Điểm nóng chảy của chì

1. Giới thiệu

1.1 Dẫn đầu là gì?

Chỉ huy, với biểu tượng hóa học PB (xuất phát từ tên Latin của nó chỉ huy) và số nguyên tử 82, là một dày đặc, mềm mại, kim loại sau chuyển đổi dễ uốn.

Nó có một ánh sáng màu trắng xanh khác biệt khi mới cắt, mặc dù nó nhanh chóng bị oxy hóa thành một bề mặt màu xám xỉn trong không khí xung quanh.

Với trọng lượng nguyên tử của 207.2 g/mol, Chì là một trong những yếu tố ổn định nặng nhất và tự hào có mật độ 11.34 G/cm³ đủ tiêu chuẩn đã định hình việc sử dụng nó cho hơn 9,000 năm, Từ hệ thống ống nước cổ đại đến các công nghệ pin hiện đại.

1.2 Điểm nóng chảy của chì

Điểm nóng chảy của chì là 327.46°C (621.43° f) ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn (1 ATM).

Thuộc tính nhiệt quan trọng này xác định cách hành xử chì trong các quy trình công nghiệp, nghiên cứu khoa học, và các ứng dụng hàng ngày.

Không giống như kim loại dễ bay hơi như thủy ngân (đó là chất lỏng ở nhiệt độ phòng) hoặc kim loại chịu lửa như vonfram (nóng chảy ở 3,422 ° C.), Dây dẫn chiếm một nền tảng giữa, một cách dễ dàng trong các lò công nghiệp nhưng ổn định trong hầu hết các điều kiện môi trường xung quanh.

1.3 Tại sao chúng ta cần biết điểm nóng chảy của chì?

Hiểu điểm nóng chảy của khách hàng tiềm năng là điều cần thiết cho ba lý do chính:

1. Tối ưu hóa quy trình công nghiệp: Các nhà sản xuất dựa vào dữ liệu này để thiết kế lò, đúc khuôn, và các giao thức an toàn để làm tan chảy và định hình chì.
2. Nguyên tắc khoa học vật chất cơ bản: Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc về liên kết nguyên tử, chuyển pha, và hành vi hợp kim - kiến ​​thức có khả năng phát triển các vật liệu mới.
3. Tuân thủ an toàn và môi trường: Biết khi chì bốc hơi (khoảng 500 ° C.) Giúp giảm thiểu rủi ro sức khỏe do phơi nhiễm khói độc, mối quan tâm chính trong các ngành công nghiệp như tái chế pin.

2. Tính chất cơ bản của chì

2.1 Tính chất vật lý và hóa học của chì

Tính chất vật lý:

Tính chất hóa học:

• Chống ăn mòn: Tạo thành một lớp oxit bảo vệ (PBO) trong không khí, làm cho nó chống nước và axit yếu.
• Phản ứng với axit: Phản ứng với axit nitric để tạo thành nitrat chì nhưng chống lại axit sunfuric và clohydric ở nhiệt độ phòng.
• Độc tính: Tất cả các hợp chất chì đều độc hại; Ăn uống hoặc hít phải có thể gây ra thần kinh, thận, và tổn thương tim mạch.

2.2 Cấu trúc nguyên tử và ảnh hưởng của nó đến điểm nóng chảy

Cấu trúc nguyên tử dẫn đầu, được tính toán bởi một bán kính nguyên tử lớn (175 PM) và một năng lượng ion hóa tương đối thấp (715 KJ/mol)—Results trong liên kết kim loại yếu.

Ở trạng thái rắn của nó, Các nguyên tử chì sắp xếp trong mạng FCC, Trường hợp mỗi nguyên tử được giữ bởi các electron được định vị.

Năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết kim loại yếu này (Enthalpy của Fusion: 4.77 KJ/mol) thấp hơn đáng kể so với các kim loại chuyển tiếp như sắt (13.8 KJ/mol), giải thích điểm dẫn đầu tương đối thấp.

