Температура плавления химических элементов

Список химических элементов упорядочен в порядке возрастания атомных номеров с возможностью сортировки по другим параметрам. В таблице приводятся название химического элемента, используемый для его обозначения символ, группа и период в Периодической системе химических элементов, атомная масса, плотность, температура плавления, температура кипения, год открытия, фамилия первооткрывателя. Цвета строк отвечают семействам элементов:

Медь входит в семёрку самых древних металлов, с которыми люди познакомились на самом начальном этапе своего существования. Период с 4 по 3 тысячелетие до нашей эры так и называется медный век в истории развития человечества. Древние люди изготавливали из неё предметы быта, орудия труда и боевое оружие. Это стало возможным благодаря относительно невысокой температуре плавления меди.

Купрум: характеристика элемента

Научное наименование меди Cuprum (Купрум) происходит от названия греческого острова Кипр, где медь начали добывать ещё в середине третьего тысячелетия до нашей эры. В периодической таблице Менделеева химический элемент медь имеет 29 атомный (порядковый) номер, находится в 11 группе четвёртого периода. Принадлежит к пластичным переходным металлам. В чистом виде имеет характерный золотисто-розовый цвет. Чистую медь легко окислить, поэтому в естественных условиях она всегда образует на своей поверхности тонкую оксидную плёнку, которая придаёт ей красноватый оттенок.

Физические свойства

Это второй металл после серебра по уровню электропроводности, что делает её крайне востребованной в современной электронике. Второе ценное качество — высокая теплопроводность, это позволяет её широко применять во всевозможных теплообменниках и в холодильной аппаратуре.

  • Температура плавления 1083 градуса.
  • Температура кипения 2567 градусов.
  • Удельное сопротивление при 20 градусах составляет 1,68·10 -3 Ом·м.
  • Плотность 8,92 г/см.

Нахождение в природе

В природе встречается в самородном виде и в виде соединений.

Самые крупные месторождения самородной меди находятся в США в районе озера Верхнего. Именно в этом районе был найден самый крупный медный самородок весом 3560 килограмм. А также много самородной меди встречается в рудных горах Германии.

В России и на постсоветском пространстве добыча меди происходит путём извлечения из сульфидной руды. Её можно добыть, извлекая из медного колчедана или халькопирита CuFeS2. Наиболее известны такие месторождения, как Удокан в Забайкалье и Джезказган в Казахстане.

Сульфиты меди чаще всего образуются в так называемых среднетемпературных гидротермальных жилах. Могут образовываться и в осадочных породах в виде медистых песчаников и сланцев.

Как правило, медная руда всегда добывается открытым способом. Процентное содержание чистой меди в руде составляет от 0,2 до 1,0 процента в зависимости от месторождения.

Медные сплавы

Являются самыми первыми металлическими сплавами, получение которых человечество освоило ещё на самой заре своего развития. При какой температуре плавится медь, зависит от того, в каком сплаве она находится. В настоящее время наиболее известны и востребованы такие сплавы, как:

  • Латунь. Сплав с добавление цинка, содержание которого может доходить до 40%. Цинк повышает пластичность и прочность металла. Температура, при которой латунь плавится, составляет 880 — 950 градусов.
  • Бронза. Сплав с оловом, с добавлением некоторых других компонентов, таких как кремний, бериллий, свинец. Получать бронзу из меди человек научился ещё в самом начале бронзового века. Бронза не утратила своей актуальности даже с наступлением века железа, например, ещё в начале 20 века стволы пушек изготавливали из так называемой орудийной бронзы. Температура, при которой бронза начинает плавиться, составляет 930 — 1140 градусов.
  • Мельхиор. Кроме меди, содержит в своём составе 5−30% никеля. Никель увеличивает прочность медного сплава и повышает его электрическое сопротивление. Кроме того, сильно повышается коррозионная стойкость. Температура плавления — 1170 градусов. По своим внешним характеристикам мельхиор очень похож на серебро, раньше его называли белой медью. Но он обладает более высокой механической прочностью, чем обычное серебро.
  • Дюраль, или дюралюминий. Основную массу сплава составляет алюминий 93%, на медь приходится 5%, оставшиеся 2% занимают марганец, железо и магний. Название происходит от названия немецкого города Дюрен, где в 1906 году был впервые получен этот высокопрочный сплав алюминия. Одной из его особенностей является тот факт, что его прочностные характеристики с течением времени имеют тенденцию к увеличению. Поэтому он не теряет своей прочности после нескольких лет эксплуатации, как другие металлы. В настоящее время этот сплав является основой самолётостроения.
  • Ювелирные сплавы. Сплавы меди с золотом. Тем самым увеличивается устойчивость драгметалла к механическим воздействиям и истиранию.

