Металлы - это самый распространенный материал (наряду с пластмассами и стеклом), который применяется людьми с древних времен. Уже тогда человеку была известна характеристика металлов, он с выгодой использовал все их свойства для создания прекрасных произведений искусства, посуды, предметов быта, сооружений.
Одной из главных черт при рассмотрении этих веществ является их твердость и тугоплавкость. Именно эти качества позволяют определять область использования того или иного металла. Поэтому рассмотрим все физические свойства и особое внимание уделим вопросам плавкости.
Физические свойства металлов
Характеристика металлов по физическим свойствам может быть выражена в виде четырех основных пунктов.
- Металлический блеск - все имеют примерно одинаковый серебристо-белый красивый характерный блеск, кроме меди и золота. Они имеют красноватый и желтый отлив соответственно. Кальций - серебристо-голубой.
- Агрегатное состояние - все твердые при обычных условиях, кроме ртути, которая находится в виде жидкости.
- Электро- и теплопроводность - характерна для всех металлов, однако выражена в разной степени.
- Ковкость и пластичность - также общий для всех металлов параметр, который способен варьироваться в зависимости от конкретного представителя.
- Температура плавления и кипения - определяет, какой металл тугоплавкий, а какой легкоплавкий. Этот параметр разный для всех элементов.
Все физические свойства объясняются особым строением металлической кристаллической решетки. Ее пространственным расположением, формой и прочностью.
Легкоплавкие и тугоплавкие металлы
Данный параметр является очень важным, когда речь заходит об областях применения рассматриваемых веществ. Тугоплавкие металлы и сплавы - это основа машино- и кораблестроения, выплавки и литья многих важный изделий, получения качественного рабочего инструмента. Поэтому знание температур плавления и кипения играет основополагающую роль.
Характеризуя металлы по прочности, можно разделить их на твердые и хрупкие. Если же говорить о тугоплавкости, то здесь выделяют две основные группы:
- Легкоплавкие - это такие, которые способны менять агрегатное состояние при температурах ниже 1000 оС. Примерами могут служить: олово, свинец, ртуть, натрий, цезий, марганец, цинк, алюминий и другие.
- Тугоплавкими считаются те, чья температура плавления выше обозначенной величины. Их не так много, а на практике применяется еще меньше.
Таблица металлов, имеющих температуру плавления свыше 1000 оС, представлена ниже. Именно в ней и располагаются самые тугоплавкие представители.
| Название металла | Температура плавления, оС | Температура кипения, оС |
| Золото, Au | 1064.18 | 2856 |
| Бериллий, Ве | 1287 | 2471 |
| Кобальт, Со | 1495 | 2927 |
| Хром, Cr | 1907 | 2671 |
| Медь, Cu | 1084,62 | 2562 |
| Железо, Fe | 1538 | 2861 |
| Гафний, Hf | 2233 | 4603 |
| Иридий, Ir | 2446 | 4428 |
| Марганец, Mn | 1246 | 2061 |
| Молибден, Мо | 2623 | 4639 |
| Ниобий, Nb | 2477 | 4744 |
| Никель, Ni | 1455 | 2913 |
| Палладий, Pd | 1554,9 | 2963 |
| Платина, Pt | 1768.4 | 3825 |
| Рений, Re | 3186 | 5596 |
| Родий, Rh | 1964 | 3695 |
| Рутений, Ru | 2334 | 4150 |
| Тантал, Та | 3017 | 5458 |
| Технеций, Тс | 2157 | 4265 |
| Торий, Th | 1750 | 4788 |
| Титан, Ti | 1668 | 3287 |
| Ванадий, V | 1910 | 3407 |
| Вольфрам, W | 3422 | 5555 |
| Цирконий, Zr | 1855 | 4409 |
Данная таблица металлов включает в себя всех представителей, чья температура плавления выше 1000 оС. Однако на практике многие из них не применяются по различным причинам. Например, из-за экономической выгоды или вследствие радиоактивности, слишком высокой степени хрупкости, подверженности коррозионному воздействию.
Также из данных таблицы очевидно, что самый тугоплавкий металл в мире - это вольфрам. Наименьший показатель у золота. При работе с металлами важное значение имеет мягкость. Поэтому многие из обозначенных выше также не используются в технических целях.
Наиболее тугоплавкий металл - вольфрам
В периодической системе располагается под порядковым номером 74. Название получил по фамилии известного физика Стивена Вольфрама. При обычных условиях представляет собой твердый тугоплавкий металл серебристо-белого цвета. Обладает ярко выраженным металлическим блеском. Химически практически инертен, в реакции вступает неохотно.
В природе содержится в виде минералов:
- вольфрамит;
- шеелит;
- гюбнерит;
- ферберит.
Учеными было доказано, что вольфрам - наиболее тугоплавкий металл из всех существующих. Однако существуют предположения о том, что сиборгий теоретически способен побить рекорд этого металла. Но он является радиоактивным элементом с очень коротким периодом существования. Поэтому доказать это пока невозможно.
При определенной температуре (свыше 1500 оС) вольфрам становится ковким и пластичным. Поэтому возможно изготовление тонкой проволоки на его основе. Это свойство используется для изготовления нитей накаливания в обычных бытовых электрических лампочках.
Как наиболее тугоплавкий металл, выдерживающий температуры больше 3400 оС, вольфрам применяется в следующих областях техники:
- как электрод при аргонной сварке;
- для получения кислотоустойчивых, износостойких и жаростойких сплавов;
- в качестве нагревательного элемента;
- в вакуумных трубках как нить накаливания и прочее.
