Температура плавления олова, использование в промышленности

Содержание

Одно и то же вещество может находиться в трех разных агрегатных состояниях в зависимости от условий. Например, лед, вода и водяной пар (рисунок 1).

Рисунок 1. Агрегатные состояния одного вещества на примере льда, воды и пара

Соответственно, это одно вещество в твердом, жидком и газообразном состоянии. Эти состояния отличаются друг от друга расположением, характером движения и взаимодействия молекул. В жидких и твердых телах, в отличии от газов, молекулы не могут далеко удалиться друг от друга. Изначально они расположены близко друг к другу и их средняя кинетическая энергия недостаточна для того, чтобы совершить работу по преодолению сил молекулярного притяжения.

Тем не менее, на практике мы часто наблюдаем, как тела переходят из твердого состояния в жидкое, и наоборот. Например, процесс таяния льда или его замерзания. В данном уроке мы более подробно рассмотрим эти процессы, узнаем при каких условиях они проходят.

Описание металла

Олово — металл редкий, в небольших количествах встречается в рудах и песках, особенно часто встречается слоях, поднимаемых со дна океана. По распространенности среди металлов в земной коре занимает 47-е место.

Для его получения используют руды, содержание данного металла в которых около 0,1%. Сначала руду обогащают (методом магнитной сепарации или гравитационной флотации). Таким образом, содержание олова повышается до 40–70%. Потом обжигают концентрат в кислороде для удаления примеси мышьяка и серы. Полученный, таким образом, материал восстанавливают в электропечах с помощью алюминия или угля. Выпускаются следующие виды данного материала: олово в чушке, в прутке, в проволоке. А также олово: пищевое и для лужения кузова.

Около 40% мирового производства олова идет на производство консервных банок. Остальное используют в металлургии, для получения разных сплавов. Самый известный сплав — это бронза, состоящая из олова и меди. И только 7% олова производимого в мире используется в виде химических соединений.

Плавление и температура плавления

• Если мы сообщим телу достаточную энергию, то возможно перевести его из твердого состояния в жидкое (расплавить лед) и из жидкого в газообразное (превратить воду в пар)
• Если же тело будет отдавать энергию, то оно может перейти из газообразного состояния в жидкое и из жидкого в твердое

Плавление — это переход вещества из твердого состояния в жидкое.

Чтобы началось плавление тела, его необходимо нагреть до определенной температуры.

Температура плавления вещества — это температура, при которой вещество плавится.

Разные вещества плавятся при разных температурах. Лед начнет плавится, если мы возьмем его в руку, а чтобы расплавить железо понадобится специальная печь. Кусок олова или свинца можно расплавить в стальной ложке.

В таблице 1 представлены температуры плавления различных веществ. Вы можете заметить, что их диапазон очень широк.

Таблица 1. Температура плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

ПЛАВЛЕ́НИЕ

ПЛАВЛЕ́НИЕ, пе­ре­ход ве­ще­ст­ва из твёр­до­го кри­стал­лич. со­стоя­ния в жид­кое; фа­зо­вый пе­ре­ход 1-го ро­да, со­про­во­ж­даю­щий­ся скач­ко­об­раз­ным из­ме­не­ни­ем объ­ё­ма и эн­тро­пии ве­ще­ст­ва. При по­сто­ян­ном дав­ле­нии П. од­но­ком­по­нент­ных ве­ществ про­ис­хо­дит при не­ко­то­рой фик­си­ро­ван­ной темп-ре Тпл, на­зы­вае­мой темп-рой плав­ле­ния. Это свой­ст­во от­ли­ча­ет кри­стал­лич. ве­ще­ст­ва от аморф­ных, пе­ре­ход ко­то­рых в жид­кое со­стоя­ние идёт по­сте­пен­но в не­ко­то­ром ин­тер­ва­ле тем­пе­ра­тур. В ре­зуль­та­те П. про­ис­хо­дит по­зи­ци­он­ное ра­зу­по­ря­до­че­ние сис­те­мы: ре­гу­ляр­ное про­стран­ст­вен­ное рас­по­ло­же­ние ато­мов или мо­ле­кул (даль­ний по­ря­док) сме­ня­ет­ся не­ре­гу­ляр­ным, при­чём ср. рас­стоя­ния ме­ж­ду час­ти­ца­ми из­ме­ня­ют­ся не­зна­чи­тель­но. В ря­де мо­ле­ку­ляр­ных кри­стал­лов вы­де­ля­ют так­же др. ме­ха­низ­мы ра­зу­по­ря­до­че­ния при П. (ори­ен­та­ци­он­ный, кон­фи­гу­ра­ци­он­ный, ко­ле­ба­тель­ный). Эн­тро­пия ве­ще­ст­ва при П. воз­рас­та­ет, при­чём в за­ви­си­мо­сти от ха­рак­те­ра из­ме­не­ния струк­ту­ры ве­ще­ст­ва те или иные ме­ха­низ­мы ра­зу­по­ря­до­че­ния вно­сят разл. вклад в её при­рост. Напр., для по­лу­про­вод­ни­ков, пе­ре­хо­дя­щих при П. в ме­тал­лич. со­стоя­ние, су­ще­ст­вен­ный вклад в эн­тро­пию обу­слов­лен уве­ли­че­ни­ем кон­цен­тра­ции элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти при П. Для раз­ры­ва свя­зей ме­ж­ду час­ти­ца­ми при П. тре­бу­ет­ся энер­гия, ве­ли­чи­на ко­то­рой за­ви­сит от кон­крет­ного ве­ще­ст­ва и на­зы­ва­ет­ся те­п­ло­той плав­ле­ния.