2.3 So sánh với các kim loại khác

Điểm nóng chảy dẫn đầu vị trí nó như một cầu nối giữa các kim loại có tan chảy thấp như thiếc và kim loại cấu trúc có động tác cao như sắt, Làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi cả khả năng định dạng và sự ổn định nhiệt vừa phải.

3. Điểm nóng chảy của chì

3.1 Điểm nóng chảy của chì là gì?

Như thành lập, Chì thuần khiết tan ở 327.46°C.

Giá trị này được tiêu chuẩn hóa bởi các tổ chức như Hiệp hội thử nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) và được tham chiếu theo thang nhiệt độ quốc tế (Nó-90) Là một điểm cố định xác định để hiệu chỉnh nhiệt kế.

Chi tiết chuyển đổi pha:

• Chất rắn thành chất lỏng: Ở 327,46 ° C., chì hấp thụ nhiệt để vượt qua các lực lượng tương tác, Chuyển từ mạng FCC cứng sang cấu trúc chất lỏng trong đó các nguyên tử di chuyển tự do hơn.
• Thay đổi khối lượng: Chất dẫn chất lỏng dày hơn ~ 6% so với chì rắn, một đặc điểm chung giữa các kim loại (Ngoại trừ nước, Mở rộng khi đóng băng).

3.2 Cách đo điểm nóng chảy

Phương pháp phòng thí nghiệm:

1. Phương pháp ống mao dẫn:

• Một lượng nhỏ bột chì được đóng gói vào ống mao quản và được làm nóng với tốc độ được kiểm soát (10° C/phút) Sử dụng một thiết bị điểm nóng chảy.
• Nhiệt độ mà giọt chất lỏng đầu tiên xuất hiện được ghi lại là điểm nóng chảy.

2. Khải nhiệt quét vi sai (DSC):

• Đo lưu lượng nhiệt vào hoặc ra khỏi mẫu trong quá trình thay đổi pha. Một đỉnh trong đường cong DSC cho biết điểm nóng chảy, Trong khi khu vực dưới đỉnh tính toán entanpy của phản ứng tổng hợp.

Kỹ thuật công nghiệp:

• Cặp nhiệt điện: Bạch kim-Rhodium hoặc cặp nhiệt điện Niken-nhiễm trùng.
• Nhiệt kế hồng ngoại: Các cảm biến không tiếp xúc đo nhiệt độ bề mặt của các thỏi chì trong quá trình nóng chảy, đảm bảo tính đồng nhất trong các xưởng đúc quy mô lớn.

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm nóng chảy của chì

1. Tinh khiết của chì

• Chì thuần khiết (99.9%): Tan chảy mạnh ở 327,46 ° C với quá nóng tối thiểu.
• Chì không tinh khiết:
• Các yếu tố hợp kim: Thiếc, antimon, hoặc canxi làm giảm điểm nóng chảy (ví dụ., 1% Tin trong chì làm giảm điểm nóng chảy ~ 10 ° C).
• Chất gây ô nhiễm: Mức độ kẽm hoặc sắt cao có thể tạo ra sự tan chảy không đồng nhất, gây ra các vùng rắn hoặc chất lỏng cục bộ.

2. Thành phần hợp kim

• Hợp kim eutectic: Điểm nóng chảy thấp nhất có thể cho hỗn hợp. Ví dụ, Hệ thống tin-tin tạo thành một eutectic tại 61.9% Tin-38,1% chì, tan chảy tại 183°C—144 ° C thấp hơn chì tinh khiết.
• Hợp kim dung dịch rắn: Hợp kim chống chính (ví dụ., 5% antimon) có các điểm nóng chảy giữa 300 nhiệt320 ° C, Cân bằng sức mạnh và khả năng đúc.

3. Áp lực

Mặc dù áp lực có tác dụng không đáng kể trong điều kiện bình thường, Phương trình Clausius-Clapeyron dự đoán rằng áp suất tăng làm tăng điểm nóng chảy của chì lên ~ 0,01 ° C mỗi 100 Khí quyển.

Điều này không liên quan đối với hầu hết các ứng dụng nhưng có vấn đề trong các nghiên cứu địa chất về cốt lõi Trái đất, Trường hợp áp lực cực độ có thể ảnh hưởng đến hành vi pha dẫn đầu.

