при какой температуре начинает плавиться железо
Железо: химические свойства и температура плавления
Металлы плавятся, как правило, при очень высокой температуре, которая может достигать более 3 тыс. градусов. Хотя некоторые из них можно расплавить в домашних условиях, например, свинец или олово. А вот ртуть плавят при температуре минус 39 градусов. В домашних условиях этого добиться не удастся. Температура плавления — это один из важных показателей производства не только самого металла, но и его сплавов. Выплавляя сырье, специалисты учитывают и другие физические и химические свойства руды и металла.
Железо и его свойства
Железо — это химический элемент, который в таблице Менделеева находится под номером 26. Это один из самых распространенных элементов во всей Солнечной системе. Согласно материалам исследований, в составе ядра Земли находится примерно 79−85% этого вещества. В земной коре его тоже присутствует большое количество, но оно уступает алюминию.
В чистом виде металл имеет белый цвет с чуть серебристым оттенком. Он пластичен, но имеющиеся в нем примеси могут определять его физические свойства. Реагирует на магнит.
Железо присутствует в воде. В речных водах его концентрация равна примерно 2 мг/л металла. В морской воде его содержание может быть ниже в сто или даже тысячу раз.
Оксид железа — это основная форма, добыча которой осуществляется и которая находится в природе. Оксидное железо может располагаться в самой верхней части земной коры и быть составляющей осадочных образований.
Элемент, находящийся на двадцать шестом месте в таблице Менделеева, может иметь несколько степеней окисления. Именно они определяют его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В ядре Земли металл присутствует в нейтральной форме.
Добыча полезных ископаемых
Руд, в которых присутствует железо, существует несколько. Однако, в качестве сырья для производства железа в промышленности используют в основном следующие:
А также часто встречаются такие разновидности руды:
Существует еще минерал под названием мелантерит. Его используют преимущественно в фармацевтической промышленности. Из себя он представляет зелёного цвета хрупкие кристаллы, в которых присутствует стеклянный блеск. Из него производят лекарственные препараты, в составе которых имеется ферум.
Основным месторождением этого металла является Южная Америка, а именно Бразилия.
Плавление железа и необходимая температура
Точкой плавления металла называют такую минимальную температуру, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При этом в объеме он практически остается неизменным.
Металл могут производить из руды различными способами, но самый основной из них — это доменный. Помимо доменного, используют еще выплавку железа при помощи обжига измельченной руды с примесью глины. Из полученной смеси формируют окатыши, которые обрабатываются в печи с последующим восстановлением водородом. Далее плавление железа осуществляется в электрической печи.
Температура плавления железа весьма высока. Для технически чистого элемента она составляет +1539 °C. В этом веществе присутствует примесь — Сера, которую можно извлечь лишь в жидком виде. Без примесей чистый материал получают при электролизе солей металла.
Классификация металлов по температуре плавления
Разные металлы могут переходить в жидкое состояние при разной температуре. Вследствие этого выделяют определённую классификацию. Их делят следующим образом:
Единственный элемент, который при обычных условиях находится в жидком состоянии — это ртуть. Температура его плавления составляет минус 39 градусов и его пары являются ядовитыми, поэтому его используют только в лабораториях и закрытых ёмкостях.
Сплавы железа и температура их плавления.
Температура плавления железа является важным показателем технологии производства металла и его сплавов. При выплавке сырья учитываются физические и химические свойства руды и металла.
Физические и химические свойства железа
Добыча металла
Среди руд, содержащих железо, сырьем для промышленного производства являются:
Гетит и гидрогетит формируют образования в коре выветривания, размером сотни метров. В зоне шельфа и озерах коллоидные растворы минералов в результате осаждения образуют оолиты (бобовые железные руды).
Пирит и пирротин, широко распространенные в природе минералы железа, используются в качестве сырья для производства серной кислоты.
К часто встречающимся минералам железа относятся также:
Минерал мелантерит, представляющий собой хрупкие зеленые кристаллы со стеклянным блеском, используется в фармацевтической промышленности для производства железосодержащих препаратов.
Основное месторождение этого металла находится в Бразилии. В последнее время внимание сосредоточивается на разработке конкреций, присутствующих на морском дне, в которых содержатся железо и марганец.
Плавление железа
От чего зависит температура плавления железа?
Производство металла предусматривает различные технологии его извлечения из рудного сырья. Наиболее распространена выплавка железа доменным способом.
Перед тем как выплавлять металл, его восстанавливают в печи при температуре +2000 °C. Для извлечения примесей добавляется флюс, разлагающийся при нагревании до оксида с последующим соединением с диоксидом кремния и образованием шлака.