Переплавка меди дома

Этот металл обладает целым набором полезных свойств, которые делают её весьма желанным металлом в домашнем хозяйстве. А относительно невысокая температура при плавлении и изрядное количество медного лома, которое можно обнаружить на ближайшей свалке, позволяют задавать вопрос о том, как расплавить медь в домашних условиях, не как риторический, а вполне реальный и практический.

График плавления меди

Расплавление любого металла заключается в том, что под воздействием высоких температур разрушается кристаллическая решётка и металл переходит из твёрдого состояния в жидкое. Можно выделить некоторые закономерности, свойственные любому металлу в процессе расплавления:

  • Во время нагревания температура внутри металла повышается, но кристаллическая решётка не подвергается разрушению. Металл сохраняет своё твёрдое состояние.
  • При достижении температуры плавления, для меди это 1083 градуса, температура внутри металла перестаёт повышаться, несмотря на то что общий нагрев и передача тепла продолжаются.
  • После того как вся масса метала переходит в расплавленное состояние, температура внутри металла снова начинает резко повышаться.
Читайте также:  Бура в глицерине состав

В случае процесса охлаждения расплавленного металла происходит всё то же самое, но в обратной последовательности. Сначала происходит резкое снижение температуры внутри металла, затем на значении 1080 градусов падение температуры прекращается до тех пор, пока вся масса метала не перейдёт в твёрдое состояние. После этого температура снова начинает резко падать, пока не сравняется с температурой окружающего воздуха и кристаллизация не завершится окончательно.

Температура кипения

Медь начинает активно выделять углерод в виде пузырьков газа при температуре 2560 градусов. Внешне это очень напоминает кипение воды. На самом деле это процесс активного окисления меди, в результате которого металл теряет практически все свои уникальные свойства. Детали, отлитые из кипящей меди, имеют в своей структуре большое количество пор, которые будут уменьшать механическую прочность материала и ухудшать его декоративные свойства. Потому в процессе плавки необходимо внимательно следить за температурой и не допускать закипания меди.

Способы плавки

Медный лом можно переплавить в домашних условиях разными способами в зависимости от технического оснащения домашней мастерской. При этом нужно иметь в виду, что придётся нагревать медь не до её температуры плавления, а чуть выше — примерно до 1100−1200 градусов.

Для этих целей годятся следующие приспособления:

  • Муфельная печь. Наиболее рациональное решение проблемы расплавления меди, так как такая печь позволяет регулировать температуру во время процесса плавки, что очень удобно. Подобные лабораторные печи оснащены специальным окном из жаропрочного стекла, что позволяет постоянно осуществлять визуальный контроль всего процесса.
  • Газовая горелка. Ручная газовая горелка размещается под дном ёмкости из тугоплавкого материала, в которой непосредственно будет размещаться медный лом. Этот способ предполагает наличие тесного контакта расплавляемой массы металла с воздухом, что будет способствовать усилению процесса окисления расплавляемого металла. Чтобы этому как-то противостоять, на расплавляемую массу сверху насыпают слой древесного угля.
  • Паяльная лампа. Способ практически ничем не отличается от плавки с помощью газовой горелки. Но в этом случае невозможно достигнуть относительно высоких температур, поэтому он годится для переплавки сплавов меди, которые обладают меньшей температурой плавления, чем чистая медь.
  • Кузнечный горн. На раскалённые древесные угли специального костра помещается тугоплавкий тигель с измельчённым металлом. Для ускорения процесса расплавления задействуют обычный бытовой пылесос, включённый в режиме выдувания. Труба пылесоса должна быть небольшого диаметра и иметь металлический наконечник, в противном случае она расплавится. Данный способ подходит для тех, кто занимается плавкой меди дома регулярно и имеет дело с большими объёмами исходного материала, который необходимо отжечь.
  • Микроволновая печь. Бытовая мощная микроволновка с небольшими изменениями конструкции может легко плавить довольно большие объёмы медного лома. Для этого необходимо убрать из микроволновки вращающуюся тарелку, а вместо неё поместить соответствующих размеров тигель, который необходимо сделать из тугоплавкого материала, например, из шамотного кирпича.