4. Các ứng dụng của điểm nóng chảy

4.1 Ứng dụng công nghiệp của chì

Một. Hàn và hàn

Điểm dẫn đầu nóng chảy, kết hợp với các đặc tính làm ướt thiếc, đã thực hiện những người bán hàng-tin, tiêu chuẩn công nghiệp trong nhiều thập kỷ:

• Hàn eutectic (60% PB-40% Sn): Tan chảy ở 190 nhiệt220 ° C., Lý tưởng để tham gia các thành phần điện trước sự gia tăng của các quy định không có chì.
• Người bán nhiệt độ cao (95% PB-5% Sn): Tan chảy ở 315 ° C., được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu khả năng chống đạp xe nhiệt (ví dụ., Điện tử ô tô).

Chuyển đổi hiện đại sang người bán không có chì: Do mối quan tâm về môi trường, Các ngành công nghiệp hiện sử dụng hợp kim-đồng hoặc hộp thiếc-máy-đồng, Mặc dù người bán dựa trên chì vẫn tồn tại trong các ứng dụng có trách nhiệm cao.

b. Sản xuất pin

Pin axit chì, pin sạc phổ biến nhất, dựa vào khả năng tan chảy của chì cho sản xuất lưới điện:

1. Đúc lưới: Chì nóng chảy (với 0,05 Năng0,1% cho sức mạnh) được đổ vào khuôn để tạo thành các lưới tích cực và âm.
2. Tấm hình thành: Lưới được phủ bằng dán chì và được chữa khỏi, với điểm nóng chảy đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động của pin (tiêu biểu <60°C).

4.2 Dẫn đầu trong Craft và Artisan sử dụng

Một. Đúc điêu khắc

Điểm nóng chảy thấp và khả năng diễn biến tuyệt vời khiến nó trở nên phổ biến cho các tác phẩm điêu khắc quy mô nhỏ và các vật dụng trang trí:

• Đúc wax: Chì nóng chảy được đổ vào khuôn gốm, Nắm bắt các chi tiết phức tạp dễ dàng hơn so với kim loại có lớp học cao hơn như đồng.
• Cổ vật lịch sử: Những bức tượng La Mã cổ đại và đồ trang trí nhà thờ thời trung cổ thường được kết hợp chính cho khả năng làm việc của nó.

b. Sản xuất đồ chơi (Bối cảnh lịch sử và hiện đại)

• Sử dụng lịch sử: Cho đến cuối thế kỷ 20, Dẫn đầu được chọn vào những người lính, Đá bi, và các bức tượng do chi phí thấp và dễ đúc.
• Hạn chế hiện đại: Quy định an toàn (ví dụ., CPSIA ở Hoa Kỳ) đã cấm dẫn đầu trong đồ chơi, được thay thế bằng kim loại nhựa hoặc không độc hại như kẽm.

4.3 Các ứng dụng trong các thiết bị bảo vệ bức xạ và các thiết bị y tế

• Bức xạ che chắn: Tấm chì rắn và gạch được sử dụng trong các phòng tia X và các cơ sở hạt nhân vì:
• Chúng vẫn rắn ở nhiệt độ phòng, cung cấp bảo vệ vĩnh viễn.
• Chì nóng chảy có thể được đổ vào khuôn hình dạng tùy chỉnh cho các nhu cầu che chắn phức tạp (ví dụ., Xung quanh máy MRI).
• Cấy ghép y tế (Lịch sử): Trong quá khứ, Lá chì đã được sử dụng trong các ứng dụng xạ trị, Mặc dù các thiết bị hiện đại ủng hộ các vật liệu an toàn hơn như hợp kim vonfram.