Кроме доменного способа выплавка железа производится путем обжига измельченной руды с глиной. Из смеси формируются окатыши и обрабатываются в печи с восстановлением водородом. Дальнейшая плавка железа производится в электрических печах.
Свойства металла зависят от чистоты материала. Для технически чистого железа температура плавления составляет +1539 °C. Сера является вредной примесью. Извлечь ее можно только из жидкого раствора. Химически чистый материал получают в результате электролиза солей металла.
Сплавы металла
В чистом виде этот материал мягкий, поэтому для повышения прочности в состав вводят углерод.
В металлургии сплавы железа называют черными металлами.
В зависимости от компонентов лигатуры меняются свойства материалов. Температура плавления железа также меняется при наличии лигатурных компонентов.
Удельная теплота плавления стали равна 84 кДж. Этот показатель обозначает, что при температуре плавления стали для перевода 1 кг сплава из кристаллического в жидкое состояние необходимо 84 кДж энергии.
Соединения из различных металлов образуют сплавы. Удельная теплота плавления чугуна составляет 96–140 кДж. Чугун содержит до 4% углерода, 1,5% марганца, до 4,5% кремния и примеси в виде серы и фосфора. Различают белый и серый сплавы.
В белом часть углерода находится в соединении карбида железа. Такой сплав отличается хрупкостью и твердостью. Он предназначается для изготовления конструкций и деталей.
Серый сплав, содержащий углерод в виде графита, легко поддается обработке. Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Плавление руды сопровождается восстановительной реакцией железа из оксидов углеродом.
Большинство веществ может плавиться с увеличением объема при нагревании. Для чугуна объемом 1000 см³ этот показатель составляет 988–994 см³.
Чугун является сырьем для производства стали, отличающейся содержанием углерода (не выше 2,14%).
По химическому составу различают сталь:
Углеродистая сталь содержит примеси серы, фосфора и кремния. Она отличается низкими электротехническими свойствами, низкой прочностью, легко поддается процессу коррозии.
Наличие лигатурных добавок придает стали новые технические свойства. В качестве дополнительных компонентов используют:
В состав высоколегированной стали входит не более 10% добавок. Сплав отличается прочностью. Технология производства стали из чугуна позволяет получить высококачественный материал для производства:
В качестве сырья сталь используется в разных отраслях промышленности. Без нее невозможно представить авиастроение, кораблестроение, автомобильную отрасль и многие другие производственные сферы.
Температура кипения и плавления металлов. Температура плавления стали
Температура кипения и плавления металлов
В таблице представлена температура плавления металлов tпл, их температура кипения tк при атмосферном давлении, плотность металлов ρ при 25°С и теплопроводность λ при 27°С.
Температура плавления металлов, а также их плотность и теплопроводность приведены в таблице для следующих металлов: актиний Ac, серебро Ag, алюминий Al, золото Au, барий Ba, берилий Be, висмут Bi, кальций Ca, кадмий Cd, кобальт Co, хром Cr, цезий Cs, медь Cu, железо Fe, галлий Ga, гафний Hf, ртуть Hg, индий In, иридий Ir, калий K, литий Li, магний Mg, марганец Mn, молибден Mo, натрий Na, ниобий Nb, никель Ni, нептуний Np, осмий Os, протактиний Pa, свинец Pb, палладий Pd, полоний Po, платина Pt, плутоний Pu, радий Ra, рубидий Pb, рений Re, родий Rh, рутений Ru, сурьма Sb, олово Sn, стронций Sr, тантал Ta, технеций Tc, торий Th, титан Ti, таллий Tl, уран U, ванадий V, вольфрам W, цинк Zn, цирконий Zr.
Наиболее тугоплавкими являются следующие металлы: гафний, иридий, молибден, ниобий, осмий, рений, рутений, тантал, технеций, вольфрам. Температура плавления этих металлов выше 2000°С.
Приведем примеры температуры плавления металлов, широко применяемых в промышленности и в быту:
Максимальной температурой кипения из металлов, представленных в таблице, обладает рений Re — она составляет 5596°С. Также высокими температурами кипения обладают металлы, относящиеся к группе с высокой температурой плавления.
Теплопроводность металлов в таблице изменяется от 6,3 до 427 Вт/(м·град), таким образом хуже всего проводит тепло такой металл, как нептуний, а лучшим теплопроводящим металлом является серебро.
Температура плавления стали
Представлена таблица значений температуры плавления стали распространенных марок. Рассмотрены стали для отливок, конструкционные, жаропрочные, углеродистые и другие классы сталей.
