Точка плавлення цинку

1. Вступ: Огляд точки плавлення цинку

Точка плавлення цинку сидить на рівні 692,68k (419.53°C, 787.15° F), Ключова фіксована точка на шкалу температури ITS -90, на яку промисловість та наука покладаються на калібрування та контроль процесів.

Чиста речовина тане при температурі, де її тверді та рідкі фази співіснують у рівновазі.

Його відносно низька температура плавлення - сплави інженери експлуатують її для лиття та гальванування, але його теплова стійкість робить цинк незамінним у секторах.

1.1 Основне визначення точки плавлення

Точка плавлення позначає температуру, при якій тверді та рідкі фази матеріалу існують разом у рівновазі при заданому тиску.

На практиці, Один нагріває речовину, поки вона не досягне цієї температури; Подальше споживання тепла перетворює тверду речовину в рідину, не змінюючи температури, поки останній кристал не розчиниться.

• Наукове визначення: Температура, при якій зміна вільної енергії Гіббса (ΔG) для твердого → рідина дорівнює нулю, Поки ентальпія (ΔH) і ентропія (ΔS) збільшувати.
• Стандартні умови: Якщо не зазначено інше, Звіт про плавлення в 1ATM (101.325KPA).

Цинк тане в 692.68K (419.53°C, 787.15° F) під 1ATM, Розміщення його серед нижчих перехідних металів.

1.2 Доповідна інформація про цинк

• Основні факти:
  • Атомний номер: 30
  • Конфігурація електронів: [Ar]3D & ⁰4s²
  • Категорія: D -блок, Елемент групи12
• Фізичні властивості:
  • Щільність (20°C): 7.14г/см³ (суцільний), 6.57г/см³ (Рідина в М.П.)
  • Тепло злиття: 7.32kj/mol
  • Точка кипіння: 1180K (907°C, 1665° F)

Металеве зв’язок цинку виникає внаслідок делокалізованих електронів 4S, що взаємодіють у шестикутній решітці, придушення помірної міцності зв’язку та її характерної температури плавлення.

1.3 Важливість цинку в промисловості та повсякденному житті

1. Гальванізація
   Цинкове покриття на сталі захищає від корозії. Точка плавлення цинку (~ 420 ° C) дозволяє розпилювачі або DIP в економічних електричних або газових печах.
2. Кастинг
   Низька температура плавлення дозволяє тонкозадати кастинг для автомобілів, обладнання, і споживчі товари.
3. Батареї
   Електрохімічні властивості цинку потужні лужні та цинкові повітряні клітини; Точка плавлення впливає на переробку та виготовлення електродів.
4. сплави
   Латунь (Cu -zn) та спеціалізовані низькосмугові сплави (напр., Метал деревини) Важіть поведінку плавлення цинку.

2. Точка плавлення цинку: Фізична та хімічна основа

2.1 Атомна структура та типи зв'язків цинку

Атоми цинку несуть заповнену оболонку (3d⁰) і два електрони 4S. Делокалізація цих електронів 4S виробляє металеве зв'язок, чия сила встановлює енергію, необхідну для плавлення.

• Електронні снаряди: 2,8,18,2
• Зв'язок: Переважно металевий; Немає спрямованого ковалентного компонента.

2.2 Кристалічна структура цинку

Цинк кристалізується в Шестикутна закрита (HCP) решітка, з двома атомами на одиницю клітини в положеннях (1/3,2/3,1/4) і (2/3,1/3,3/4). Таке розташування дає ефективність упаковки ~ 74% і сприяє помірному плавленому ентальпії.

2.3 Термодинамічні властивості цинку

Ці значення відображають зміну енергії та розладу як переходи цинку від його твердої форми HCP до рідини.

3. Термодинамічна основа плавлення

3.1 Термодинамічний принцип зміни фази

У точці плавлення, Вільні енергії Гіббса твердого (Gₛ) і рідина (Gₗ) фази збігаються (Δg = 0), задовольняючий:

$$Δg = ΔH - tΔS = 0$$ $$ΔS = frac{ΔH}{Tₘ} = frac{7.32× 10³ mathrm{J/моль}}{692.68\ \математика{K}} \блок 10.57\ \математика{J/(моль · k)}.$$

Там, де ΔH є ентальпією синтезу, а ΔS - ентропія синтезу.