Пошаговая инструкция

Процесс плавления любого металла происходит поэтапно и подчиняется определённому алгоритму, который одинаков как для промышленного производства, так и для кустарного. Для тех, кто озадачен вопросом плавки меди в домашних условиях, пошаговая инструкция будет выглядеть следующим образом:

  • Необходимо взять тугоплавкий тигель. Металл в измельчённом состоянии насыпается в тигель. После этого тигель помещается в предварительно прогретую муфельную печь. С помощью специального окошка наблюдают за процессом расплавления.
  • После полного расплавления всего объёма медного лома тигель с помощью специальных длинных щипцов извлекается из печи.
  • На поверхности расплавленного металла образуется плёнка его оксида. Эту плёнку необходимо аккуратно сдвинуть в сторону к одной из стенок тигля. Для этих целей используют специальный крючок, изготовленный из тугоплавкого металла.
  • После того как металл освобождён от оксидной плёнки, необходимо его очень быстро разлить в предварительно подготовленные формы.

Практические рекомендации

Температура плавления меди в домашних условиях зависит от того, в каком сплаве она содержится.

Техническая чистая медь содержится в проводах и кабелях, а также в обмотках трансформаторов, электродвигателей и генераторов. При этом нужно иметь в виду, что химически чистая медь содержится только в столовых приборах и в прочей кухонной утвари. Во всех остальных случаях в ней присутствуют те или иные вредные компоненты.

В чистом виде обладает повышенной вязкостью в расплавленном состоянии, поэтому отливать из неё изделия сложной конфигурации и небольших размеров очень сложно. Гораздо легче для этих целей использовать латунь.

В сплавах бронзы, изготовленных вначале и середине прошлого века, использовали в качестве компонентов мышьяк и сурьму. Поэтому следует избегать расплавления так называемой старинной бронзы, так как пары мышьяка могут привести к отравлению организма.

Один из вариантов углубления и систематизации знаний по теме «Периодический закон и строение атома» – самостоятельный анализ основных закономерностей изменения свойств веществ в связи со строением их атомов. Такой подход используют ирландские коллеги в пособии (Е.Allan and J.Harris, New Higher Chemistry), изданном в Эдинбурге (Великобритания) в 2002 г. Материалы главы «Энергия веществ» из этого пособия использованы для проведения урока.

Работа на уроке строится групповым методом. Учащимся раздают таблицы, графики, задания с теоретическими вопросами, упражнениями.

1) Каждая группа выбирает одно из физических свойств, анализирует его.

2) Одна группа объясняет остальным закономерности изменений физической величины и их причины.

3) Все группы работают с соответствующими упражнениями на данную тему, учитель спрашивает одного из членов любой группы. При неверном ответе другие группы помогают ответить на вопрос.

4) Последовательно рассматриваются все свойства и выполняются упражнения.

5) В конце урока проводится обобщение.

