Температура плавления металлов. Самый тугоплавкий и легкоплавкий металл

Температура плавления металлов

Большая часть элементов периодической таблицы относится к металлам. В настоящее время их насчитывается примерно 96. Всем им необходимы разные условия, чтобы превратиться в жидкость.

Порог нагревания твердых кристаллических веществ, превысив который они становятся жидкими, называется температурой плавления. У металлов она колеблется в пределах нескольких тысяч градусов. Многие из них переходят в жидкость при относительно большом нагревании. Благодаря этому они являются распространенным материалом для производства кастрюль, сковородок и других кухонных приборов.

Средние температуры плавления имеют серебро (962 °С), алюминий (660,32 °С), золото (1064,18 °С), никель (1455 °С), платина (1772 °С) и т.д. Выделяют также группу тугоплавких и легкоплавких металлов. Первым, чтобы превратиться в жидкость, нужно больше 2000 градусов Цельсия, вторым – меньше 500 градусов.

К легкоплавким металлам обычно относят олово (232 °C), цинк (419 °C), свинец (327 °C). Однако у некоторых из них температуры могут быть еще ниже. Например, франций и галлий плавятся уже в руке, а цезий можно греть только в ампуле, ведь от кислорода он воспламеняется.

Самые низкие и высокие температуры плавления металлов представлены в таблице:

Тугоплавкие	Легкоплавкие
Вольфрам	3422 °C	Ртуть	-38,87 °C
Рений	3186 °C	Галлий	26,79 °C
Тантал	3017 °C	Франций	27 °C
Осмий	3033 °C	Цезий	28,5 °C
Молибден	2623 °C	Рубидий	39,31 °C
Ниобий	2477 °C	Калий	63,5 °C
Иридий	2466 °C	Натрий	97,8 °C

Где и как применяются

Для всех сфер применения решающее преимущество данной группы – низкая температура плавления.

Особенности использования

На основании этого свойства легкоплавких металлов определены способы использования:

Мягкие легкоплавы – материал пайки микросхем. Пайка обычным припоем исключена, поскольку создает перегрев, который их расплавит.
Гораздо чаще используются сплавы. Они легкоплавки, но плотные, прочные на разрыв, химически инертны.
Самые востребованные соединения: свинцовые, оловянные, кадмиевые, цинковые, ртутные. А также с висмутом, таллием, индием, галлием как базисным компонентом.

Области применения

Сферы применения материала: энергетика, машиностроение, электро-, радиотехника, химпром:

Основа жидких теплоносителей, смазка.
Выплавка моделей сложной конфигурации.
Пожарный сегмент: термодатчики, клапаны тушения огня, другая аппаратура раннего оповещения о возгораниях.
Основа термометров разных видов и предназначения.
Верхний слой, предохранители, термодатчики микроэлектроники.
Медицина. Материал протезов, фиксатор при переломах.

Это также проводники, антикоррозионные покрытия, компонент антифрикционных сплавов.

Используются уникальные свойства отдельных позиций из списка легкоплавов:

Свинец – материал подшипников, предохранителей, аккумуляторов, оболочка кабеля. Это щит от радиоактивного излучения.
Олово – защитный слой стали.
Цинк – компонент латуней, анодное покрытие стальных изделий с высоким КПД.
Галлий – заменитель ртути, сохраняющий вакуум в аппаратуре.

Легко плавящиеся сплавы образуют также щелочные металлы. На практике такие материалы используются мало из-за чрезмерной химической активности.

Вольфрам

Самая высокая температура плавления — у металла вольфрама. Выше него по этому показателю стоит только неметалл углерод. Вольфрам представляет собой светло-серое блестящее вещество, очень плотное и тяжелое. Он кипит при 5555 °C, что почти приравнивается к температуре фотосферы Солнца.

При комнатных условиях он слабо реагирует с кислородом и не подвергается коррозии. Несмотря на свою тугоплавкость, он довольно пластичен и поддается ковке уже при нагревании до 1600 °C. Эти свойства вольфрама используют для нитей накаливания в лампах и кинескопах электродов для сварки. Большую часть добытого металла сплавляют со сталью, чтобы повысить ее прочность и твердость.