Температура плавления стали находится в диапазоне от 1350 до 1535°С. Стали в таблице расположены в порядке возрастания их температуры плавления.
| Сталь | tпл, °С | Сталь | tпл, °С |
|---|---|---|---|
| Стали для отливок Х28Л и Х34Л | 1350 | Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9Т | 1425 |
| Сталь конструкционная 12Х18Н10Т | 1400 | Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н13 | 1440 |
| Жаропрочная высоколегированная 20Х20Н14С2 | 1400 | Жаропрочная высоколегированная 40Х10С2М | 1480 |
| Жаропрочная высоколегированная 20Х25Н20С2 | 1400 | Сталь коррозионно-стойкая Х25С3Н (ЭИ261) | 1480 |
| Сталь конструкционная 12Х18Н10 | 1410 | Жаропрочная высоколегированная 40Х9С2 (ЭСХ8) | 1480 |
| Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9 | 1410 | Коррозионно-стойкие обыкновенные 95Х18…15Х28 | 1500 |
| Сталь жаропрочная Х20Н35 | 1410 | Коррозионно-стойкая жаропрочная 15Х25Т (ЭИ439) | 1500 |
| Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н18 (ЭИ417) | 1415 | Углеродистые стали | 1535 |
При какой температуре плавится металл
При термическом воздействии на детали в процессе сварки важно учитывать температуру плавления металлов. От этого показателя зависят токовые параметры. Необходимо создать электрической дугу или пламя в газовой горелке такой тепловой мощности, чтобы разрушить молекулярные связи. Параметр, при котором сталь или цветной сплав плавится, учитывают при выборе конструкционных материалов для узлов, испытывающих силу трения или металлоконструкций, испытывающих термическое воздействие.
Процесс плавления
При термовоздействии на деталь изменение внутренней структуры происходит за счет накопления энергии молекулами. Скорость их движения возрастает. В критической точке нагрева начинается разрушение кристаллической структуры, межмолекулярные связи уже не могут удержать молекулы в узлах решетки. Взамен колебательным движениям в пределах узла происходит хаотическое движение, образуется ванна расплава в месте нагрева. Точку начала расплавления вещества в лабораторных условиях определяют до сотых долей градуса, причем этот показатель не зависит от внешнего давления на заготовку. В вакууме и под давлением металлические заготовки начинают плавиться при одной и той же температуре, это объясняется процессом накопления внутренней энергии, необходимой для разрушения межмолекулярных связей.
Классификация металлов по температуре плавления
В физике переход твердого тела в жидкое состояние характерен только для веществ кристаллической структуры. Температуру плавления металлов чаще обозначают диапазоном значений, для сплавов точно определить нагрев до пограничного фазового состояния сложно. Для чистых элементов каждый градус имеет значение, особенно, если это легкоплавкие элементы,
значения не имеет. Сводная таблица показателей t обычно делится на 3 группы. Помимо легкоплавких элементов, которые максимально нагревают до +600°С, указывают тугоплавкие, выдерживающие нагрев свыше +1600°С, и среднеплавкие. В этой группе сплавы, образующие ванну расплава при температуре от +600 до 1600°С.
Разница между температурой плавления и кипения
Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.
При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.
Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:
| Свойства | Температура плавки | Температура кипения |
|---|---|---|
| Физическое состояние | Сплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистость | Переход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава |
| Фазовый переход | Равновесие между жидкой и твердой фазами | Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха |
| Влияние внешнего давления | Не меняется | Изменяется, падает при разряжении |
Таблицы температур плавления металлов и сплавов
Для удобства границы фазового перехода указаны по группам в порядке возрастания t фазового перехода из твердого в жидкое состояние. Из всех элементов выбраны часто встречающиеся.
Таблица плавления легкоплавких металлов и сплавов (расплавляются до +600°С).
| Название элемента или соединения | Буквенный символ в периодической таблице элементов | Температура образования расплава | Температура закипания |
|---|---|---|---|
| Ртуть | Hg | -38,9°С | +356,7°С |
| Литий | Li | +18°С | +1342°С |
| Цезий | Cs | +28,4°С | +667,5°С |
| Калий | K | +63,6°С | +759°С |
| Натрий | Na | +97,8°С | +883°С |
| Индий | In | +156,6°С | +2072°С |
| Олово | Sn | +232°С | +2600°С |
| Висмут | Bi | +271,4°С | +1564°С |
| Таллий | Tl | +304°С | +1473°С |
| Кадмий | Cd | +321°С | +767°С |
| Свинец | Pb | +327°С | +1750°С |
| Цинк | Zn | +420°С | +907°С |
Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов, диапазон фазового перехода от +600 до 1600°С.
