Наш мир полон удивительных фактов, которые интересны множеству людей. Не являются исключением и свойства различных металлов. Среди этих элементов, которых в мире насчитывается 94, есть самые пластичные и ковкие, есть также с высокой электропроводностью или с большим коэффициентом сопротивления. В этой статье речь пойдет о самых твердых металлах, а также об их уникальных свойствах.
Иридий
Первенство в перечне металлов, отличающихся наибольшей твердостью, занимает иридий. Его открыл в начале XIX века химик из Англии Смитсон Теннант. Иридий обладает следующими физическими свойствами:
- имеет серебристо-белый цвет;
- температура его плавления – 2466 оС;
- температура кипения – 4428 оС;
- сопротивление – 5,3·10−8Ом·м.
Поскольку иридий является твердейшим металлом на планете, он с трудом поддается обработке. Но его все же применяют в различных промышленных сферах. К примеру, из него изготавливаются небольшие шарики, которые используются в перьях для ручек. Из иридия изготавливают комплектующие к космическим ракетам, некоторые детали для автомобилей и другое.
Иридий
В природе встречается очень мало иридия. Находки этого металла являются своего рода свидетельством того, что в месте, где он был обнаружен, падали метеориты. Эти космические тела содержат значительное количество металла. Ученые полагают, что наша планета также богата иридием, но его залежи находятся ближе к ядру Земли.
Иные металлы с высокой твердостью
Как уже было сказано, титан – это не самый твердый металл на Земле. Он имеет достаточно много конкурентов (если в расчет брать исключительно прочностные характеристики). Кроме титана в мире существуют такие твердые металлы:
• Иридий. На самом деле именно этот материал занимает первое место по твердости. Однако это является также и его минусом: его очень трудно обрабатывать, поэтому его используют крайне редко. Его применяют для изготовления некоторых компонентов в ракетостроении, кроме того, он используется в машиностроении и в производстве шариков для ручек. Иридий плавиться при температуре 2466 градусов Цельсия, имеет светло-серебристый цвет. В природе встречается очень редко, зачастую имеет метеоритное происхождение.
Иридий металл
• Рутений. Также очень редкий металл, по подсчетам его на Земле всего около 5 000 тонн. Добыча рутения составляет порядка 18 тонн в год. В связи с тем, что вещества крайне мало, оно используется только как катализатор химически процессов. Кроме того, рутений добавляют к титану, чтоб получить более устойчивый к ржавчине материал.
Рутений металл
• Хром. Материал был открыт в середине 18 века. Он имеет голубовато-белый цвет. Нашел применение в металлургии, машиностроении и в науке. В природе имеется достаточно ограниченное количество вещества.
Хром металл
• Бериллий. Данный материал получил распространение в атомной энергетике, кроме того, его используют в производстве рентгеновских аппаратов, громкоговорителей высоких частот, огнеупорных материалов. Бериллий очень сложно обрабатывать, ведь он не только твердый, но еще и очень хрупкий.
Бериллий металл фото
• Осмий. По характеристикам очень похож на иридий. Данный материал является тугоплавким, невероятно твердым и сложным в обработке. Зачастую встречается в медицинской промышленности. В частности, его используют практически во всех кардиостимуляторах.
Осмий металл фото. Самый тяжелый металл в мире
• Вольфрам. Самый тугоплавкий металл на планете, он имеет серебристо-серый оттенок. Благодаря своему свойству используется в элементах накаливания. Довольно часто из него делают тару для хранения радиоактивных веществ. Также из вольфрама делают хирургический инструмент, используется в военной промышленности.
Вольфрам металл фото
• Уран. Достаточно распространенный твердый металл. Характерной особенностью являются радиоактивные свойства.
Уран металл фото
Заключение
Твердые материалы нужны во многих областях промышленности. В частности для производства продукции, которая в последствие будет подвергаться сильному силовому влиянию. Такие металлы нужны для постройки космических кораблей, морских и воздушных судов – для всего этого требуется твердый и тугоплавкий материал, который не подвержен коррозии.