5. Khoa học đằng sau điểm nóng chảy của chì

5.1 Nguyên tắc nhiệt động

Tan chảy, hoặc hợp nhất, là một quá trình chuyển pha được điều chỉnh bởi nhiệt động lực học:

• Entanpy thay đổi (ΔH): Tích cực trong quá trình tan chảy (chì hấp thụ 4.77 KJ/mol để phá vỡ trái phiếu).
• Entropy thay đổi (ΔS): Tăng khi các nguyên tử có được tự do di chuyển ở trạng thái lỏng (ΔS ≈ 15 J/mol · K cho chì).
• Gibbs năng lượng miễn phí (ΔG): ΔG = ΔH - TΔS. Sự tan chảy xảy ra khi ΔG = 0, mà ở 327,46 ° C., cân bằng các thuật ngữ entanpy và entropy.

5.2 Liên kết nguyên tử trong chì và vai trò của chúng trong việc tan chảy

Liên kết kim loại chì còn yếu hơn so với các kim loại chuyển tiếp do:

1. Bán kính nguyên tử lớn: Các electron cách xa nhân, Giảm hấp dẫn tĩnh điện.
2. Vỏ điện tử lấp đầy: Các electron hóa trị chì (6s²6p²) ít được định vị hơn trong các kim loại khối d, dẫn đến các tương tác biển điện tử yếu hơn.

Trong quá trình tan chảy, Năng lượng nhiệt vượt qua các liên kết yếu này, cho phép mạng FCC tan rã thành cấu trúc chất lỏng bị rối loạn, nơi thứ tự nguyên tử ngắn vẫn tồn tại.

5.3 So sánh quá trình nóng chảy của chì với các kim loại khác

Quá trình tan chảy chì tương đối đơn giản so với sắt, mà trải qua nhiều thay đổi cấu trúc tinh thể (Ferritic đến Austenitic) trước khi tan chảy.

6. Hợp kim dẫn đầu và điểm nóng chảy của chúng

6.1 Hợp kim chì chung

Một. Hợp kim-Tin-Tin

• 60/40 Hàn: 60% PB, 40% Sn; Điểm nóng chảy 190 Ném220 ° C..
• 50/50 Hàn: 50% PB, 50% Sn; Điểm nóng chảy 215 bóng230 ° C. (Phạm vi tan chảy rộng hơn để tăng khả năng làm việc).

b. Hợp kim chống chính

• Kim loại Babbitt: 85% PB, 10% SB, 5% Sn; Điểm nóng chảy 240 Vang280 ° C.. Được sử dụng để mang lót do ma sát thấp và khả năng diễn viên tốt.
• Lưới pin: 94Mùi97% PB, 36% SB; Điểm nóng chảy ~ 310 ° C.. Antimon củng cố lưới điện mà không làm tăng mạnh điểm nóng chảy.

c. Hợp kim chì-calcium

• 99.9% PB, 0.1% Ca.: Điểm nóng chảy ~ 325 ° C.. Canxi cải thiện khả năng chống ăn mòn trong lưới pin trong khi giữ điểm nóng chảy gần với chì thuần túy.

6.2 Cách hợp kim thay đổi điểm nóng chảy của chì

• Hiệu ứng eutectic: Thêm một kim loại thứ hai (ví dụ., thiếc) có thể tạo ra một chế phẩm eutectic với điểm nóng chảy thấp hơn kim loại nguyên chất.
• Dung dịch rắn cứng: Các yếu tố như antimon phá vỡ mạng lưới chì, đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để tan chảy, do đó làm tăng nhẹ điểm nóng chảy (ví dụ., 5% SB tăng điểm nóng chảy ~ 15 ° C).
• Các hợp chất intermetallic: Trong các hợp kim-tin ngoài ra ngoài thành phần eutectic, Các giai đoạn intermetallic như dạng PBSN, Tạo ra một loạt nhiệt độ nóng chảy (Slushy tan chảy).

6.3 Các ứng dụng hợp kim chì dựa trên điểm nóng chảy

7. Câu hỏi thường gặp (Câu hỏi thường gặp)

Q1: Có thể dẫn tan chảy trong lò nướng gia đình?

MỘT: KHÔNG. Lò gia đình thường tối đa ở 250 nhiệt275 ° C, Bên dưới điểm dẫn nóng của chì là 327,46 ° C.

Lò công nghiệp hoặc máy sưởi nồi nấu kim loại được yêu cầu để làm tan chảy chì.