Широкое применение вольфрам имеет в военной сфере и технике. Он незаменим для изготовления боеприпасов, брони, двигателей и наиболее важных частей военного транспорта и самолетов. Из него также делают хирургические инструменты, ящики для хранения радиоактивных веществ.

Классификация

В зависимости от температуры плавления тугоплавкие металлы причисляются к основной либо дополнительной группе.

Основная группа

Данный сегмент включает пять позиций: вольфрам, ниобий, тантал, молибден, рений. Плавятся при 2200°С+.
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

Молибден

Самый востребованный из тугоплавких элементов.

Сфера использования номер один – металлургия:

Молибденом «усиливают» сталь, чтобы получить твердый сплав.
На пару с нержавеющей сталью применяют как материал инфраструктуры трубопроводов, деталей автомобилей, другой продукции машиностроения.
Благодаря температуре плавления, износостойкости, малой истираемости используется как легирующая присадка.

Например, полпроцента титана плюс 0,08% циркония создают молибденовый сплав, не снижающий прочность до 1060°C.

Неординарные параметры по трению обусловили использование молибдена как долговечной смазки с высоким КПД.

Материал незаменим для ртутных реле, поскольку амальгама с данным металлом ртутью не формируется.

Вольфрам

Открыт в конце 18 века. Самый твердый и самый тугоплавкий (3422°C) металл.

Тугоплавкий прочный металл, светло-серого цвета – вольфрам

Вместе с медью и железом используется как основа (до 80%) сплавов с рением, торием, никелем. Такие добавки повышают плотность, порог стойкости к ржавлению, надежность.

Востребован как материал систем электроснабжения, приборов, боеприпасов, ядерных боеголовок ракет. Никелевые сплавы как материал клюшек ценят поклонники гольфа.

Вольфрам в слитках

Тантал

Самый стойкий к кислотам, коррозии из сегмента тугоплавких металлов.

Тяжёлый твёрдый металл серого цвета – тантал

Поэтому используется в конденсаторах смартфонов, планшетов, других гаджетов.

Совместим с биологическими организмами (не меняется под воздействием природных кислот). Благодаря этому применяется медициной.

Ниобий

Металл с небанальными характеристиками:

Самый легкий (малой плотности) в сегменте.
Уникален благодаря свойству менять коэффициент твердости и упругости в зависимости от степени отжига.
Самый частый в сплавах-суперпроводниках.

Применяется как материал конденсаторов, газовых турбин ракет, самолетов. А также элемент ядерных реакторов и ламп электронных приборов.

Рений

Самый редкий и дорогой из тугоплавких металлов:

В сплавах выступает легирующим, никогда – основным компонентом.
Как лигатура, повышает утилитарные кондиции сплава: прочность, ковкость (например, с медью и платиной).
Обнаружен последним в тугоплавком сегменте.

Сплавы с рением служат катализаторами, начинкой электронного оборудования, гироскопов, реакторов атомных объектов.

Дополнительная группа

Данный сегмент тугоплавких металлов включает девять позиций. Их общий признак – порог плавления от 1850°C.

Сюда зачислены девять элементов из трех групп (четвертый – шестой периоды) таблицы Менделеева.

У каждого своя «изюминка»:

Осмий – самое плотное вещество планеты, самый тяжелый тугоплав.
Иридий встречается чаще в метеоритах, чем на Земле.
Метаморфозы теплоемкости гафния необъяснимы наукой до сих пор.
Рутений назван в честь России.
Из чистого ванадия вытачивают жетоны и медали для коллекционеров.
Титан – единственный тугоплавкий цветной металл. Материал зубных и костных протезов.
Без циркония невозможны салюты и фейерверки. Медицинский «дублер» титана.

Тонким слоем хрома и благородного родия покрывают поверхность изделий класса люкс, включая ювелирные. Процессы называются хромированием и родированием.

Ртуть

Ртуть — единственный металл, температура плавления которого имеет минусовое значение. К тому же это один из двух химических элементов, простые вещества которых при нормальных условиях, существуют в виде жидкостей. Интересно, что кипит металл при нагревании до 356,73 °C, а это намного выше температуры его плавления.