В природе существует несколько твердых металлов, однако большинство из них достаточно редкие. Самым популярным стал титан. Для его получения используют несколько методов. В природе он встречается в виде нескольких минералов.
Также в промышленности используют и сплавы титана, ведь примеси в значительной степени могут изменить свойства металла.
Система комментирования SigComments
Рутений
Вторая позиция в нашем списке достается рутению. Открытие этого инертного металла серебристого цвета принадлежит русскому химику Карлу Клаусу, которое было сделано в 1844 году. Этот элемент относится к платиновой группе. Он является редким металлом. Ученым удалось установить, что всего на планете имеется примерно 5 тыс. тонн рутения. В год удается добыть примерно 18 тонн металла.
Рутений
Из-за ограниченного количества и высокой стоимости рутений редко применяется в промышленности. Его используют в следующих случаях:
- его небольшое количество добавляют в титан, чтобы улучшить коррозийные свойства;
- из его сплава с платиной делают электрические контакты, отличающиеся высокой стойкостью;
- рутений часто используют в качестве катализатора для химических реакций.
Осмий и иридий
Осмий и иридий – представители металлов платиновой группы, имеют почти одинаковую плотность. В своем чистом виде в природе встречаются невероятно редко, а чаще всего – в сплаве друг с другом. Иридий по природе своей обладает высокой твердостью, из-за чего плохо поддается металлообработке, как механической, так и химической.
Осмий и иридий обладают наивысшей плотностью
Активно применять иридий в промышленности стали сравнительно недавно. Раньше его использовали с осторожностью, поскольку его физико-химические характеристики были изучены не до конца. Теперь иридий используют даже в изготовлении ювелирных изделий (в качестве инкрустаций или в сплаве с платиной), хирургических инструментов и деталей для сердечных стимуляторов. В медицине металл просто незаменим: его биопрепараты могут помочь побороть онкологию, а облучение его радиоактивным изотопом может остановить процесс роста раковых клеток.
Две трети добываемого в мире иридия уходит в химическую промышленность, а остальное распределяется между другими отраслями производства – напыления в металлургической индустрии, товарах народного использования (элементы перьевых ручек, ювелирные изделия), медицине при производстве электродов, элементов кардиостимуляторов и хирургических инструментов, а также для улучшения физико-химических и механических свойств металлов.
Твёрдость иридия по шкале Мосса – 5
Осмий – серебристо-белый металл с голубоватым отливом. Он был открыт позже иридия на год, а сейчас его нередко находят в железных метеоритах. Помимо высокой твёрдости, осмий отличается своей дороговизной – 1 грамм чистого металла оценивается в 10 тысяч долларов. Еще одной его особенностью считается его вес – 1 литр расплавленного осмия равен 10 литрам воды. Правда, ученые еще не нашли применения этому свойству.
Из-за редкости и высокой стоимости осмий задействуется только там, где никакой другой металл не может быть использован. Широкого применения ему так и не нашли, да и нет смысла в поисках, пока поставки металла не станут регулярными. Сейчас осмий используется для изготовления инструментов, требующих высокой точности. Изделия из него почти не изнашиваются и обладают значительной прочностью.
Показатель твёрдости осмия достигает 5.5
Тантал
Открытому в 1802 гуду металлу, названному танталом, достается третье место в нашем списке. Его обнаружил шведский химик А. Г. Экеберг. Долгое время считалось, что тантал тождественен ниобию. Но немецкому химику Генриху Розе удалось доказать, что это два разных элемента. Выделить тантал в чистом виде смог ученый Вернер Болтон из Германии в 1922 году. Это очень редкий металл. Больше всего залежей танталовой руды было обнаружено в Западной Австралии.