| Наименование | Обозначение металла или химический состав сплава | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|---|
| МЕТАЛЛЫ | |||
| Сурьма | Sb | +630,6°С | +1587°С |
| Магний | Mg | +650°С | +1100°С |
| Алюминий | Al | +660°С | +2519°С |
| Барий | Ba | +727°С | +1897°С |
| Кальций | Ca | +842°С | +1484°С |
| Серебро | Ag | +960°С | +2180°С |
| Золото | Au | +1063°С | +2660°С |
| Марганец | Mn | +1246°С | +2061°С |
| Медь | Cu | +1083°С | +2580°С |
| Бериллий | Be | +1287°С | +2471°С |
| Кремний | Si | +1415°С | +2350°С |
| Никель | Ni | +1455°С | +2913°С |
| Кобальт | Co | +1495°С | +2927°С |
| Железо | Fe | +1539°С | +900°С |
| СПЛАВЫ | |||
| Дюрали | Al+ Mg+Cu+Mn | +650°С | |
| Латуни | сплавы на основе меди и цинка | +950…1050°С | |
| Нейзильбер | Cu+Zn+Ni | +1100°С | |
| Чугун | углеродистое железо | +1100…1300°С | |
| Углеродистые стали | +1300…1500°С | ||
| Нихром | Fe+Ni+Cr+Si+Mn+Al | +1400°С | |
| Инвар | Fe+Ni | +1425°С | |
| Фехраль | Fe+Cr+Al+Mn+Si | +1460°С | |
Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов (свыше +1600°С).
При какой температуре начинает плавиться железо
На чтение 6 мин. Просмотров 370 Опубликовано 17.01.2021
Металлы и сплавы – это незаменимая основа для литейного и ювелирного производства, ковки и многих других сфер. Что бы ни делал человек из металла (какой бы это ни был процесс), для правильной работы ему нужно знать, при какой температуре плавится тот или иной металл. Мы подробно рассмотрим процесс плавления, его отличие от кипения, а также сравним температуры в таблицах.
Таблица температур плавления
Узнать какая нужна температура для плавления металлов, поможет таблица по возрастанию температурных показателей.
| Элемент или соединение | Необходимый температурный режим |
|---|---|
| Литий | +18°С |
| Калий | +63,6°С |
| Индий | +156,6°С |
| Олово | +232°С |
| Таллий | +304°С |
| Кадмий | +321°С |
| Свинец | +327°С |
| Цинк | +420°С |
Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов.
| Элемент либо сплав | Температурный режим |
|---|---|
| Магний | +650°С |
| Алюминий | +660°С |
| Барий | +727°С |
| Серебро | +960°С |
| Золото | +1063°С |
| Марганец | +1246°С |
| Медь | +1083°С |
| Никель | +1455°С |
| Кобальт | +1495°С |
| Железо | +1539°С |
| Дюрали | +650°С |
| Латуни | +950…1050°С |
| Чугун | +1100…1300°С |
| Углеродистые стали | +1300…1500°С |
| Нихром | +1400°С |
Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов.
| Наименование элемента | Температурный режим |
|---|---|
| Титан | +1680°С |
| Платина | +1769,3°С |
| Хром | +1907°С |
| Цирконий | +1855°С |
| Ванадий | +1910°С |
| Иридий | +2447°С |
| Молибден | +2623°С |
| Тантал | +3017°С |
| Вольфрам | +3420°С |
Что такое температура плавления
Каждый металл имеет неповторимые свойства, и в этот список входит температура плавления. При плавке металл уходит из одного состояния в другое, а именно из твёрдого превращается в жидкое. Чтобы сплавить металл, нужно приблизить к нему тепло и нагреть до необходимой температуры – этот процесс и называется температурой плавления. В момент, когда температура доходит до нужной отметки, он ещё может пребывать в твёрдом состоянии. Если продолжать воздействие – металл или сплав начнет плавиться.
Плавление и кипение – это не одно и то же. Точкой перехода вещества из твердого состояния в жидкое, зачастую называют температуру плавления металла. В расплавленном состоянии у молекул нет определенного расположения, но притяжение сдерживает их рядом, в жидком виде кристаллическое тело оставляет объем, но форма теряется.
При кипении объем теряется, молекулы между собой очень слабо взаимодействуют, движутся хаотично в разных направлениях, совершают отрыв от поверхности. Температура кипения – это процесс, при котором давление металлического пара приравнивается к давлению внешней среды.
