Самые легкие металлы в мире
Лёгкими называют металлы, которые обладают небольшой плотностью. Это отнюдь не редкое явление. Вещества с такими характеристиками составляют примерно 20 % от массы земной коры. Они активно добываются и широко применяются в промышленности.
Самым лёгким металлом является литий. Кроме наименьшей атомной массы, он обладает и наименьшей плотностью, которая в два раза ниже, чем у воды. После лития идут калий, натрий, алюминий, рубидий, цезий, стронций и т. д. В их число входит и титан, который обладает самой высокой прочностью среди металлов.
Легкостью и прочностью обладает также алюминий. В земной коре он третий по распространённости. Пока люди не научились получать его промышленным путём, металл был дороже золота. Сейчас килограмм алюминия можно купить примерно за 2 доллара. Его применяют как в ракетной технике и военной промышленности, так и для изготовления пищевой фольги и кухонных предметов.
Применение
Сплав сульфида лития и сульфида меди — эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).
Из лития изготовляют аноды химических источников тока (аккумуляторов, например, литий-хлорных аккумуляторов) и гальванических элементов с твёрдым электролитом (например, литий-хромсеребряный, литий-висмутатный, литий-окисномедный, литий-двуокисномарганцевый, литий-иодсвинцовый, литий-иодный, литий-тионилхлоридный, литий-оксидванадиевый, литий-фторомедный, Литий-двуокисносерный элементы), работающих на основе неводных жидких и твёрдых электролитов (тетрагидрофуран, пропиленкарбонат, метилформиат, ацетонитрил).
Кобальтат лития и молибдат лития показали лучшие эксплуатационные свойства и энергоёмкость в качестве положительного электрода литиевых аккумуляторов.
Гидроксид лития используется как один из компонентов для приготовления электролита щелочных аккумуляторов. Добавление гидроксида лития к электролиту тяговых железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых аккумуляторных батарей повышает их срок службы в 3 раза и ёмкость на 21 % (за счёт образования никелатов лития).
Алюминат лития — наиболее эффективный твёрдый электролит (наряду с цезий-бета-глинозёмом).
Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров на центрах свободной окраски и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.
Перхлорат лития используют в качестве окислителя.
Сульфат лития используют в дефектоскопии.
Нитрат лития используют в пиротехнике для окрашивания огней в красный цвет.
Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием, скандием, медью, кадмием и алюминием — новые перспективные материалы в авиации и космонавтике (из-за их лёгкости). На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.
Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития LiNbO3 и танталат лития LiTaO3 являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной оптике, акустооптике и оптоэлектронике. Литий также используется при наполнении осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп. Гидроксид лития добавляют в электролит щелочных аккумуляторов для увеличения срока их службы.
В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.
Изотопы 6Li и 7Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и сфера их применения различна. Гафниат лития входит в состав специальной эмали, предназначенной для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих плутоний.
Высокогигроскопичные бромид LiBr и хлорид лития LiCl применяются для осушения воздуха и других газов.
Соли лития обладают нормотимическими и другими лечебными свойствами. Поэтому они находят применение в медицине.
Стеарат лития («литиевое мыло») используется в качестве загустителя для получения пастообразных высокотемпературных смазок машин и механизмов.
Гидроксид лития LiOH, пероксид Li2O2 применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последнее соединение реагирует с выделением кислорода (например, 2Li2O2 + 2CO2 → 2Li2CO3 + O2), благодаря чему используется в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.
Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий.
Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление косметики).
Литий
Литий находится в первой группе периодической таблицы элементов. Он стоит под номером 3, после водорода и гелия, и обладает самой маленькой атомной массой среди всех металлов. Простое вещество – литий, при нормальных условиях имеет серебристо-белый цвет.