Тантал
Благодаря своим уникальным свойствам, тантал является очень востребованным металлом. Он применяется в различных сферах:
- в медицине из тантала изготавливают проволоку и другие элементы, которые могут скреплять ткани и даже выступать заменителем кости;
- сплавы с этим металлом устойчивы к агрессивной среде, благодаря чему они используются при изготовлении авиакосмической техники и электроники;
- тантал также применяют для создания энергии в атомных реакторах;
- элемент широко применяется в химической промышленности.
Хром
Одним из самых твердых металлов является и хром. Его открыли в России в 1763 году в месторождении Северного Урала. Он имеет голубовато-белый цвет, хотя бывают случаи, что его считают черным металлом. Хром нельзя назвать редким металлом. Его залежами богаты следующие страны:
- Казахстан;
- Россия;
- Мадагаскар;
- Зимбабве.
Хром
Месторождения хрома есть и в других государствах. Этот металл широко применяется в различных отраслях металлургии, науки, машиностроения и других.
Как получают хром в промышленности
Хром входит в состав множества минералов. Богатейшие залежи хромовых руд находятся в ЮАР (Южно-Африканской Республике). Много хромовых руд в Казахстане, России, Зимбабве, Турции и некоторых других странах. Наибольшую распространенность получил хромистый железняк Fe (CrO2)2. Из этого минерала хром получают путем обжига в электропечах над слоем кокса. Реакция протекает по следующей формуле: Fe (CrО2)2 + 4C = 2Cr + Fe + 4CO.
Самый твердый металл из хромистого железняка можно получить и другим путем. Для этого сначала минерал сплавляют с кальцинированной содой, в результате чего образуется хромат натрия Na2CrO4. Потом, подкислив раствор, переводят хрома в бихромат (Na2Cr2O7). Из бихромата натрия, путем прокаливания с углем, получают основной оксид хрома Cr2O3. На заключительном этапе, после взаимодействия этого оксида с алюминием при высокой температуре, образуется чистый хром.
Бериллий
Пятая позиция в списке наиболее твердых металлов досталась бериллию. Его открытие принадлежит химику Луи Никола Воклену из Франции, которое было сделано в 1798 году. Этот металл имеет серебристо-белый цвет. Несмотря на свою твердость, бериллий является хрупким материалом, что сильно усложняет его обработку. Его применяют для создания высококачественных громкоговорителей. Он применяется для создания реактивного топлива, огнеупорных материалов. Металл широко используется при создании аэрокосмической техники и лазерных установок. Он также применяется в атомной энергетике и при изготовлении рентгенотехники.
Бериллий
Осмий
В список твердейших металлов также входит осмий. Он является элементом, входящим в платиновую группу, и по своим свойствам схож с иридием. Этот тугоплавкий металл устойчив к воздействиям агрессивной среды, имеют большую плотность, и плохо поддается обработке. Открыл его ученый Смитсон Теннант из Англии в 1803 году. Этот металл широко применяется в медицине. Из него изготовлены элементы электрокардиостимуляторов, он также применяется при создании клапана легочного ствола. Он широко применяется также в химической промышленности и в военных целях.
Осмий
Рений
Переходному серебристому металлу рению достается седьмая позиция в нашем списке. Предположение о существовании этого элемента были сделаны Д. И. Менделеевым в 1871 году, а открыть его удалось химикам из Германии в 1925 году. Уже через 5 лет после этого удалось наладить добычу этого редкого, прочного и тугоплавкого металла. На то время за год удавалось получить 120 кг рения. Сейчас количество ежегодной добычи металла увеличилось до 40 тонн. Он применяется для производства катализаторов. Из него также изготавливают электрические контакты, способные самоочищаться.
Рений
Вольфрам
Серебристо-серый вольфрам является не только одним из наиболее твердых металлов, он также лидирует по тугоплавкости. Его удается расплавить только при температуре в 3422 оС. Благодаря такому свойству он используется для создания элементов накаливания. Сплавы из этого элемента обладают высокой прочностью и часто применяются в военных целях. Вольфрам также используется для производства хирургических инструментов. Из него также изготавливают контейнеров, в которых хранят радиоактивные материалы.