Для того, чтобы упростить разницу между критическими точками нагрева мы подготовили для вас простую таблицу:
| Свойство | Температура плавки | Температура кипения |
|---|---|---|
| Физическое состояние | Сплав переходит в расплав, разрушается кристаллическая структура, проходит зернистость | Переходит в состояние газа, некоторые молекулы могут улетать за пределы расплава |
| Фазовый переход | Равновесие между твердым состоянием и жидким | Равновесие давления между парами металла и воздухом |
| Влияние внешнего давления | Нет изменений | Изменения есть, температура уменьшается при разряжении |
При какой температуре плавится
Металлические элементы, какими бы они ни были – плавятся почти один в один. Этот процесс происходит при нагреве. Оно может быть, как внешнее, так и внутреннее. Первое проходит в печи, а для второго используют резистивный нагрев, пропуская электричество либо индукционный нагрев. Воздействие выходит практически схожее. При нагреве, увеличивается амплитуда колебаний молекул. Образуются структурные дефекты решётки, которые сопровождаются обрывом межатомных связей. Под процессом разрушения решётки и скоплением подобных дефектов и подразумевается плавление.
У разных веществ разные температуры плавления. Теоретически, металлы делят на:
Плавление железа
Температура плавления железа достаточно высока. Для технически чистого элемента требуется температура +1539 °C. В этом веществе имеется примесь – сера, а извлечь ее допустимо лишь в жидком виде.
Без примесей чистый материал можно получить при электролизе солей металла.
Плавление чугуна
Чугун – это лучший металл для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий показатель усадки дают возможность эффективнее пользоваться им при литье. Далее рассмотрим показатели температуры кипения чугуна в градусах Цельсия:
Важно! Показатели плавления такого металла, как чугун – на 400 градусов ниже, по сравнению со сталью. Это значительно снижает затраты энергии при обработке.
Плавление стали
Плавления стали при температуре 1400 °C
Сталь – это сплав железа с примесью углерода. Её главная польза – прочность, поскольку это вещество способно на протяжении длительного времени сохранять свой объем и форму. Связано это с тем, что частицы находятся в положении равновесия. Таким образом силы притяжения и отталкивания между частицами равны.
Справка! Сталь плавится при 1400 °C.
Плавление алюминия и меди
Температура плавления алюминия равна 660 градусам, это означает то, что расплавить его можно в домашних условиях.
Чистой меди – 1083 градусов, а для медных сплавов составляет от 930 до 1140 градусов.
От чего зависит температура плавления
Для разных веществ температура, при которой полностью перестраивается структура до жидкого состояния – разная. Если взять во внимание металлы и сплавы, то стоит подметить такие моменты:
Термообработка, в большинстве случаев, почти не изменяет устойчивость к нагреву. Единственно верным способом увеличения устойчивости к нагреванию можно назвать внесение изменений в химический состав, для этого и проводят легирование стали.
Вольфрам – самый тугоплавкий металл, 3422 °C (6170 °F).
Твердый, тугоплавкий, достаточно тяжелый материал светло-серого цвета, который имеет металлический блеск. Механической обработке поддается с трудом. При комнатной температуре достаточно хрупок и ломается. Ломкость металла связана с загрязнением примесями углерода и кислорода.
Примечание! Технически, чистый металл при температуре выше четырехсот градусов по Цельсию становится очень пластичным. Демонстрирует химическую инертность, неохотно вступает в реакции с другими элементами. В природе встречается в виде таких сложных минералов, как: гюбнерит, шеелит, ферберит и вольфрамит.
Вольфрам можно получить из руды, благодаря сложным химическим переработкам, в качестве порошка. Используя прессование и спекание, из него создают детали обычной формы и бруски.
Вольфрам – крайне стойкий элемент к любым температурным воздействиям. По этой причине размягчить вольфрам не могли более сотни лет. Не существовало такой печи, которая смогла бы нагреться до нескольких тысяч градусов по Цельсию. Ученым удалось доказать, что это самый тугоплавкий металл. Хотя бытует мнение, что сиборгий, по некоторым теоретическим данным, имеет большую тугоплавкость, но это лишь предположение, поскольку он является радиоактивным элементом и у него небольшой срок существования.
Металлы плавятся, как правило, при очень высокой температуре, которая может достигать более 3 тыс. градусов. Хотя некоторые из них можно расплавить в домашних условиях, например, свинец или олово. А вот ртуть плавят при температуре минус 39 градусов. В домашних условиях этого добиться не удастся. Температура плавления – это один из важных показателей производства не только самого металла, но и его сплавов. Выплавляя сырье, специалисты учитывают и другие физические и химические свойства руды и металла.