Это самый лёгкий щелочной металл с плотностью 0,534 г/см³. Из-за этого он всплывает не только в воде, но и в керосине. Для его хранения обычно используют парафин, газолин, минеральные масла или петролейный эфир. Литий очень мягкий и пластичный, легко режется ножом. Чтобы расплавить этот металл, его нужно нагреть до температуры 180,54 °C. Закипит он только при 1340 °C.
В природе существует только два стабильных изотопа металла: Литий-6 и Литий-7. Кроме них, есть 7 искусственных изотопа и 2 ядерных изомера. Литий является промежуточным продуктом в реакции превращения водорода в гелий, участвуя, таким образом, в процессе образования звёздной энергии.
Новая сталь: легкая, прочная и недорогая
Исследователи нашли способ сделать сплав более крепким и менее плотным, а значит, и более легким. Первое, что приходит на ум, это уменьшение веса транспортных средств, что повысит экономичность. Не радикально, впрочем — в среднем, на каждые два литра бензина будет приходиться один дополнительный километр. О разработке сообщает журнал Science.
Разработчики смогли найти идеальный баланс веса стали и ее прочности. Как правило, облегчение веса делает легкие материалы мягкими, а прочные — хрупкими. Скажем, стекло материал прочный, но хрупкий, и если вы попробуете согнуть пополам изделие из стекла или растянуть, вряд ли у вас это получится, а вот стоит только бросить его на пол, как оно разобьется.
Одним из способов сделать сталь легче является добавление алюминия. Этот металл образует сверхпрочное соединение с железом, входящим в состав сплава. Это позволяет добиться желаемого результата, — снизить вес, — но одновременно сталь становится и более хрупкой.
Для того чтобы сделать обойти эти ограничения, исследователи под руководством профессора Хансу Ким (Hansoo Kim) из Университета науки и технологий города Пхохан (Южная Корея) добавили в него никель. Идея в том, что алюминий, проникая в металл, должен образовать нанокластеры вместо длинных связок. Эти кластеры слишком малы, чтобы стать причиной хрупкости получившегося сплава, но, одновременно, сохраняются и прочность и легкость алюминия.
Ученые провели лабораторное исследование с использованием электронных микроскопов, чтобы удостовериться в том, что нанокластеры сформировались. Затем они подвергли материал перегрузкам. Это позволило доказать, что он крепче чем обычная сталь и в то же время менее хрупкий. По словам специалиста в области металлургии П. Крис Писториуса (P. Chris Pistorius) из университета Карнеги-Меллон в Пенсильвании (США), это значительный шаг вперед, но этот эксперимент не опирается на то, как сталь «работает».
В чем новый материал не знает себе равных, так это в стоимости. Обычно облегченные металлические сплавы стоят на порядок дороже своих обычных «коллег». Например, титановые сплавы являются слишком дорогими для того чтобы их можно было использовать для строительства пассажирских транспортных средств. Но сталь, произведенная по новой технологии может стоить практически столько же, сколько и обычная, по оценкам Алана Рассела (Alan Russell) из университета штата Айова (США). Так что производители автомобилей смогут без ущерба перейти на использование нового материала. Легкая и прочная сталь — это воплощенная мечта любого инженера.
Ранее портал Научная Россия писал о разработках российских исследователей: титане с низкой радиактивностью и первом образце металлического бериллия.
Реакции с литием
Учитывая его щелочную природу, можно предположить, что он очень активен. Однако металл является самым спокойным представителем своей группы. При нормальной комнатной температуре литий слабо реагирует с кислородом и многими другими веществами. Свой «бурный нрав» он проявляет после нагревания, тогда он вступает в реакцию с кислотами, различными газами и основаниями.
В отличие от других щелочных металлов с водой он реагирует мягко, образуя гидроксид и водород. С сухим воздухом реакции практически нет. Но если он влажный, то литий медленно реагирует с его газами, образуя нитрид, карбонат и гидроксид.
При определённых температурах самый легкий металл активен с аммиаком, этиловым спиртом, галогенами, водородом, углеродом, кремнием, серой.