Помимо металлического вольфрама, широко применяются в технике, науке и электронике его соединения. Как самый тугоплавкий металл в мире он и соединения формирует с очень высококачественными характеристиками: прочные, устойчивые практически ко всем видам химического воздействия, не подвергающиеся коррозии, выдерживающие низкие и высокие температуры (победит, сульфид вольфрама, его монокристаллы и другие вещества).
Ниобий и его сплавы
Nb, или ниобий, - при обычных условиях серебристо-белый блестящий металл. Он также является тугоплавким, поскольку температура перехода в жидкое состояние для него составляет 2477 оС. Именно это качество, а также сочетание низкой химической активности и сверхпроводимости позволяет ниобию становиться все более популярным в практической деятельности человека с каждым годом. Сегодня этот металл используется в таких отраслях, как:
- ракетостроение;
- авиационная и космическая промышленность;
- атомная энергетика;
- химическое аппаратостроение;
- радиотехника.
Этот металл сохраняет свои физические свойства даже при очень низких температурах. Изделия на его основе отличаются коррозионной устойчивостью, жаростойкостью, прочностью, отличной проводимостью.
Этот металл добавляют к алюминиевым материалам для повышения химической стойкости. Из него изготовляют катоды и аноды, им легируют цветные сплавы. Даже монеты в некоторых странах делают с содержанием ниобия.
Тантал
Металл, в свободном виде и при обычных условиях покрытый оксидной пленкой. Обладает набором физических свойств, которые позволяют ему быть широко распространенным и очень важным для человека. Его основные характеристики следующие:
- При температуре свыше 1000 оС становится сверхпроводником.
- Это наиболее тугоплавкий металл после вольфрама и рения. Температура плавления составляет 3017 оС.
- Прекрасно поглощает газы.
- С ним легко работать, так как он прокатывается в пласты, фольгу и проволоку без особого труда.
- Обладает хорошей твердостью и не хрупкий, сохраняет пластичность.
- Очень устойчив к воздействию химических агентов (не растворяется даже в царской водке).
Благодаря таким характеристикам сумел завоевать популярность как основа для многих жаропрочных и кислотоустойчивых, антикоррозионных сплавов. Его многочисленные соединения находят применение в ядерной физике, электронике, приборах вычислительного плана. Используются как сверхпроводники. Раньше тантал использовался как элемент в лампах накаливания. Сейчас его место занял вольфрам.
Хром и его сплавы
Один из самых твердых металлов, в естественном виде голубовато-белой окраски. Его температура плавления ниже, чем у рассмотренных до сих пор элементов, и составляет 1907 оС. Однако он все равно используется в технике и промышленности повсеместно, так как хорошо поддается механическим воздействиям, обрабатывается и формуется.
Особенно ценен хром в качестве напылителя. Его наносят на изделия для придания им красивого блеска, защиты от коррозии и повышения износостойкости. Процесс называется хромированием.
Сплавы хрома очень популярны. Ведь даже небольшое количество этого металла в сплаве значительно увеличивает твердость и устойчивость последнего к воздействиям.
Цирконий
Один из самых дорогих металлов, поэтому применение его в технических целях затруднено. Однако физические характеристики делают его просто незаменимым во многих других отраслях.
При обычных условиях это красивый серебристо-белый металл. Обладает достаточно высокой температурой плавления - 1855 оС. Имеет хорошую твердость, устойчивость к коррозии, так как химически не активен. Также отличается великолепной биологической совместимостью с кожей человека и всего организма в целом. Это делает его ценным металлом для использования в медицине (инструменты, протезы и так далее).
Основные области применения циркония и его соединений, в том числе сплавов, следующие:
- ядерная энергетика;
- пиротехника;
- легирование металлов;
- медицина;
- изготовление биопосуды;
- конструкционный материал;
- как сверхпроводник.
Из циркония и сплавов на его основе изготавливаются даже украшения, способные влиять на улучшение состояния здоровья человека.
Молибден
Если выяснять, какой металл самый тугоплавкий, то, помимо обозначенного вольфрама, можно назвать и молибден. Его температура плавления составляет 2623 оС. При этом он достаточно твердый, пластичный и поддающийся обработке.
Используется он в основном не в чистом виде, а как составной компонент сплавов. Они, благодаря присутствию молибдена, значительно укрепляются в износостойкости, жаропрочности и антикоррозийности.
Некоторые соединения молибдена используют как технические смазки. Также этот металл является легирующим материалом, одновременно влияющим и на прочность, и на антикоррозийность, что встречается очень редко.
Ванадий
Серый металл с серебристым блеском. Обладает достаточно высоким показателем плавкости (1920 оС). Используется в основном как катализатор во многих процессах, благодаря своей инертности. Применяется в энергетике как химический источник тока, в производствах неорганических кислот. Основное значение имеет не чистый металл, а именно некоторые его соединения.
Рений и сплавы на его основе
Какой металл самый тугоплавкий после вольфрама? Это рений. Его показатель плавкости составляет 3186 оС. По прочности превосходит и вольфрам, и молибден. Пластичность его не слишком высока. Спрос на рений очень велик, а вот добыча составляет сложности. Вследствие этого он является самым дорогим металлом из существующих на сегодняшний день.
Применяется для изготовления:
- реактивных двигателей;
- термопар;
- нитей накаливания для спектрометров и прочих устройств;
- как катализатор при нефтепереработке.
Все области применения дорогостоящие, поэтому он используется только в случае крайней необходимости, когда заменить чем-либо другим возможности нет.
Титановые сплавы
Титан - это очень легкий металл серебристо-белого цвета, который находит широкое применение в металлургической промышленности и металлообработке. Может взорваться при нахождении в мелкодисперсном состоянии, поэтому является пожароопасным.
Применяется в авиа- и ракетостроении, при производстве кораблей. Широко используется в медицине благодаря биологической совместимости с организмом (протезы, пирсинги, имплантаты и прочее).