Железо и его свойства
Железо – это химический элемент, который в таблице Менделеева находится под номером 26. Это один из самых распространенных элементов во всей Солнечной системе. Согласно материалам исследований, в составе ядра Земли находится примерно 79−85% этого вещества. В земной коре его тоже присутствует большое количество, но оно уступает алюминию.
В чистом виде металл имеет белый цвет с чуть серебристым оттенком. Он пластичен, но имеющиеся в нем примеси могут определять его физические свойства. Реагирует на магнит.
Железо присутствует в воде. В речных водах его концентрация равна примерно 2 мг/л металла. В морской воде его содержание может быть ниже в сто или даже тысячу раз.
Оксид железа – это основная форма, добыча которой осуществляется и которая находится в природе. Оксидное железо может располагаться в самой верхней части земной коры и быть составляющей осадочных образований.
Элемент, находящийся на двадцать шестом месте в таблице Менделеева, может иметь несколько степеней окисления. Именно они определяют его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В ядре Земли металл присутствует в нейтральной форме.
Добыча полезных ископаемых
Руд, в которых присутствует железо, существует несколько. Однако, в качестве сырья для производства железа в промышленности используют в основном следующие:
А также часто встречаются такие разновидности руды:
Существует еще минерал под названием мелантерит. Его используют преимущественно в фармацевтической промышленности. Из себя он представляет зелёного цвета хрупкие кристаллы, в которых присутствует стеклянный блеск. Из него производят лекарственные препараты, в составе которых имеется ферум.
Основным месторождением этого металла является Южная Америка, а именно Бразилия.
Плавление железа и необходимая температура
Точкой плавления металла называют такую минимальную температуру, при которой он переходит из твердого состояния в жидкое. При этом в объеме он практически остается неизменным.
Металл могут производить из руды различными способами, но самый основной из них – это доменный. Помимо доменного, используют еще выплавку железа при помощи обжига измельченной руды с примесью глины. Из полученной смеси формируют окатыши, которые обрабатываются в печи с последующим восстановлением водородом. Далее плавление железа осуществляется в электрической печи.
Температура плавления железа весьма высока. Для технически чистого элемента она составляет +1539 °C. В этом веществе присутствует примесь – Сера, которую можно извлечь лишь в жидком виде. Без примесей чистый материал получают при электролизе солей металла.
Классификация металлов по температуре плавления
Разные металлы могут переходить в жидкое состояние при разной температуре. Вследствие этого выделяют определённую классификацию. Их делят следующим образом:
Единственный элемент, который при обычных условиях находится в жидком состоянии – это ртуть. Температура его плавления составляет минус 39 градусов и его пары являются ядовитыми, поэтому его используют только в лабораториях и закрытых ёмкостях.
При термическом воздействии на детали в процессе сварки важно учитывать температуру плавления металлов. От этого показателя зависят токовые параметры. Необходимо создать электрической дугу или пламя в газовой горелке такой тепловой мощности, чтобы разрушить молекулярные связи. Параметр, при котором сталь или цветной сплав плавится, учитывают при выборе конструкционных материалов для узлов, испытывающих силу трения или металлоконструкций, испытывающих термическое воздействие.
Процесс плавления
При термовоздействии на деталь изменение внутренней структуры происходит за счет накопления энергии молекулами. Скорость их движения возрастает. В критической точке нагрева начинается разрушение кристаллической структуры, межмолекулярные связи уже не могут удержать молекулы в узлах решетки. Взамен колебательным движениям в пределах узла происходит хаотическое движение, образуется ванна расплава в месте нагрева. Точку начала расплавления вещества в лабораторных условиях определяют до сотых долей градуса, причем этот показатель не зависит от внешнего давления на заготовку. В вакууме и под давлением металлические заготовки начинают плавиться при одной и той же температуре, это объясняется процессом накопления внутренней энергии, необходимой для разрушения межмолекулярных связей.
Классификация металлов по температуре плавления
В физике переход твердого тела в жидкое состояние характерен только для веществ кристаллической структуры. Температуру плавления металлов чаще обозначают диапазоном значений, для сплавов точно определить нагрев до пограничного фазового состояния сложно. Для чистых элементов каждый градус имеет значение, особенно, если это легкоплавкие элементы,
значения не имеет. Сводная таблица показателей t обычно делится на 3 группы. Помимо легкоплавких элементов, которые максимально нагревают до +600°С, указывают тугоплавкие, выдерживающие нагрев свыше +1600°С, и среднеплавкие. В этой группе сплавы, образующие ванну расплава при температуре от +600 до 1600°С.
Разница между температурой плавления и кипения
Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.