3.2 Ентальпія синтезу та плавлення

Цинк ентальпія синтезу (7.32kj/mol) Визначає латентну спеку, необхідну для розбиття його металевих зв’язків на моль атомів у М.П.. Співвідношення ΔH/Tₘ дає зміну ентропії:

$$\mathrm{Р.}S=\frac{\mathrm{Р.}H}{{Т}_{м}}=\frac{7.32\times {10}^3\mathrm{J}\mathrm{/}\mathrm{м}\mathrm{о}\mathrm{л}}{692.68\mathrm{K}}\approx 10.57\mathrm{J}\mathrm{/}(\mathrm{м}\mathrm{о}\mathrm{л}\cdot \mathrm{K})\mathrm{.}$$

3.3 Вплив тиску на температуру плавлення

Точка плавлення змінюється з тиском відповідно до відношення Клаусія - Клаперирон:

 

$$\frac{\mathrm{р.}Т}{\mathrm{р.}С}=\frac{\mathrm{Р.}В}{\mathrm{Р.}S},$$

 

де ΔV - це зміна обсягу при плавленні. Тому що рідина цинку трохи менш щільна, ніж її тверда, підвищення тиску взагалі збільшується Tₘ, Хоча чутливість залишається невеликою порівняно з кип'ятними переходами.

4. Фактори, що впливають на температуру плавлення цинку

4.1 Ефект чистоти

Домішки розширюють діапазон плавлення та пригнічуйте tₘ. Навіть забруднювачі рівня PPM в цинку змінюють його ліквід вниз і розширюють його пастоподібний діапазон, Ключова турбота про калібрувальні клітини.

• Цинк з високою чистотою: Ультрачистий цинк (≥99,99%) демонструє різку температуру плавлення при 419,58 ° C.
• Домішки:
  • Провід (PB): Знижує точку плавлення до ~ 400 ° С, порушуючи кристалічну решітку .
  • Прасувати (Fe): Підвищує температуру плавлення внаслідок утворення інтерметалічної сполуки.

4.2 Умови тиску та навколишнього середовища

Середовища високого тиску (напр., >1ГПа) може змінити tₘ цинку на десятки ступенів, Але промислові процеси при майже незамінному тиску див. Незначний зсув.

• Висота: Зниження атмосферного тиску на великих висотах незначно знижує точку плавлення (напр., 419.5° С на рівні моря проти. ~ 419 ° C при 5,000 метри).
• Окислення: Оксид цинку (Zno) форми при високих температурах, Збільшення ефективної температури плавлення за рахунок більш високої температури плавлення (1,975°C).

4.3 Ефект лежить

Додавання елементів (Cu, Ал, Mg) утворює сплави з евтектичною або перитектичною поведінкою. Латунь (≈60%Cu,40%Zn) Розкладається між 900–940 ° C, далеко вище чистого цинку, в той час як сплави безпеки (напр., Bi - in - Zn - sn) експлуатувати низький М.П. цинку. Для створення плавних посилань близько 100–250 ° C.

• Цинко-алюмінієві сплави:
  • Вміст Al 4–11% знижує точку плавлення до 380–460 ° C, ідеально підходить для лиття під тиском.
• Замак сплави:
  • Навантаження 12 (Zn-al-c) Розплавки при 377–432 ° C, Врівноваження сили та кастості.
• Латунь (Zn-Cu):
  • Точка плавлення зменшується з 1,085 ° C (чиста Cu) до 900–940 ° C 30% Zn.

5. Практичне застосування точки плавлення цинку

5.1 Промислова металургія та кастинг

Цинк плавиться лише 419,5 ° C, значно нижче конкуренції точка плавлення алюмінію (648.8 ° C), що перетворюється на менші температури печі та економію енергії в операціях.

Гарячі чемберні штампи занурюють систему впорскування безпосередньо в розплавлений цинк, Проблема плинності цинку при низьких температурах для досягнення тонкої стіни, Частини мережі до товщини до 0,13 мм.

Цинк дає майже 100% переробку; брухт і розписи зберігають свою металургійну якість та відновлюються без деградації, Зменшення відходів та вуглецевого сліду порівняно з іншими кастинними матеріалами.

• Кастинг: Низька точка плавлення цинку зменшує споживання енергії та зношування інструментів, Увімкнення масового виробництва компонентів для автомобільної та електроніки.
• Гальванізація: Розплавлений цинк (450–460 ° C) пальто сталь, формування корозійного шару через гарячі процеси.

5.2 Батареї та енергетичні поля

Термічні процеси відновлення тепла залишки акумулятора до понад 1200 ° C, Напірування органіки та забезпечення 99% відновлення цинку з 97% чистотою - параметри, безпосередньо керуються поведінкою плавлення та випаровування цинку.

У акумуляторних клітинах з цинком та лужними клітинами, Розплавлена ​​обробка цинку інформує про переробку електродів та реконструкцію робочих процесів, Забезпечення цілісності матеріалу та економічно ефективних рішень для зберігання енергії.

• Батареї цинку-повітря: Низька точка плавлення цинку у виробництві анода, в той час як його висока теоретична щільність енергії (1,086 WH/кг) робить його перспективним для електромобілів.
• Зберігання теплової енергії: Розплавлений цинк ефективно зберігає тепло для сонячних та промислових застосувань.

5.3 Будівництво та антикорозія

Гальванізація гарячого діда занурює сталь у чайник ≥98% чистого розплавленого цинку при ~ 449 ° С, щоб осадити металургійний шар Zn - Fe Sholy, який чинить опір іржі та стирання десятиліттями.