Классификация
Каждый представитель «легкой» группы относится еще к какому-нибудь сообществу.
Основанием становится не плотность, а другие физико-химические характеристики:
- Щелочные элементы – литий.
- Щелочноземельные – бериллий, магний.
- Цветные металлы – алюминий, титан, магний.
- Легкоплавкие – висмут, галлий, кадмий, таллий, индий.
- Тугоплавкие – титан, магний.
Каждый химический элемент наделен специфическими свойствами, присущими своей группе.
Сплавы лития
Свойства лития повышают отдельные качества металлов, из-за чего его часто используют в сплавах. Полезной является его реакция с окислами, водородом, сульфидами. При нагревании он образует с ними нерастворимые соединения, которые легко извлечь из расплавленных металлов, очистив их от этих веществ.
Для придания сплаву стойкости к коррозии и пластичности его смешивают с магнием и алюминием. Медь в сплаве с ним становится более плотной и менее пористой, лучше проводит электричество. Самый легкий металл повышает твёрдость и пластичность свинца. При этом он повышает температуру плавления многих веществ.
Благодаря литию металл становится прочным и устойчивым к разрушениям. При этом он не утяжеляет их. Именно поэтому сплавы на его основе применяются в космической инженерии и авиации. Главным образом используются смеси с кадмием, медью, скандием и магнием.
Литий — не предел легкости металлов
Совсем недавно научный отдел Калифорнийского университета во главе с лабораторией HRL изобрел новый твердый и сверхлегкий металл, который получил название микролаттис. Очень легкая структура нового металла, чья металлическая решетка схожа с обычной губкой, оказалась в сотни раз более легкой, нежели пенопласт. Хотя на вид новое открытие кажется совсем хрупким, но присмотревшись к нему, можно заметить необыкновенное свойство металла выдерживать просто нереальные нагрузки в соответствии с его индексом массы.
Небольшой кусочек металла микролаттиса можно положить на верхушку одуванчика, и он даже не повредит его шапку.
Нахождение в природе и значение
Самый легкий металл имеет около 30 собственных минералов, но только 5 из них используются в промышленности: пенталит, амблигонит, лепидолит, циннвальдит и сподумен. Кроме того, находится он в солёных озёрах. Всего в земной коре содержится 0,005 % этого металла.
Большие промышленные запасы лития находятся на всех континентах. Его добывают в Бразилии, Австралии, ЮАР, Канаде, США и других странах. После чего применяют его в электронике, металлургии, лазерных материалах, ядерной энергетике и даже медицине.
Большое содержание лития есть в гумусах, что говорит о его участии в круговороте природных веществ. Металл присутствует в организме животных, а также во многих растениях. Литием богаты персики, грибы, редис, картофель, морковь.
В нашем организме он содержится в печени, крови, лёгких, костях и других органов. Недостаток лития приводит к нарушениям в работе нервной системы и мозга. Он повышает устойчивость организма к болезням, активизирует деятельность ферментов. С помощью него борются с болезнью Альцгеймера, психическими расстройствами, склерозом, а также различными зависимостями.
Что такое ЛМК и ЛСТК, чем они отличаются
ЛМК и ЛСТК — это две относительно новые технологии возведения зданий. Основу построек составляет каркас из металлических профилей повышенной прочности разной формы. Чаще всего используют изделия Z и Ʃ конфигурации. Они способны выдержать большую нагрузку, чем С- и U-проофили.
Технология ЛМК, которая расшифровывается как легкие металлические конструкции, предполагает использование изделий из черного металла, полученных горячекатаным способом. Толщина профилей превышает 4 мм, за счет чего обеспечивается прочность постройки. При строительстве зданий по методу ЛСТК (легкие стальные тонкостенные конструкции) используют изделия из стали. Толщина стенок профилей составляет порядка 4 мм. Прочность каркаса в этом случае достигается за счет формы профиля, а не его размеров.