При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.
Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:
| Свойства | Температура плавки | Температура кипения |
|---|---|---|
| Физическое состояние | Сплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистость | Переход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава |
| Фазовый переход | Равновесие между жидкой и твердой фазами | Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха |
| Влияние внешнего давления | Не меняется | Изменяется, падает при разряжении |
Таблицы температур плавления металлов и сплавов
Для удобства границы фазового перехода указаны по группам в порядке возрастания t фазового перехода из твердого в жидкое состояние. Из всех элементов выбраны часто встречающиеся.
Таблица плавления легкоплавких металлов и сплавов (расплавляются до +600°С).
| Название элемента или соединения | Буквенный символ в периодической таблице элементов | Температура образования расплава | Температура закипания |
|---|---|---|---|
| Ртуть | Hg | -38,9°С | +356,7°С |
| Литий | Li | +18°С | +1342°С |
| Цезий | Cs | +28,4°С | +667,5°С |
| Калий | K | +63,6°С | +759°С |
| Натрий | Na | +97,8°С | +883°С |
| Индий | In | +156,6°С | +2072°С |
| Олово | Sn | +232°С | +2600°С |
| Висмут | Bi | +271,4°С | +1564°С |
| Таллий | Tl | +304°С | +1473°С |
| Кадмий | Cd | +321°С | +767°С |
| Свинец | Pb | +327°С | +1750°С |
| Цинк | Zn | +420°С | +907°С |
Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов, диапазон фазового перехода от +600 до 1600°С.
| Наименование | Обозначение металла или химический состав сплава | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|---|
| МЕТАЛЛЫ | |||
| Сурьма | Sb | +630,6°С | +1587°С |
| Магний | Mg | +650°С | +1100°С |
| Алюминий | Al | +660°С | +2519°С |
| Барий | Ba | +727°С | +1897°С |
| Кальций | Ca | +842°С | +1484°С |
| Серебро | Ag | +960°С | +2180°С |
| Золото | Au | +1063°С | +2660°С |
| Марганец | Mn | +1246°С | +2061°С |
| Медь | Cu | +1083°С | +2580°С |
| Бериллий | Be | +1287°С | +2471°С |
| Кремний | Si | +1415°С | +2350°С |
| Никель | Ni | +1455°С | +2913°С |
| Кобальт | Co | +1495°С | +2927°С |
| Железо | Fe | +1539°С | +900°С |
| СПЛАВЫ | |||
| Дюрали | Al+ Mg+Cu+Mn | +650°С | |
| Латуни | сплавы на основе меди и цинка | +950…1050°С | |
| Нейзильбер | Cu+Zn+Ni | +1100°С | |
| Чугун | углеродистое железо | +1100…1300°С | |
| Углеродистые стали | +1300…1500°С | ||
| Нихром | Fe+Ni+Cr+Si+Mn+Al | +1400°С | |
| Инвар | Fe+Ni | +1425°С | |
| Фехраль | Fe+Cr+Al+Mn+Si | +1460°С | |
Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов (свыше +1600°С).
| Название | Символ элемента, формула соединения | Температура плавления | Температура кипения |
|---|---|---|---|
| Титан | Ti | +1680°С | +3300°С |
| Карбид титана | TiC | +3150°С | – |
| Торий | Th | +1750°С | +4788°С |
| Платина | Pt | +1769,3°С | +3825°С |
| Хром | Cr | +1907°С | +2671°С |
| Карбиды хрома | Cr23C6 | +1660°С | – |
| Cr7С3 | +1780°С | – | |
| Cr3С2 | +1890°С | – | |
| Цирконий | Zr | +1855°С | +4409°С |
| Карбид циркония | ZrC | +3530°С | – |
| Ванадий | V | +1910°С | +3407°С |
| Родий | Rh | +1964°С | +3695°С |
| Иридий | Ir | +2447°С | +4428°С |
| Ниобий | Nb | +2477°С | +4744°С |
| Молибден | Mo | +2623°С | +4639°С |
| Тантал | Ta | +3017°С | +5458°С |
| Вольфрам | W | +3420°С | +5555°С |
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 12 декабря 2020; проверки требуют 7 правок.
Температу́ра плавле́ния (обычно совпадает с температурой кристаллизации) – температура твёрдого кристаллического тела (вещества), при которой оно совершает переход в жидкое состояние. При температуре плавления вещество может находиться как в жидком, так и в твёрдом состоянии. При подведении дополнительного тепла вещество перейдёт в жидкое состояние, а температура не будет изменяться, пока всё вещество в рассматриваемой системе не расплавится. При отведении лишнего тепла (охлаждении) вещество будет переходить в твёрдое состояние (застывать), и, пока оно не застынет полностью, его температура не изменится.