Имеет серебристо-белый цвет и ярко выраженный блеск. Она испаряется уже при комнатных условиях, конденсируясь в небольшие шарики. Металл очень токсичен. Он способен накапливается во внутренних органах человека, вызывая болезни головного мозга, селезенки, почек и печени.

Ртуть – один из семи первых металлов, о которых узнал человек. В Средние века она считалась главным алхимическим элементом. Несмотря на ядовитость, когда-то ее применяли в медицине в составе зубных пломб, а также как лекарство от сифилиса. Сейчас ртуть почти полностью исключили из медицинских препаратов, но широко используют ее в измерительных приборах (барометрах, манометрах), для изготовления ламп, переключателей, дверных звонков.

выпускает слитки из дорогих металлов в форме шоколадных плиток

– организация в Швейцарии, которая весьма творчески подошла к такому понятию, как слитки. Когда произносят словосочетание «слитки золота», люди всегда представляют красивые блестящие кирпичики, сложенные пирамидкой друг на друга. Но компания решила разрушить такое представление.
Они делают слитки из золота, серебра, платины и палладия в форме шоколадных плиток. Это стало замечательным решением для подарка.

Такой слиток можно наломать на несколько маленьких частей (примерно 1 грамм) и подарить близким и родным. Другой вариант использования – оплачивать покупки в магазинах, где принимают такой вид оплаты, конечно.

Сплавы

Чтобы изменить свойства того или иного металла, его сплавляют с другими веществами. Так, он может не только приобрести большую плотность, прочность, но и снизить или повысить температуру плавления.

Сплав может состоять из двух или больше химических элементов, но хотя бы один из них должен быть металлом. Такие «смеси» очень часто используют в промышленности, ведь они позволяют получить именно те качества материалов, которые необходимы.

Температура плавления металлов и сплавов зависит от чистоты первых, а также от пропорций и состава вторых. Для получения легкоплавких сплавов чаще всего используют свинец, ртуть, таллий, олово, кадмий, индий. Те, в составе которых находится ртуть, называются амальгамами. Соединение натрия, калия и цезия в соотношении 12%/47%/41% становится жидкостью уже при минус 78 °C , амальгама ртути и таллия — при минус 61°C. Самым тугоплавким материалом является сплав тантала и карбидов гафния в пропорциях 1:1 с температурой плавления 4115 °C.

Рекорды в науке и технике. Частицы и вещества

Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Подсчитано, что в известной нам Вселенной имеется 1087 электронов.

Общее количество встречающихся в природе элементов – 94.

При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом.

Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении.

Самая легкая и самая массивная элементарные частицы

К апрелю 1988 г. науке было известно о существовании 31 стабильной частицы, 64 мезонных мультиплетных резонансов и 52 барионных мультиплетных резонансов, что в итоге может привести к открытию 247 элементарных частиц, а также равного числа античастиц.

Наиболее массивной из общепринятых частиц является нейтральный промежуточный векторный бозон Z0 массой 92,4 ГэВ, впервые открытый в мае 1983 г.

лабораторией UA-1 Европейской организации ядерных исследований (CERN), Женева, Швейцария, работавшей на протон-антипротонном коллайдере SPS (протонный синхротрон на сверхвысокую энергию) с энергией пучка 540 ГэВ.

Самым массивным адроном считается σ-мезонный резонанс (6S) (масса равна 11,02 ГэВ, время жизни – 8,3·10–24 с), coстоящий из красивого кварка (b-кварка) или нижнего кварка (d-кварка) и его антикварка.

Он был впервые обнаружен двумя группами, работавшими на электронном накопительном кольце Корнельского университета, Итака, штат Нью-Йорк, США.

Согласно современной теории элементарных частиц, масса гравитона, фотона и нейтрино должна быть равна нулю.

По оценкам, соответствующим различным космологическим теориям, верхние пределы массы этих частиц составляют 7,6·10–67 г для гравитона, 5,3·10–60 г для фотона и 3,2·10–32 г для нейтрино (ср. масса электрона равна 9,10939·10–28 г).

Наиболее и наименее стабильные

Из «теории великого объединения», описывающей слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия, следует, что протон нестабилен. Однако, согласно результатам экспериментов, опубликованным в 1986 г.