Високотемпературна гальванування (“Дельта -оцинування”) При 560–630 ° C створює важче, Тонке покриття за допомогою спеціалізованих програм у автомобільному листі та обладнання.
Коли зварювання ремонту порушує шар цинку, Фарби, багаті цинком або полум'я, відновлюючи цинку резистентність до корозії без перегріву сталевої підкладки.

• Покрівля та жолоби: Корозійна стійкість цинку та ковзання при високих температурах дозволяють безперешкодно встановити.
• Архітектурні покриття: Фарби, багаті цинками, захищають сталеві конструкції, жертвоприношуючи.

5.4 Зварювання та електроніка

Під час дугового зварювання оцинкованої сталі, цинк випаровується при ~ 871 ° C, далеко нижче температури плавлення Steel, Позують небезпеку для диму та ризику ризику; Правильна вентиляція та спільна конструкція пом'якшують ці виклики.

Потік хлориду цинку (плавлення ≈280 ° C) служить у паяльній електроніці та промислових трубопроводах, Видалення оксидів та сприяння сильних металевих зв’язків, не досягаючи температури плавлення цинку .

Низький рівень. сплави на основі цинку (напр., евтектичний бі -in - Zn - sn) розплав між 100–250 ° C, Увімкнення плавних вилків та термічних пристроїв безпеки в системах пожежогасіння.

• Пайка: Опаси на базі цинку (напр., Zn-al) Розтоплення при 380–460 ° C, підходить для з'єднання металів без пошкодження чутливих компонентів.
• Друкована електроніка: Наночастинки цинку дозволяють низькотемпературне спікання в гнучких схемах.

5.5 Розвиток сплавів

Замак сплави (Zn - al eetectic при 381 ° C) Поєднайте низький М.П.. з високою плинністю, Ідеально підходить для високого тиску, що випускає складні компоненти в автомобільній та апаратній галузях.

Спеціалізовані сплави цинку, наприклад, стійкі до повзучості формулювання, Поширюйте температуру обслуговування вище 80–90 ° C, адаптуючи вміст Al та Cu, безпосередньо модулюється міркуваннями дальності плавлення.

Біомедичні дослідження досліджують біологічно розкладаються сплави Zn для стентів та імплантатів; Контрольних шляхів плавлення та затвердіння забезпечує біосумісність та обробку.

• Замак сплави: Використовується в ювелірних виробах та обладнаннях через їх низький асортимент плавлення (379–390 ° C) і висока сила.
• Суперплої: Цинк покращує резистентність до повзучості в аерокосмічних матеріалах, коли лежить нікель та титан.

6. Технологія вимірювання для точки плавлення цинку

6.1 Лабораторні методи

6.2 Промислова практика

• Неконтактна пірометрія
  Інфрачервоні та оптичні пірометри вимірюють басейни розплаву в лініях оцинування.
• Клітини з фіксованою точкою
  NIST SRM1748 клітини цинку (≥99,9999%) Забезпечте еталонне плато замерзання при 419,527 ° C (692.677K) з невизначеністю ≤1,12 Мк, життєво важлива для її розповсюдження.

7. Порівняння з іншими металами

Цинк сидить між і Cu; його помірний Tₘ відповідає багатьом сплавам та калібрувальній ролі.

Перетворювач блоку температури：

8. Поширені запитання

Q1: Чи легко цинк тануть у пожежі в будинку?
А: Домашні пожежі досягають ~ 600 ° С - недостатньо для розплаву цинку (419.5°C), але конструкційна сталь рідко перевищує 500 ° C.

Q2: Чи можуть домішки підвищити точку плавлення цинку?
А: Ні. Домішки, як правило, утворюють евтектичні суміші, опускання температури плавлення.

Q3: Чому точка плавлення цинку нижча, ніж алюміній?
А: Слабкіші металеві зв’язки цинку та заповнені d-орбіталі знижують міцність на зв’язок.

Q: Чи може цинк розплавитися в домашній духовці?
А: Не рекомендується через проблеми безпеки та потенціал для непослідовного опалення.

Q: Чому точка плавлення цинку важлива в розвитку сплавів?
А: Це дозволяє створювати матеріали з індивідуальними властивостями для конкретних застосувань.

9. Висновок

Точка плавлення цинку відображає його металеву зв'язок, Геометрія кристалів HCP, та термодинамічні параметри (ΔHₘ, ΔSₘ).

При 419,53 ° C, Він пропонує баланс низькоенергетичної обробки та термічної стабільності, підкладка гальванування, кастинг, калібрування, та вдосконалений дизайн сплавів.

Його роль як фіксованої точки ITS -90 забезпечує точність температури по всьому світу.

Розуміння факторів - працездатність, тиск, Легування - це зміна плавлення цинку, що передає інженерам та вченим, щоб використовувати його унікальні властивості у застосуванні від захисту від корозії до точної термометрії.