Температура плавления/отвердевания и температура кипения/конденсации считаются важными физическими свойствами вещества. Температура отвердевания совпадает с температурой плавления только для чистого вещества. На этом свойстве основаны специальные калибраторы термометров для высоких температур. Так как температура отвердевания чистого вещества, например олова, стабильна, достаточно расплавить и ждать, пока расплав не начнёт кристаллизоваться. В это время, при условии хорошей теплоизоляции, температура застывающего слитка не изменяется и в точности совпадает с эталонной температурой, указанной в справочниках.
Смеси веществ не имеют температуры плавления/отвердевания вовсе и совершают переход в некотором диапазоне температур (температура появления жидкой фазы называется точкой солидуса, температура полного плавления – точкой ликвидуса). Поскольку точно измерить температуру плавления такого рода веществ нельзя, применяют специальные методы (ГОСТ 20287 и ASTM D 97). Но некоторые смеси (эвтектического состава) обладают определённой температурой плавления, как чистые вещества.
Аморфные (некристаллические) вещества, как правило, не обладают чёткой температурой плавления. С ростом температуры вязкость таких веществ снижается, и материал становится более жидким.
Поскольку при плавлении объём тела изменяется незначительно, давление мало влияет на температуру плавления. Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса. Температуру плавления при нормальном атмосферном давлении (101 325 Па, или 760 мм ртутного столба) называют точкой плавления.
Температуры плавления некоторых веществ[1]
| вещество | температура (°C) |
|---|---|
| гелий (при 2,5 МПа) | −272,2 |
| водород | −259,2 |
| кислород | −219 |
| азот | −210,0 |
| метан | −182,5 |
| спирт | −114,5 |
| хлор | −101 |
| аммиак | −77,7 |
| ртуть[2] | −38,83 |
| водяной лёд[3] | |
| бензол | +5,53 |
| цезий | +28,64 |
| галлий | +29,8 |
| сахароза | +185 |
| сахарин | +225 |
| олово | +231,93 |
| свинец | +327,5 |
| алюминий | +660,1 |
| серебро | +960,8 |
| золото | +1063 |
| медь | +1083,4 |
| кремний | +1415 |
| железо | +1539 |
| титан | +1668 |
| платина | +1772 |
| цирконий | +1852 |
| корунд | +2050 |
| рутений | +2334 |
| молибден | +2622 |
| карбид кремния | +2730 |
| карбид вольфрама | +2870 |
| осмий | +3054 |
| оксид тория | +3350 |
| вольфрам[2] | +3414 |
| углерод (сублимация) | +3547 |
| карбид гафния | +3890 |
| карбид тантала-гафния[4] | +3990 |
| карбонитрид гафния[5] | +4200 |
Предсказание температуры плавления (критерий Линдемана)[править | править код]
Попытка предсказать точку плавления кристаллических материалов была предпринята в 1910 году Фредериком Линдеманом (англ.)[6]. Идея заключалась в наблюдении того, что средняя амплитуда тепловых колебаний увеличивается с увеличением температуры. Плавление начинается тогда, когда амплитуда колебаний становится достаточно большой для того, чтобы соседние атомы начали частично занимать одно и то же пространство.
Критерий Линдемана утверждает, что плавление ожидается, когда среднеквадратическое значение амплитуды колебаний превышает пороговую величину.
Температура плавления кристаллов достаточно хорошо описывается формулой Линдемана[7]:
где – средний радиус элементарной ячейки, – температура Дебая, а параметр для большинства материалов меняется в интервале 0,15-0,3.
Температура плавления – расчёт
Формула Линдемана выполняла функцию теоретического обоснования плавления в течение почти ста лет, но развития не имела из-за низкой точности.
Расчёт температуры плавления металлов[править | править код]
В 1999 году профессором Владимирского государственного университета И. В. Гаврилиным было получено новое выражение для расчёта температуры плавления:
где – температура плавления, – скрытая теплота плавления, – число Авогадро, – константа Больцмана.
Впервые получено исключительно компактное выражение для расчёта температуры плавления металлов, связывающее эту температуру с известными физическими константами: скрытой теплотой плавления, числом Авогадро и константой Больцмана.
Формула выведена как одно из следствий новой теории плавления и кристаллизации, опубликованной в 2000 г.[8] Точность расчетов по формуле Гаврилина можно оценить по данным таблицы.
По этим данным, точность расчетов меняется от 2 до 30 %, что в расчетах такого рода вполне приемлемо.