Какое вещество самое легкоплавкое

H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg
* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Тугоплавкие металлы Расширенная группа тугоплавких металлов [1]

Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках. Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; шестого периода — тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше 2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Содержание

Определение [ править | править код ]

Большинство определений термина тугоплавкие металлы определяют их как металлы имеющие высокие температуры плавления. По этому определению, необходимо, чтобы металлы имели температуру плавления выше 4,000 °F (2,200 °C). Это необходимо для их определения как тугоплавких металлов [2] . Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные [3] , в то время как более широкое определение этих металлов позволяет включить в этот список ещё и элементы имеющие температуру плавления 2123 K (1850 °C) — титан, ванадий, хром, цирконий, гафний, рутений и осмий. Трансурановые элементы (которые находятся за ураном, все изотопы которых нестабильны и на земле их найти очень трудно) никогда не будут относиться к тугоплавким металлам [4] .

Свойства [ править | править код ]

Физические свойства [ править | править код ]

Свойства четвёртой группы элементов

Название Ниобий Молибден Тантал Вольфрам Рений
Температура плавления 2750 K (2477 °C) 2896 K (2623 °C) 3290 K (3017 °C) 3695 K (3422 °C) 3459 K (3186 °C)
Температура кипения 5017 K (4744 °C) 4912 K (4639 °C) 5731 K (5458 °C) 5828 K (5555 °C) 5869 K (5596 °C)
Плотность 8,57 г·см³ 10,28 г·см³ 16,69 г·см³ 19,25 г·см³ 21,02 г·см³
Модуль Юнга 105 ГПа 329 ГПа 186 ГПа 411 ГПа 463 ГПа
Твёрдость по Виккерсу 1320 МПа 1530 МПа 873 МПа 3430 МПа 2450 МПа

Температура плавления этих элементов самая высокая, исключая углерод и осмий. Данное свойство зависит не только от их свойств, но и от свойств их сплавов. Металлы имеют кубическую сингонию, исключая рений, у которого она принимает вид гексагональной плотнейшей упаковки. Большинство физических свойств элементов в этой группе существенно различается, потому что они являются членами различных групп [5] [6] .

Сопротивление к деформации ползучести является определяющим свойством тугоплавких металлов. У обычных металлов деформация начинается с температуры плавления металла, а отсюда деформация ползучести в алюминиевых сплавах начинается от 200 °C, в то время как у тугоплавких металлов она начинается от 1500 °C. Это сопротивление к деформации и высокая температура плавления позволяет тугоплавким металлам быть использованными, например, в качестве деталей реактивных двигателей или при ковке различных материалов [7] [8] .

Читайте также:  Станки для правки литых дисков

Химические свойства [ править | править код ]

На открытом воздухе подвергаются окислению. Эта реакция замедляется в связи с формированием пассивированного слоя. Оксид рения является очень неустойчивым, потому что при пропускании плотного потока кислорода его оксидная плёнка испаряется. Все они относительно устойчивы к воздействию кислот. [5]

Применение [ править | править код ]

Тугоплавкие металлы используются в качестве источников света, деталей, смазочных материалов, в ядерной промышленности в качестве АРК, в качестве катализатора. Из-за того, что они имеют высокие температуры плавления, они никогда не используются в качестве материала для выплавки на открытом месте. В порошкообразном виде материал уплотняют с помощью плавильных печей. Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.

Вольфрам и его сплавы [ править | править код ]

Вольфрам был найден в 1781 г. Шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов — 3422 °C (6170 °F)

Рений используется в сплавах с вольфрамом в концентрации до 22 %, что позволяет повысить тугоплавкость и устойчивость к коррозии. Торий применяется в качестве легирующего компонента вольфрама. Благодаря этому повышается износостойкость материалов. В порошковой металлургии компоненты могут быть использованы для спекания и последующего применения. Для получения тяжёлых сплавов вольфрама применяются никель и железо или никель и медь. Содержание вольфрама в данных сплавах как правило не превышает 90 %. Смешивание легирующего материала с ним низкое даже при спекании [9] .