Темп-ры П. раз­ных ве­ществ ле­жат в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле. Сре­ди од­но­ком­по­нент­ных ве­ществ наи­бо­лее низ­кую темп-ру П. при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии име­ет во­до­род (Тпл=14 К); са­мым ту­го­плав­ким ме­тал­лом яв­ля­ет­ся вольф­рам (Тпл=3693 К), а наи­бо­лее ту­го­плав­ки­ми со­еди­не­ния­ми – кар­би­ды, напр. ТаС (Тпл=4258 К) и HfC (Тпл=4163 К).

Рис. 1. Фазовая диаграмма однокомпонентного вещества; А – тройная точка; K – критическая точка.

На фа­зо­вой диа­грам­ме од­но­ком­по­нент­но­го ве­ще­ст­ва (рис. 1) за­ви­си­мость Тпл от дав­ле­ния (ли­ния П.) опи­сы­ва­ет­ся ли­ни­ей AB, со­от­вет­ст­вую­щей фа­зо­во­му рав­но­ве­сию ме­ж­ду кри­стал­лом и жид­ко­стью. Ли­ния AD (про­дол­же­ние ли­нии П. в об­ласть от­ри­ца­тель­ных дав­ле­ний) опи­сы­ва­ет ме­та­ста­биль­ное со­стоя­ние рав­но­ве­сия кри­стал­ла с жид­ко­стью, на­хо­дя­щих­ся в рас­тя­ну­том со­стоя­нии. Ход ли­нии П. оп­ре­де­ля­ет­ся зна­ком из­ме­не­ния объ­ё­ма. Для боль­шин­ст­ва ве­ществ на­блю­да­ет­ся уве­ли­че­ние объ­ё­ма при П. и не­ог­ра­ни­чен­ный рост Тпл при уве­ли­че­нии дав­ле­ния (нор­маль­ный ход ли­нии П.). Это оз­на­ча­ет бо­лее вы­со­кую упо­ря­до­чен­ность и плот­ность кри­стал­лич. фа­зы по срав­не­нию с рас­пла­вом. Вме­сте с тем из­вест­ны ве­ще­ст­ва (напр., гал­лий, вис­мут, лёд), у ко­то­рых при от­но­си­тель­но низ­ких дав­ле­ни­ях на­блю­да­ет­ся умень­ше­ние объ­ё­ма при П. и умень­ше­ние Тпл с рос­том дав­ле­ния (ано­маль­ный ход ли­нии П.). При П. та­ких ве­ществ про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние не­упо­ря­до­чен­ной струк­ту­ры с бо­лее плот­ной упа­ков­кой час­тиц. Од­на­ко с уве­ли­че­ни­ем дав­ле­ния эти ве­ще­ст­ва ис­пы­ты­ва­ют по­ли­морф­ный пе­ре­ход, по­сле ко­то­ро­го ход ли­нии П. ста­но­вит­ся нор­маль­ным. На ли­ни­ях П. не­ко­то­рых ве­ществ (напр., це­зия, ба­рия) на­блю­да­ет­ся тем­пе­ра­тур­ный мак­си­мум, за ко­то­рым (при по­вы­ше­нии дав­ле­ния) ход ли­нии П. ста­но­вит­ся ано­маль­ным, при­чём в точ­ке мак­си­му­ма кри­сталл и рас­плав име­ют оди­на­ко­вую плот­ность. При даль­ней­шем рос­те дав­ле­ния та­кие ве­ще­ст­ва ис­пы­ты­ва­ют по­ли­морф­ный пе­ре­ход, по­сле ко­то­ро­го на­клон кри­вых П. вновь ста­но­вит­ся по­ло­жи­тель­ным.