1. Температуры плавления и кипения

На рис. 1 и 2 видны повторяющиеся точки, отражающие высокие и низкие температуры плавления и кипения. Высокие значения этих температур показывают, что для разрыва связей между атомами в веществах при их плавлении и испарении требуются большие энергетические затраты. Связи в веществах между атомами элементов, расположенных слева в периодической таблице Д.И.Менделеева, сильнее связей в веществах между атомами элементов, расположенных в ней справа. Температуры плавления и кипения уменьшаются в I группе периодической таблицы Д.И.Менделеева с увеличением атомного номера. Причина заключается в уменьшении сил притяжения между частицами вещества с увеличением атомного номера. В VII группе таблицы температуры кипения и плавления увеличиваются с возрастанием атомного номера благодаря увеличению сил притяжения между молекулами вещества.

Читайте также:  Как правильно разбавлять краску для краскопульта
Рис. 1.
Зависимость температуры кипения простых веществ
от атомного номера химического элемента
Рис. 2.
Зависимость температуры плавления простых веществ
от атомного номера химического элемента

На рис. 3. приведены плотности в г/см 3 . В любом периоде периодической таблицы Д.И.Менделеева плотность увеличивается начиная с I группы до максимума в центре периода, а затем уменьшается по мере приближения к VII группе. В любой группе этой таблицы плотность увеличивается с возрастанием атомного номера химического элемента.

Рис. 3.
Зависимость плотности простых веществ
от атомного номера химического элемента

Мерой размера атома является ковалентный атомный радиус, определяемый как половина расстояния между двумя ядрами связанных между собой атомов. Межъядерное расстояние может быть измерено с достаточной точностью при использовании метода рентгеноструктурного анализа. Значения некоторых ковалентных атомных радиусов приведены (см. с. 28) в табл. 1 в пикометрах
(1 пм = 10 –12 м) и на рис. 4, показывающем их периодическое изменение.

Рис. 4.
Зависимость ковалентного атомного радиуса
от атомного номера химического элемента

Ковалентные атомные радиусы, пм

Li Ве В С N О F
123 89 80 77 74 74 72
С
Na Мg Аl Si Р S Cl Ar
157 136 125 117 110 104 99
С
К Са As Br Kr
203 174 125 122 121 117 114
С
Rb Sr In Sn Sb Те I Хе
216 191 150 140 141 137 133

1. В горизонтальном ряду (периоде) периодической таблицы ковалентный атомный радиус уменьшается, потому что все атомы одного периода имеют одинаковое число занятых энергетических уровней и происходит увеличение на один протон в их ядре при движении слева направо от элемента к элементу. Благодаря увеличению положительного ядерного заряда возрастает притяжение электронов к ядру, сопровождающееся уменьшением размера внешней орбитали, т.е. ковалентного атомного радиуса.

2. В любой вертикальной колонке (группе) этой таблицы атомы всех элементов имеют одинаковое количество внешних электронов, но постепенно возрастающее число энергетических уровней в каждом последующем (находящемся ниже) элементе. Хотя ядерный заряд также увеличивается, его эффект компенсируется намного большим возрастанием радиуса внешней орбитали, т.е. ковалентный атомный радиус увеличивается при движении в группе сверху вниз. Расстояние между двумя атомными ядрами в ковалентной или полярной химической связи приблизительно равно сумме двух соответствующих ковалентных атомных радиусов.

4. Первая энергия ионизации (энтальпия)

В образовании ионных связей важен один фактор – энергия, необходимая для создания положительных ионов из нейтральных атомов (предполагается, что они находятся в газообразном состоянии). Эта величина, как и все энергетические величины в химии, измеряется для 1 моль вещества и называется энергией ионизации (энтальпией) Hи. Например:

Na (г.) Na + (г.) + e, Hи = (+)502 кДж/моль.

Для натрия 502 кДж необходимо для удаления каждого первого электрона из 1 моль атомов натрия в газообразном состоянии. Правильно это называется первой энергией ионизации натрия, поскольку можно затратить необходимое количество энергии для удаления последующих электронов из атома натрия. Например, вторая энергия ионизации:

Na + (г.) Na 2+ (г.) + e, Hи = (+)4560 кДж/моль.