По технологии ЛМК строят:
- здания большой этажности;
- ангары;
- спортивные комплексы.
Тонкостенные профили используют при возведении:
- сельскохозяйственных построек;
- небольших складских помещений;
- офисных зданий и так далее.
При монтаже легких металлических конструкций профили соединяются болтами или свариваются. Если здание находится в районе, где возможны землетрясения, используют оба способа крепления одновременно. При сооружении построек из стальных металлоконструкций для соединения профилей берутся специальные саморезы повышенной прочности.
Цена черного металла и тонкостенной стали различается более чем на 30%. Соответственно, конечная стоимость работ при использовании каждого метода будет разной. Однако расход металла тоже различается. В итоге разница между стоимостью материала, необходимого для возведения здания, составляет около 10%.
Лучшего варианта не существует. Все зависит от условий эксплуатации здания. При возведении габаритных высотных построек используют черный металл. Небольшие здания, состоящие не более чем из трех этажей, можно строить, используя каркас из тонкостенных стальных профилей.
Токсичность
Несмотря на важную биологическую роль лития в нашем организме, он может быть опасным. Самый легкий металл достаточно токсичен и способен вызывать отравления. При горении он провоцирует раздражение и отёки слизистых оболочек. Если на них попадет кусочек целого металла, произойдёт то же самое.
Литий нельзя брать в руки без перчаток. Взаимодействуя с влагой в воздухе или влагой на коже, он легко вызывает ожог. С расплавленным металлом нужно быть ещё осторожнее, так как его активность повышается в разы. При работе с ним нужно помнить, что это щелочь. Уменьшить его действие на кожу можно обычным уксусом.
В организме литий повышает устойчивость иммунной системы и улучшает работу нервной системы. Но его переизбыток сопровождается головокружением, сонливостью, потерей аппетита. Отравление металлом приводит к снижению либидо, слабости в мышцах, набору веса. При этом может ухудшиться зрение, память и наступить кома. Работать с литием нужно всегда в перчатках, защитном костюме и очках.
Легче легкого
Микролаттис – самый легкий металл, полученный искусственно. Он состоит из воздуха на 99,99 % и намного легче пенопласта. Металл создали ученые Калифорнийского университета, в 2016 году он был признан официально и был занесен в Книгу рекордов.
Секрет необычной легкости заключается в его структуре, напоминающую кости живых организмов. Металл представляет собой ячейки, которые сделаны из никелево-фосфорных трубок. Они пустые внутри, а их толщина в несколько раз уступает человеческому волосу.
Несмотря на легкость, микролаттис способен выдерживать большие нагрузки не хуже естественных металлов. Подобные свойства могут иметь широкое применение, одно из них — это создание искусственных легких.
Легкие стальные тонкостенные конструкции: технология
ЛСТК более популярно в России, так как технология предполагает простой и быстрый монтаж стального каркаса, который по силам осуществить самостоятельно своими руками.
Вид внутри здания из металлического каркаса
Технология возникла в 1950 году в Канаде. Доступность строительного материала и низкая стоимость возведения зданий быстро популяризировала тонкостенные конструкции в Японии, Скандинавии и Северной Америке.
Мансардный этаж из легких тонкостенных конструкций
Этапы строительства быстровозводимого здания:
- Проектирование.
- Подготовка фундамента (любой мелкого заглубления).
- Заказ металлического каркаса.
- Монтаж.
- Ввод здания в эксплуатацию.
Элемент ЛМК
Преимущества ЛСТК:
- Низкая стоимость.
- Простота сборки.
- Долговечность и износостойкость.
- Быстрый монтаж.
- Независимость от климатических условий, возможность строить в холодную и мокрую погоду.
- Сейсмическая устойчивость конструкции.
- Хорошие свойства теплосбережения.
- Отсутствие усадки на фундамент.
Утепление здания из ЛСТК и ЛМК