На ли­нии П. (в от­ли­чие от ли­нии рав­но­ве­сия жид­кость–пар) от­сут­ст­ву­ют осо­бен­но­сти ти­па кри­ти­че­ской точ­ки, что свя­за­но с раз­ли­чи­ем сим­мет­рии кри­стал­ла и жид­ко­сти. Осо­бый вид име­ет фа­зо­вая диа­грам­ма ге­лия: на ней от­сут­ст­ву­ет трой­ная точ­ка рав­но­ве­сия кри­сталл– жид­кость–пар. Ге­лий твёр­дый мо­жет су­ще­ст­во­вать толь­ко при по­вы­шен­ном дав­ле­нии, ко­то­рое при 0 К для 4He со­став­ля­ет ок. 2,5 МПа, для 3He – ок. 3,4 МПа.

При П. име­ет ме­сто раз­мер­ный эф­фект, ко­то­рый за­мет­но про­яв­ля­ет­ся в об­раз­цах суб­мик­рон­но­го раз­ме­ра. В та­ких кри­стал­лах боль­шая до­ля ато­мов на­хо­дит­ся в по­верх­но­ст­ном слое. Это при­во­дит к то­му, что пе­ре­ход от кри­стал­лич. со­стоя­ния к жид­ко­му, свя­зан­ный с по­ни­же­ни­ем энер­гии тер­мо­ди­на­мич. сис­те­мы, про­ис­хо­дит при бо­лее низ­кой темп-ре, чем в мас­сив­ных об­раз­цах. Напр., ес­ли для мак­ро­ско­пич. об­раз­ца свин­ца Тпл=600 К, то для об­раз­цов раз­ме­ром 10, 5 и 3 нм Тпл со­став­ля­ет со­от­вет­ст­вен­но 580, 540 и 490 К.

Рис. 2. Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы.

Для мно­го­ком­по­нент­ных сис­тем Тпл за­ви­сит от их со­ста­ва. Так, для двух­ком­по­нент­ной сис­те­мы с не­ог­ра­ни­чен­ной рас­тво­ри­мо­стью ком­по­нен­тов за­ви­си­мость Тпл от кон­цен­тра­ции x од­но­го из них при по­сто­ян­ном дав­ле­нии и оди­на­ко­вой сим­мет­рии кри­стал­лич. ре­шё­ток име­ет вид, изо­бра­жён­ный на рис. 2. Кон­цен­тра­ции ком­по­нен­тов в кри­стал­ле и рас­пла­ве, на­хо­дя­щих­ся в рав­но­ве­сии, раз­лич­ны (хкр и хж на рис. 2 при темп-ре Т1). Ли­нии S и L на диа­грам­ме опи­сы­ва­ют со­от­вет­ст­вен­но за­ви­си­мо­сти темп-ры на­ча­ла (кри­вая со­ли­ду­са) и темп-ры окон­ча­ния (кри­вая ли­к­ви­ду­са) П. от кон­цен­тра­ции и ог­ра­ни­чи­ва­ют об­ласть, в ко­то­рой со­су­ще­ст­ву­ют кри­стал­лы твёр­до­го рас­тво­ра и рас­плав. Для слу­чая ог­ра­ни­чен­ной рас­тво­ри­мо­сти ком­по­нен­тов (с разл. сим­мет­ри­ей кри­стал­лич. ре­шё­ток) фа­зо­вая диа­грам­ма име­ет бо­лее слож­ный вид.

П. иг­ра­ет важ­ную роль в при­ро­де и жиз­не­дея­тель­но­сти че­ло­ве­ка (П. льда и сне­га, про­цес­сы в не­драх Зем­ли и кос­мо­се и др.). П. – со­став­ная часть мн. тех­но­ло­гич. про­цес­сов (про­из-во чис­тых ме­тал­лов и спла­вов, из­де­лий из них).

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

• Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
• Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
• Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.

Таблица прочности металлов

Изготовление припоя

Для того чтобы повысить эксплуатационные характеристики припоя, в его состав добавляется небольшое количество сурьмы. Подобный вариант исполнения припоя применяется для пайки различных радиодеталей, особенно ответственных участков.