Некоторые первые энергии ионизации приведены в табл. 2, а также вместе со вторыми энергиями ионизации для первых 20 элементов на рис. 5.

Рис. 5.
Первая (1) и вторая (2) энергии ионизации
атомов химических элементов

Первые энергии ионизации, кДж/моль

Li Ве В С N О F Ne
526 905 807 1090 1410 1320 1690 2090
С
Мg Аl Si P S Cl Ar
502 744 584 792 1020 1010 1260 1530
С
К Са Аs Вr Кr
425 596 577 762 953 941 1150 1350
С
Rb Sr In Sn Sb Те I Хе
409 556 556 715 816 870 1020 1170

Необязательно объяснять все незначительные детали, но из табл. 2 можно сделать несколько важных выводов. Так, в каждой группе (колонке) элементов первая энергия ионизации убывает к концу группы. Это объясняется тем, что электрон удаляется с внешней орбитали, которая располагается все дальше от ядра и, следовательно, требуется все меньше энергии для его удаления.

В каждом периоде таблицы Д.И.Менделеева картина не так проста, но есть общая закономерность. Удаляемый электрон расположен на одном и том же энергетическом уровне в атоме любого элемента в данном периоде, например Li–Ne или Na–Ar. Как уже было сказано, ядерный заряд увеличивается в каждом периоде при движении слева направо, влияя на конечный размер (сжатие) электронных орбиталей. Следовательно, внешние электроны все сильнее удерживаются в атомах, и количество энергии для их удаления (ионизации) возрастает к концу каждого периода.

Дальнейшее осложнение возникает в связи с экранирующим эффектом электронов на внутренних орбиталях. Эти внутренние электроны уменьшают притяжение внешних электронов к ядру, тем самым снижая энергию ионизации.

Самые очевидные результаты этого видны в периодах К–Kr и Rb–Xe. Так, в III группе энергия ионизации должна была бы так же сильно спадать при переходе от Al к Ga или от Ga к In, как она спадает при переходе от B к Al. Тем не менее значения энергий ионизации для Al, Ga и In почти одинаковые.

Читайте также:  Foxweld master 202 подделка

Между Ca и Ga находятся десять переходных элементов. В ядрах их атомов имеются дополнительные протоны, которые должны были бы увеличить энергию ионизации галлия, но вмешивающиеся добавочные внутренние электроны экранируют внешние электроны от ядра, и его энергия ионизации оказывается почти такой же, как у алюминия.

Подобный эффект наблюдается и для индия, поскольку между Sr и In находятся десять переходных элементов с добавочными электронами во внутреннем слое, дополнительно экранирующими атомное ядро.

Следует отметить, что в пределах каждого периода благородный газ имеет наибольшее значение первой энергии ионизации. Это как-то объясняет высокую стабильность заполненных электронных оболочек и стойкость благородных газов к образованию веществ (атомы не притягиваются друг к другу с силой, достаточной для образования жидкостей или твердых тел). Тем не менее следует иметь в виду, что электроны могут быть удалены из атомов благородных газов. Если какое-либо взаимодействие сможет компенсировать требуемые для этого энергетические затраты, то произойдет ионное слияние с участием ионизированных атомов благородных газов.

В ковалентной связи, образованной электронной парой между двумя атомами, сила притяжения этих атомов зависит от типа химических элементов. Относительная сила притяжения атомом электронов в ковалентной связи называется электроотрицательностью. Значения относительной электроотрицательности могут быть определены количественно, и для некоторых элементов они приведены в табл. 3.

Относительные электроотрицательности
некоторых химических элементов

Н
2,1
С
Li Be B C N O F
1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
С
Мg Аl Si Р S Cl
0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0
С
К Са Аs Вr
0,8 1,0 1,6 1,8 2,0 2,4 2,8
С
Rb Sr In Sn Sb Те I
0,8 1,0 1,7 1,8 1,9 2,1 2,5
С
Сs Ва
0,7 0,9

В целом электроотрицательность увеличивается слева направо вдоль периода таблицы, т.к. ядерный заряд возрастает в том же направлении. Однако она уменьшается сверху вниз в группе периодической таблицы, т.к. размер атома увеличивается с возрастанием атомного номера.