, время жизни протона в случае наиболее вероятного способа его распада (на позитрон и нейтральный пион) имеет нижний предел в 3,1·1032 лет, что в 40 с лишним раз больше максимального срока жизни, предсказываемого теорией.

Наиболее нестабильными или самыми короткоживущими частицами являются два барионных резонанса N (2220) и N (2600), время жизни которых составляет 1,6·10–24 с, тогда как теоретически предсказанное время жизни промежуточных векторных бозонов W± и Z0 составляет 2,6·10–25 с.

Новейшие частицы

Новейшими частицами являются χ-мезонные резонансы (2Р), об открытии которых объявила в 1987 г. объединённая группа Колумбийского и Нью-Йоркского (г. Стони-Брук, штат Нью-Йорк, США) университетов.

Ученые использовали электронные накопительные кольца Корнельского университета, Итака, штат Нью-Йорк, США.

Мезоны состоят из b-кварка и его антикварка и имеют массу 10,235 ГэВ (χb0), 10,255 ГэВ (χb1) и 10,269 ГэВ (χb2).

Наиболее зловонное вещество

Самыми дурно пахнущими из 17 тыс.

зарегистрированных до сих пор в мире веществ являются, хотя это, возможно, субъективно, этилмеркаптан (C2H5SH) и бутилселеномеркаптан (C4H9SeH).

Запах каждого из них напоминает смесь запахов гниющей капусты, чеснока, лука, подгоревших тостов и канализационных газов.

Самые дорогие духи

Розничная цена духов определяется скорее рекламными соображениями, а не стоимостью компонентов и упаковки.

Чикагская начала продавать с марта 1984 г.

одеколон под названием «Андрон», содержащий следовые концентрации аттрактанта феромона андростенола, по цене 97 долл. за 1 г.

Самый сильный яд

Болезнь риккетсиоз, или Ку-лихорадка, может быть вызвана единственным микроорганизмом. Однако только в одном случае из тысячи она приводит к смерти.

Около 10 микроорганизмов Francisella tularenesis (ранее Pasteurella tularenesis) могут вызвать заболевание туляремией, называемой по-разному: щелочной болезнью, болезнью Франсиса или «лихорадкой от оленьей мухи». Она вызывает смерть в 10 случаях из тысячи.

Самый сильный нервно-паралитический газ

Газ VX в 300 раз токсичнее фосгена (СОСl2), использовавшегося во время первой мировой войны. Он создан в Экспериментальных лабораториях химической защиты, Портон-Даун, Великобритания, в 1952 г.

Заявки на патент были поданы в 1962 г. и опубликованы только в феврале 1974 г. В них значилось, что этим веществом является этил-S-2-диисопропиламиноэтилметилфосфонотилат.

Летальная доза равна 10 мг·мин/м3 в воздухе или 0,3 мг внутрь.

Самый сильный абсорбент

18 августа 1974 г.

исследовательская служба Министерства сельского хозяйства США объявила о создании суперабсорбента «H-span», в состав которого входят 50% производного крахмала и по 25% акриламида и акриловой кислоты. После обработки железом абсорбент в состоянии поглотить массу воды, в 1300 раз большую его собственной массы.

Самый мелкий порошок

Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок.

Самое ядовитое искусственное вещество

TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Самое тугоплавкое вещество

Карбид тантала ТаС0-88 плавится при температуре 3990°С.

Вещество с наименьшей плотностью

Веществом с наименьшей плотностью являются кремниевые аэрогели, в которых сферы связанных атомов кремния и кислорода образуют разделённые воздушными прослойками длинные пряди. В феврале 1990 г. в Национальной лаборатории им.

Лоуренса, Ливермор, штат Калифорния, США, был получен самый легкий из таких аэрогелей с плотностью всего 0,005 г/см3.

Это вещество предполагается использовать в космических исследованиях при сборе микрометеоритов, присутствующих в хвостах комет.

Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости

В марте 1988 г. в Исследовательском центре компании ИБМ в Сан-Хосе, штат Калифорния, США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди – Тl2Са2Ва2Сu3Оx