Вольфрам и его сплавы по-прежнему используются там, где присутствуют высокие температуры, но нужна однако высокая твёрдость и где высокой плотностью можно пренебречь [10] . Нити накаливания, состоящие из вольфрама, находят своё применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразуют электроэнергию в свет с повышением температуры [9] . В вольфрамовой газодуговой сварке ( англ. ) оборудование используется постоянно, без плавления электрода. Высокая температура плавления вольфрама позволяет ему быть использованным при сварке без затрат [11] [12] . Высокая плотность и твёрдость позволяют вольфраму быть использованным в артиллерийских снарядах [13] . Его высокая температура плавления применяется при строении ракетных сопел, примером может служить ракета «Поларис» [14] . Иногда он находит своё применение благодаря своей плотности. Например, он находит своё применение в производстве клюшек для гольфа [15] [16] . В таких деталях применение не ограничивается вольфрамом, так как более дорогой осмий тоже может быть использован.

Сплавы молибдена [ править | править код ]

Широкое применение находят сплавы молибдена. Наиболее часто используемый сплав — титан-цирконий-молибден — содержит в себе 0,5 % титана, 0,08 % циркония и остальное молибден. Сплав обладает повышенной прочностью при высоких температурах. Рабочая температура для сплава — 1060 °C. Высокое сопротивление сплава вольфрам-молибден (Mo 70 %, W 30 %) делает его идеальным материалом для отливки деталей из цинка, например, клапанов [17] .

Молибден используется в ртутных герконовых реле, так как ртуть не формирует амальгамы с молибденом [18] [19] .

Молибден является самым часто используемым тугоплавким металлом. Наиболее важным является его использование в качестве усилителя сплавов стали. Применяется при изготовлении трубопроводов вместе с нержавеющей сталью. Высокая температура плавления молибдена, его сопротивляемость к износу и низкий коэффициент трения делают его очень полезным материалом для легирования. Его прекрасные показатели трения приводят его к использованию в качестве смазки где требуется надежность и производительность. Применяется при производстве ШРУСов в автомобилестроении. Большие месторождения молибдена находятся в Китае, США, Чили и Канаде [20] [21] [22] [23] .

Сплавы ниобия [ править | править код ]

Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами. Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путём отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах.

Читайте также:  Как использовать ультрафиолетовую лампу дома

Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит своё применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM ( англ. ) [24] . Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C [24] .

Тантал [ править | править код ]

Тантал является самым стойким к коррозии металлом из всех тугоплавких металлов.

Важное свойство тантала было выявлено благодаря его применению в медицине — он способен выдерживать кислую среду (организма). Иногда он используется в электролитических конденсаторах. Применяется в конденсаторах сотовых телефонов и компьютера.

Сплавы рения [ править | править код ]

Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы — платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики — ковкость и увеличивает предел прочности. Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении. Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов [25] .

Общие свойства тугоплавких металлов [ править | править код ]

Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до 3073 K.

Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до 500 °C делает их одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода (например лампочка).

Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры (от 1350 K до 1900 K). Как было указано выше, они не должны контактировать с кислородом.

К промышленно используемым легкоплавким металлам относятся: цинк, свинец, олово, сурьма, кадмий, ртуть.

Цинк — металл серебристо-синеватого цвета, малопрочный, малопластичный. Большая половина цинка идет на получения так называемого кровельного железа, так как цинк аналогично алюминию за счет оксидной плёнки обладает высококоррозийными свойствами и способностью покрывать сталь плотным, хорошо прилегающим слоем. Также используется для получения сплавов(например латуни), в аккумуляторах.

Свинец — синевато-серый металл, тяжелый, мягкий, ковкий, отличается высокой плотностью, температура плавления — 347С, обладает аналогичными алюминию оксидными свойствами, используются для защиты от коррозии в виде пластин, труб и т.д., в аккумуляторах(около 30%), как оболочка электрических кабелей, при приготовлении припоя для плавки металлов, для защиты от рентгеновского излучения.

Олово — серебристо-белый металл, мягкий, пластичный наиболее легкоплавкий из применяемых металлов(температура плавления — 232С), по коррозийной стойкости близок благородным металлам. Легко покрывает металлы тонким слоем(лужение), нетоксичен, широко применяется в пищевой промышленности(консервные банки), входит в состав припоев, подшипниковых сплавов(баббитов), типографских сплавов(гарт).