При выборе припоя следует уделить внимание и сплаву с серебром в составе. Его эксплуатационными качествами можно назвать:

1. Существенно повышается срок эксплуатации. За счет серебра структура становится более устойчивой к процессу окисления.
2. За счет повышения концентрация серебра появляется возможность использовать припой при изготовлении различных деталей промышленной техники. Однако серебро существенно повышает стоимость сплава, а также изготавливаемого изделия. Именно поэтому сплавы с высокой концентрацией серебра используют для изготовления важных деталей.

Проводится добавление в состав цинка, но подобные сплавы пользуются меньшей популярностью. Это связано с достаточно высокой химической активностью цинка. За счет взаимодействия с окружающей средой подобный сплав быстро разрушается. На основе цинкосодержащей смеси производятся припайные пасты, которые имеют относительно небольшой срок службы. Температура плавления в этом случае составляет 200 градусов Цельсия.

На протяжении многих лет используется и чистое олово в качестве полупроводникового припоя. Температура плавления этого элемента в чистом виде составляет 240 градусов Цельсия. Применяются они исключительно в промышленности, что связано с высокой стоимостью. В чистом виде из-за существенного повышения температуры структура олова перестраивается, на поверхности появляются черные пятна, которые указывают на существенное ухудшение основных качеств.

Понятие удельной теплоты кристаллизации

Под удельной теплотой кристаллизации (плавления) понимают количество энергии, высвобождаемой (потребляемой) 1 кг. вещества при переходе от жидкого состояния в твердое (и наоборот). Важно отметить, что в процессе кристаллизации (плавления) температура вещества не меняется и она уже доведена до величины, при которой возможен сам процесса.

Измеряется удельная теплота кристаллизации (плавления) в Дж/кг., обозначается буквой греческого алфавита λ. По определению:

где Q – это количество энергии, высвобождаемой (потребляемой) m килограммами вещества.

Типы сплавов металлов

Типы металлических сплавов различаются на основе температуры плавления, поэтому выделяют следующие варианты сплава:

• Легкоплавкий (олово, цинк, свинец, висмут) с температурой плавления не больше 600 °C.
• Среднеплавкий (алюминий, магний, никель, железо) с температурой 600 — 1 600 °C.
• Тугоплавкий (молибден, вольфрам, титан) с температурой более 1 600 °C.

Далее расскажем немного о разновидностях сталей, о сплаве вуда и припоях.

Особенности углеродистой стали

В данном материале содержится примесь углерода, примерно 2,13 %. При этом он лишен легирующих добавок, но есть примеси кремния, марганца и магния.

Особенности легированной стали

Помимо содержания углерода и железа в неё добавляют дополнительные элементы, улучшающие её свойства.

Особенности нержавейки

Нержавеющая сталь отлична от углеродистой из-за содержания элемента хрома в своем составе, благодаря свойствам которого она не подвержена окислению, а, следовательно, покрытию ржавчиной.

Особенности инструментальной стали

Также обладает углеродистым составом (0,8 – 0,9 %). Демонстрирует твердость, прочность, хорошо поддаются обработке. Используется в изготовлении инструментов, например, медицинских.

Сплав Вуда

Представляет собой материал, применяемый при паянии деталей для радиоприемников, а также в гальванической пластике, при работе в лабораторных условиях с ядохимикатами.

Сплавы для пайки

Другое их название – припои. Материалы для припоев бывают различными. Все зависит от того, что входит в состав материалов, которые необходимо соединить. К примеру, алюминий требует один сплав припоя, а вот медь уже совершенно другой.

Сплавы и некоторые особенности олова

Применение оловянных сплавов распространено в качестве антифрикционных материалов, то есть материалов, которые обладают низким коэффициентом трения, или способных снизить коэффициент трения других материалов. С помощью антифрикционных материалов можно значительно увеличить срок работы механизмов и машин, уменьшая потери трения.

Еще одна интересная особенность олова (так называемого белого) — это его свойство при снижении температуры до 13.2°С увеличивать объём на 25,6%. При этом образуется, так называемое, серое олово. При достижении температуры -33°С металл трескается и становится порошком. Если произойдет соприкосновение серого и белого металла, произойдет «заражение» белого. Совокупность таких явлений называют «оловянной чумой».

Различные сплавы на основе олова применяются в электротехнике при изготовлении электро-конденсаторов. В конденсаторах активно используют станиоль: практически чистый металл в виде тонких листов.