysoká sila.
• Super zliatiny: Zinok zlepšuje rezistenciu na creep v leteckých materiáloch, keď je legovaný s niklom a titánom.

6. Technológia merania pre bod topenia zinku

6.1 Laboratórne metódy

6.2 Priemyselná prax

• Nekontaktná pyrometria
  Infračervené a optické pyrometre merajú bazény taveniny v galvanizujúcich líniách.
• Bunky s pevným bodom
  NIST SRM1748 Zinkové bunky (≥ 99,9999%) Poskytnite referenčnú mrazivú náhornú plošinu pri 419,527 ° C (692.677Klimatizovať) s neistotou ≤ 1,12 mk, životne dôležité pre šírenie ITS -90.

7. Porovnanie s inými kovmi

Zinok sedí medzi In a Cu; jeho mierny Tₘ sa hodí do mnohých zliatinových a kalibračných rolí.

Prevodník teploty：

8. Časté otázky

Q1: Zinok sa ľahko roztopí v ohni domu?
A: Domáce požiare dosahujú ~ 600 ° C - napadne na topenie zinku (419.5°C), ale konštrukčná oceľ zriedka prekračuje 500 ° C.

Q2: Môžu nečistoty vzniesť bod topenia zinku?
A: Nie. Nečistoty zvyčajne tvoria eutektické zmesi, Zníženie bodu topenia.

Q3: Prečo je bod topenia zinku nižší ako hliník?
A: Slabšie kovové väzby zinku a vyplnené d-rbitály znižujú pevnosť väzby.

Q: Dá sa zinok roztaviť v domácej rúre?
A: Neodporúča sa z dôvodu bezpečnostných obáv a potenciálu nekonzistentného kúrenia.

Q: Prečo je bod topenia zinku dôležitý pri vývoji zliatiny?
A: Umožňuje vytváranie materiálov s vlastnosťami prispôsobenými konkrétnymi aplikáciami.

9. Záver

Bod tavenia zinku odráža jeho kovové spojenie, geometria kryštálov HCP, a termodynamické parametre (ΔHₘ, ΔSₘ).

Pri 419,53 ° C, Ponúka rovnováhu s nízkoenergetickým spracovaním a tepelnou stabilitou, podriadený, odlievanie, kalibrácia, a pokročilý dizajn zliatiny.

Jeho úloha ako fixného bodu ITS -90 zaisťuje presnosť teploty na celom svete.

Pochopenie faktorov - bezpečnosť, tlak, Zliatie - ktoré posúvajú topenie zinku zinku, ktorý umožňuje inžinierom a vedcom využívať svoje jedinečné vlastnosti v aplikáciách od ochrany proti korózii po presnú teplometriu.