Вольфрам
Технологические и химические свойства твердых металлов
К технологическим свойствам относятся свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, пр. От этих особенностей зависит возможность осуществления каких-либо операций, так как они влияют на пригодность металла к обработке определенными способами.
Свариваемость позволяет добиваться надежных сварных соединений без трещин и иных дефектов, в том числе на прилегающих к шву участках. В некоторых случаях металл может подходить для сварки одним методом, но давать некачественный результат при смене технологии. Так, элементы из дюралюминия удовлетворительно скрепляются при помощи точечной сварки, чего не скажешь о соединении методом газовой сварки. На чугуне получаются хорошие швы за счет газовой сварки с подогревом и слабые при дуговой.
Жидкотекучесть – это свойство, которое дает возможность заливать горячие металлы и их сплавы в литерную форму.
Ковкость, то есть свойство твердых металлов и сплавов изменять форму под действием давления.
Обрабатываемость резанием позволяет относительно легко работать с металлом острым режущим инструментом: резцом, фрезой, пр. Данное свойство очень важно на таких этапах механической обработки, как резание, фрезерование, пр.
Под химическими свойствами понимают способность металлов вступать в реакцию с другими веществами, в том числе, с кислородом. Если металл быстро реагирует с вредными для него элементами, это приводит к быстрой потере им свойств. Разрушение металлов под действием окружающей среды – это коррозия. Отрицательно сказываться на состоянии материала могут воздух, влага, растворы солей, кислот, щелочей. Для защиты изделий от всех перечисленных факторов используют специальные нержавеющие, кислотостойкие и другие виды сталей.
Уран
Одним из наиболее твердых металлов является уран. Его открыл в 1840 году химик Пелиго. Большой вклад в изучение свойств этого металла сделал Д. И. Менделеев. Радиоактивные свойства урана были выявлены ученым А. А. Беккерелем в 1896 году. Тогда химик из Франции выявленные излучения металла назвал лучами Беккереля. Уран часто встречается в природе. Странами, имеющими наибольшие месторождения урановой руды, являются Австралия, Казахстан и Россия.
Уран
Самые твердые
Все наиболее прочные «чистокровные» металлы были открыты человеком довольно поздно. Причина проста: они встречаются куда реже, чем привычные для нас железо или медь. Существует несколько методов определения твердости материалов: по Моосу, по Виккерсу, по Бринеллю и по Роквеллу, данные которых немного разнятся. По шкале Мооса, например, железо имеет значение лишь 4, а наибольшая твердость у алмаза – 10. А десятка металлов, чья твердость от 5 единиц и выше, выглядит так:
- иридий – 5;
- рутений – 5;
- тантал – 5;
- технеций – 5;
- хром – 5;
- бериллий – 5,5;
- осмий – 5,5;
- рений – 5,5;
- вольфрам – 6;
- уран – 6.
Большинство из этой «великолепной десятки» встречаются в природе чрезвычайно редко (например, годовая добыча рутения в мире составляет около 18 тонн, а рения – около 40 тонн) или обладают радиоактивностью, затрудняющей их применение в быту. И все они имеют весьма значительную стоимость, за исключением, пожалуй, хрома. Именно высокая твердость и относительно низкая цена на этот металл сделали его популярным при изготовлении прочных сплавов.
Титан
Заключительное место в десятке твердейших металлов достается титану. Впервые этот элемент в чистом виде удалось получить химику Й. Я. Берцелиусу из Швеции в 1825 году. Титан является легким металлом серебристо-белого цвета, который отличается высокой прочностью и устойчивостью к коррозии и механическим воздействиям. Сплавы из титана применяются во многих отраслях машиностроения, медицины и химической промышленности.
Титан