Q2: Tại sao chì có điểm nóng chảy thấp hơn nhôm?

MỘT: Nhôm có bán kính nguyên tử nhỏ hơn và liên kết kim loại mạnh hơn do mật độ electron hóa trị cao hơn của nó (3 electron hóa trị so với. Dẫn đầu 4, nhưng được định vị nhiều hơn bằng nhôm), đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để tan chảy (660.32° C so với. 327.46°C).

Q3: Molten có nguy hiểm nguy hiểm để xử lý không?

MỘT: Đúng. Chì nóng chảy có thể gây bỏng nặng khi tiếp xúc và giải phóng hơi độc hại trên 500 ° C.

Luôn sử dụng PPE chống nhiệt, bao gồm cả găng tay, Khiên khuôn mặt, và mặt nạ phòng độc, trong các khu vực thông thoáng.

Q4: Làm thế nào để điểm nóng chảy dẫn đầu ảnh hưởng đến việc tái chế của nó?

MỘT: Điểm nóng chảy của LEAD LEAD Đơn giản hóa việc tái chế Chất dẫn SCRAP được tan chảy trong các lò (Thường ở 400 Hàng500 ° C.), được lọc để loại bỏ tạp chất, và lấy lại vào Ingots.

Quá trình tiết kiệm năng lượng này khiến cho một trong những kim loại tái chế nhiều nhất (95% Tỷ lệ tái chế cho pin).

Q5: Có bất kỳ hợp kim chì nào tan chảy trên 400 ° C không?

MỘT: Đúng. Hợp kim có nồng độ cao của kim loại có động tác cao như đồng hoặc niken có thể vượt quá 400 ° C.

Ví dụ, Một hợp kim chì-đồng (10% Cư) có thể tan chảy khoảng 450 ° C, Mặc dù các hợp kim như vậy rất hiếm do bản chất làm giảm dần vốn có.

Q6: Tại sao một số nguồn liệt kê một chút điểm nóng chảy khác nhau để dẫn đầu?

MỘT: Các biến thể nhỏ (± 0,1 ° C.) có thể là kết quả của sự khác biệt về áp lực (ví dụ., độ cao) hoặc sự thuần khiết.

Giá trị tiêu chuẩn được báo cáo tại 1 atm và 99.99% sự thuần khiết.

8. Phần kết luận

Điểm nóng chảy dẫn đầu 327,46 ° C là một đặc điểm xác định đã định hình vai trò của nó trong lịch sử loài người, Từ các nền văn minh cổ đại đến ngành công nghiệp hiện đại.

Thuộc tính này, có nguồn gốc từ cấu trúc nguyên tử và liên kết kim loại của nó, các thiết bị rộng rãi một loạt các ứng dụng, Từ hàn tinh tế đến che chắn bức xạ mạnh mẽ, trong khi cũng đặt ra những thách thức về an toàn và bền vững.

Khi chúng ta tiến tới một tương lai xanh hơn, Hiểu về điểm nóng chảy của khách hàng tiềm năng trở nên quan trọng hơn nữa cho dù tối ưu hóa các quá trình tái chế, Phát triển các lựa chọn thay thế không có chì, hoặc đảm bảo tuân thủ các quy định môi trường nghiêm ngặt.

Câu chuyện dẫn đầu là một minh chứng cho cách một tài sản vật lý duy nhất có thể thúc đẩy sự đổi mới, Xác định thực hành công nghiệp, và làm nổi bật sự cân bằng tinh tế giữa tiện ích và trách nhiệm trong khoa học vật liệu.

Bằng cách làm chủ khoa học về điểm nóng chảy của chì, kỹ sư, các nhà nghiên cứu, và các nhà sản xuất có thể tiếp tục tận dụng những lợi thế độc đáo của nó trong khi giảm thiểu rủi ro của nó, Đảm bảo kim loại cổ này vẫn có liên quan trong một thế giới phát triển nhanh chóng.

Thêm thông tin về các điểm nóng chảy của kim loại: http://langhe-metal.com/blog/melting-point-of-metals/