У какого металла самая большая температура плавления

У какого металла самая большая температура плавления

Физики из Имперского колледжа Лондона, Института трансурановых элементов (Карлсруэ) и Университета Лондона уточнили температуры плавления карбидов гафния и тантала. С помощью лазерных методов плавки ученые показали, что наибольшей температурой плавления обладает чистый карбид гафния — HfC0,98 — материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.

В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала — она соответствует 3768 ±84 градусах Цельсия. Ранее считалось, что самым тугоплавким материалом из известных является смешанный карбид гафния-тантала, содержащий примерно 20 процентов гафния. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports, кратко о нем сообщает пресс-релиз колледжа.

Исследования температуры плавления карбидов гафния и тантала датируются еще первой половиной XX века. Для этого использовался метод Пирани-Алтертума: с помощью электрического тока нагревалась пластинка материала с отверстием в центре. За пластинкой следили с помощью пирометра. В момент плавления отверстие оказывалось заполнено материалом и изменяло свое свечение. Разброс температур плавления, определенных этим методом для карбида гафния составил почти двести градусов, и по результатам измерений трудно было однозначно определить, какой из карбидов гафния и тантала является самым тугоплавким.

Авторы новой работы, отметив несовершенство ранних пирометров и методик, предложили использовать новый подход для определения температуры плавления. В ней образец керамики плавился под действием мощного 4,5-киловаттного лазера, после чего исследователи следили за его свечением. Момент плавления определялся по изменению отражения от поверхности. После этого лазер отключался, а температура плавления определялась по плато на графике остывания образца: в момент затвердевания отводимая от образца теплота не меняет его температуры.

В результате оказалось, что наименьшей температурой плавления обладает карбид тантала — она соответствует 3768 ± 77 градусам Цельсия. Интересно, что в некоторых ранних работах карбид тантала наоборот считался более тугоплавким, чем карбид гафния. Высокими температурами плавления обладал состав Ta0.8Hf0.2C, ранее считавшийся рекордсменом — порядка 3905 ± 82 градусов Цельсия. Остальные смешанные карбиды плавились при более низких температурах. Абсолютным рекордсменом, по данным новой работы, стал карбид гафния HfC0,98, материал плавится при 3959 ±84 градусах Цельсия. Для сравнения, самым тугоплавким металлом является вольфрам, плавящийся при 3422 градусах Цельсия. Считается, что карбидные керамики могут найти применение при строительстве гиперзвуковых самолетов. При движении в атмосфере на скорости свыше пяти чисел Маха теплозащита должна выдерживать температуры в 2200 кельвин и выше. Ранее химики из Университета Брауна (Провиденс) теоретически предсказали существование фазы смешанного карбида-нитрида гафния с рекордно высокой температурой плавления — свыше 4400 кельвин. Ее состав отвечает формуле HfN0.38C0.51.

HHe
LiBeBCNOFNe
NaMgAlSiPSClAr
KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
CsBaLa*HfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAc**RfDbSgBhHsMtDsRg
*CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
**ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr
Тугоплавкие металлыРасширенная 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] .

Читайте также:  Прибор для измерения влажности древесины

Свойства [ править | править код ]

Физические свойства [ править | править код ]

Свойства четвёртой группы элементов

НазваниеНиобийМолибденТанталВольфрамРений
Температура плавления2750 K (2477 °C)2896 K (2623 °C)3290 K (3017 °C)3695 K (3422 °C)3459 K (3186 °C)
Температура кипения5017 K (4744 °C)4912 K (4639 °C)5731 K (5458 °C)5828 K (5555 °C)5869 K (5596 °C)
Плотность8,57 г·см³10,28 г·см³16,69 г·см³19,25 г·см³21,02 г·см³
Модуль Юнга105 ГПа329 ГПа186 ГПа411 ГПа463 ГПа
Твёрдость по Виккерсу1320 МПа1530 МПа873 МПа3430 МПа2450 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] .

Химические свойства [ править | править код ]

У какого металла самая большая температура плавления

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)

У какого металла самая большая температура плавления

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 ]

У какого металла самая большая температура плавления

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] .

Читайте также:  Схема двойного переключателя света

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 ]

У какого металла самая большая температура плавления

У какого металла самая большая температура плавления

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.

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 ]

У какого металла самая большая температура плавления

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 ]

У какого металла самая большая температура плавления

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.

Рекорды для неорганических веществ

Самым сильным стабильным окислителем, является комплекс дифторида криптона и пентафторида сурьмы. Из-за сильного окисляющего действия (окисляет все элементы в высшие степени окисления, в том числе кислород и азот воздуха) для него очень трудно измерить электродный потенциал. Единственный растворитель, который реагирует с ним достаточно медленно — безводный фтористый водород.

Самым плотным веществом, является осмий. Его плотность составляет 22,5 г/см 3 .

Самый легкий металл — это литий. Его плотность составляет 0,543 г/см 3 .

Самый дорогой металл — это калифорний. Его стоимость в настоящее время составляет 6 500 000 долларов за 1 грамм.

Самый распространенный элемент в земной коре — это кислород. Его содержание составляет 49% от массы земной коры.