Читайте также:  Отзывы о сварочном аппарате ресанта 190

Ртуть — серебристый, жидкий при комнатной температуре металл(температура плавления — 38,9С), пары токсичны, применяется в измерительных приборах, сплавы с другими металлами — амальгамы(применяются для производства зеркал, золочения), применяются в медицине, электронике и электротехнике.

Сурьма — синевато-белое, хрупкое, кристаллическое вещество, температура плавления — 630,5С. Идёт на сплавы, главным образом типографские(при затвердевании расширении точно воспроизводит матрицу, подшипниковые, применяется в пиротехнике, спичечном производстве, в резиновой промышленности, для получения полупроводников.

Кадмий — серебристо-синий металл, мягкий, температура плавления — 320,9С, применяется в мощных аккумуляторах, в ядерной энергетике(стержни реакторов), для получения легкоплавких сплавов.

33. Благородные металлы. Общая характеристика. Понятие о пробах.

К ним относят золото, серебро, платину, металлы платиновой группы — палладий, рутений, иридий, осмий, родий. Имеют красивый внешний вид, стойки к окислению и воздействию кислот, обладают высокой температурой плавления, хорошо обрабатываются давлением, являются редкими. За всё существование человека добыто около 100 тысяч тонн золота. В отличии от других металлов в основном находятся в самородном, т.е. металлическом состоянии. Под самородным здесь не понимается собственно чистый металл: как правило это сплавы, например самородное золото может содержать до 40% серебра. Область применения благородных металлов специфична. Раньше их использовали в ювелирном производстве и как валюту, а в настоящее время все большую часть потребляет техника, особенно электроника. В США и Японии потребление на технические нужды составляет 80-90 тонн а год. В ювелирных сплавах содержание золота, серебра, платины характеризуется пробой, в технических сплавах — маркой сплавов. В мире существует 4 системы проб: тысячная, золотниковая, каратная и унциевая. Отличаются они тем, что принимается за 100%. В России стандарт — тысячная проба, которая характеризует содержание благородных металлов в сплаве с точностью до десятков долей процента. Тысячная проба показывает количество грамм благородных металлов, содержащихся в 1000 граммах сплава. Например 583 проба содержит 58,3% благородного металла. Остальная часть называется лигатурой, состав элементов которой не регламентируется. Для ювелирных изделий в России установлены стандарты для золота — 375, 500, 583, 750, 958 пробы, для серебра — 750, 800, 916, 925, 960. Каратная проба: 100% — 24 карата, 1 карат — 0,2 грамма. Такая проба применяется преимущественно для измерения массы камней. Унциевая проба: 100% — 480 унций, одна тройская унция — 31,1035 грамм. Английская унция — 28, 35 грамм. В золотниковой пробе за 100% принимается 96 золотников, один золотник — 4,266 грамм. Одна русская унция обычно равна 29, 85 грамм. В технических марках сплавов пишется полный состав сплава.

Ученые создали вещество с самой высокой плотностью из всех, которые когда-либо были созданы в лабораторных условиях.
17 января 2001 года, 22:26
Текст: Дионисий Кобелев
Это было достигнуто в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке в результате столкновений атомных ядер золота, двигающихся с околосветовой скоростью. Исследования проводились на самой крупной в мире установке на встречных пучках Коллайдере тяжелых релятивистских ионов (Relativistic Heavy Ion Collider? RHIC), открывшейся в прошлом году и предназначающейся для воссоздания условий, существовавших вначале существования Вселенной. Полученное вещество обладает в 20 раз большей площадью, чем обычно получается в коллайдерах. Температура сжатой материи достигает триллиона градусов. Вещество существует очень короткое время внутри коллайдера. Материя с такой температурой и плотностью существовала несколько миллионов секунд после Большого Взрыва в начале существования нашей Вселенной. Детали эксперимента стали известны на Конференции Кваркового вещества 2001 в Stony Brook Университете в Нью-Йорке.