Разница в значениях электроотрицательности соединенных атомов показывает относительную степень полярности ковалентных связей.

1. Объясните, почему:

1) атом калия больше атома натрия;

2) атом хлора меньше атома натрия.

2. Можете ли вы предположить причину большой разницы между первой и второй энергиями ионизации для каждого элемента I группы периодической таблицы Д.И.Менделеева?

3. Пользуясь справочником, рассчитайте необходимое количество энергии для следующих изменений:

1) Ca (г.) Ca 2+ (г.) + 2e;

2) Al (г.) Al 3+ (г.) + 3e.

1) График 1 показывает температуры кипения для элементов VII группы периодической таблицы Д.И.Менделеева.

Почему температуры кипения увеличиваются при переходе от фтора к йоду?

2) График 2 показывает температуры плавления для элементов от лития до неона. Объясните высокие температуры плавления бора и углерода.

3) График 3 показывает значения первых энергий ионизации для элементов I группы. Объясните, почему при переходе от лития к цезию первая энергия ионизации уменьшается.

4) График 4 показывает значения первых энергий ионизации для химических элементов, идущих друг за другом и упорядоченных по возрастанию атомного номера. Элементы А, В и С принадлежат к одной группе периодической таблицы. Назовите ее.

5. Значения энергий ионизации могут быть найдены путем воздействия возрастающего электрического тока на тестовые образцы газов до их ионизации. Результаты, приведенные в табл. 4, были получены экспериментально.

Энергия ионизации, эВ

Элемент Первая энергия ионизации Вторая энергия ионизации
Водород 13,6
Гелий 24,6 54,5

1) Почему для гелия два результата, а для водорода – один?

2) Напишите уравнение, отражающее значение первой энергии ионизации для гелия.

3) Почему значение первой энергии ионизации у гелия выше, чем у водорода?

6. Вы найдете значения первой энергии ионизации для химических элементов в справочнике.

1) Какую связь значений первой энергии ионизации вы наблюдаете в пределах группы галогенов?

2) Обозначив атом галогена за X, напишите уравнение, показывающее, что происходит при его первой ионизации.

3) Предложите объяснение с точки зрения атомной структуры для наблюдаемого направления изменения первой энергии ионизации.

4) Предложите причину недостатка данных по энергиям ионизации для астата (At, атомный номер 85).

7. График 5 (см. с. 32) связывает ионные радиусы атомов некоторых элементов с их атомными номерами.

1) На графике 5 покажите ионные радиусы, которые вы считаете правильными для элементов № 13 и № 15. Можете обратиться к периодической таблице в справочнике за помощью.

2) Значение, относящееся к водороду, приведено для иона H – . Почему не приведено значение для Н + ? Почему ион Н – больше иона Li + ?

3) Почему такое большое увеличение размера иона при переходе от бора к азоту?

1) Не требуется непосредственное знание предыдущей темы, материал можно рассматривать автономно, прямо на уроке вспоминая теорию.

2) Тема наглядно представлена с помощью рисунков, таблиц и графиков.

3) При работе с материалом не требуется знание значений тех или иных физических величин, разрешается и рекомендуется использовать справочные материалы и таблицы.

4) Вопросы и задания требуют умения анализировать таблицы и графики, делать выводы, рассуждать.

5) Делается упор на понимание тенденций: «больше–меньше», «возрастает–убывает».

6) Различная сложность изучаемого материала позволяет разбить учащихся на разные по силе группы, чтобы работал каждый. Обычно на уроке такого типа работают только сильные учащиеся, с уже сформированными навыками логического мышления, анализа. Более слабые ученики конспектируют их ответы. В данном случае работать и думать могут все. Урок действительно делает возможными реальный разноуровневый подход к изучению материала, творческую, мыслительную работу всех учащихся класса.