Читайте также:  Металлический станок для бритья

Самый редкий элемент в земной коре — это астат. Его содержание во всей земной коре, по оценкам специалистов составляет всего 0,16 грамм.

Самым горючим веществом, является, по-видимому, мелкий порошок циркония. Для того чтоб он не мог гореть, необходимо поместить его в атмосферу инертного газа на пластину из материала, не содержащего неметаллов.

Веществом с наименьшей температурой кипения, является гелий. Его температура кипения равна -269 градусов по Цельсию. Гелий — единственное вещество, не имеющее температуры плавления при обычном давлении. Даже при абсолютном нуле он остается жидким. Жидкий гелий широко используется в криогенной технике.

Самый тугоплавкий металл — это вольфрам. Его температура плавления составляет +3420 градусов по Цельсию. Из него изготовляют нити накаливания для электрических лампочек.

Самый тугоплавкий материал — это сплав карбидов гафния и тантала (1:1). Он имеет температуру плавления +4215 С.

Самым легкоплавким металлом, является ртуть. Ее температура плавления равна -38,87 градусов по Цельсию. Она же является самой тяжелой жидкостью, ее плотность составляет 13,54 г/см 3 .

Самую высокую растворимость в воде среди твердых веществ имеет трихлорид сурьмы. Его растворимость при +25 С составляет 9880 грамм на литр.

Самым легким газом, является водород. Масса 1 литра составляет всего 0,08988 грамм.

Самым тяжелым газом при комнатной температуре, является гексафторид вольфрама (т. кип. +17 С). Его масса составляет 12,9 г/л, т.е. в нем могут плавать некоторые виды пенопласта.

Самым стойким к кислотам металлом, является иридий. До сих пор не известно ни одной кислоты или их смеси, в которых он бы растворялся.

Самый широкий диапазон концентрационных пределов взрываемости имеет сероуглерод. Взрываться могут все смеси паров сероуглерода с воздухом содержащие от 1 до 50 объемных процентов сероуглерода.

Самой сильной стабильной кислотой является раствор пентафторида сурьмы во фтористом водороде. В зависимости от концентрации пентафторида сурьмы эта кислота может иметь показатель Гаммета до -40.

Самым необычным анионом в соли является электрон. Он входит в состав электрида 18-краун-6 комплекса натрия.

Рекорды для органических веществ

Самым горьким веществом, является денатония сахаринат. Его получили случайно, во время исследования денатония бензоата. Сочетание последнего с натриевой солью сахарина дало вещество в 5 раз более горькое, чем предыдущий рекордсмен (денатония бензоат). В настоящее время оба этих вещества используются для денатурации спирта и других непищевых продуктов.

Самым сильным ядом, является ботулинический токсин типа А. Его летальная доза для мышей (ЛД50, внутрибрюшинно) составляет 0,000026 мкг/кг веса. Это белок с молекулярной массой 150 000, продуцируемый бактерией Clostridium botulinum.

Самым нетоксичным органическим веществом, является метан. При увеличении его концентрации интоксикация возникает из-за недостатка кислорода, а не в результате отравления.

Самый сильный адсорбент, был получен в 1974 году из производного крахмала, акриламида и акриловой кислоты. Это вещество способно удерживать воду, масса которой в 1300 раз превосходит его собственную.

Самыми зловонными соединениями, являются этилселенол и бутилмеркаптан. Концентрация которую человек может обнаружить по запаху так мала, что до сих пор нет методов позволяющих ее точно определить. По оценкам величина ее составляет 2 нанограмма на кубометр воздуха.

Самым сильным галлюциногенным веществом, является диэтиламид l-лизергиновой кислоты. Доза всего в 100 микрограмм вызывает галлюцинации продолжающиеся около суток.

Самым сладким веществом, является N-(N-циклонониламино(4-цианофенилимино)метил)-2-аминоуксусная кислота. Это вещество в 200 000 раз превосходит по сладости 2% раствор сахарозы, но из-за своей токсичности, применения в качестве подсластителя, по видимому не найдет. Из промышленных веществ самым сладким является талин, который в 3 500 — 6 000 раз слаще сахарозы.

Самым медленным ферментом, является нитрогеназа, катализирующая усвоение клубеньковыми бактериями атмосферного азота. Полный цикл превращения одной молекулы азота в 2 иона аммония занимает полторы секунды.

Самое длинное химическое название, опубликованное в литературе, содержало 1578 букв и знаков и описывало синтетический аналог цепочки нуклеотидов.

Самым сильным наркотическим анальгетиком является, по-видимому, вещество, синтезированное в Канаде в 80-х годах. Его эффективная анальгетическая доза для мышей (подкожное введение) составляет всего 3,7 нанограмма на килограмм веса, то есть он в 500 раз сильнее эторфина.

Органическим веществом с самым большим содержанием азота является бис(диазотетразолил)гидразин. Он содержит 87,5% азота. Это взрывчатое вещество черезвычайно чувствительно к удару, трению и теплу.

Веществом с самой большой молекулярной массой является гемоцианин улитки (переносит кислород). Его молекулярная масса составляет 918 000 000 дальтон, что больше молекулярной массы даже ДНК.