Тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, ниобий, тантал

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.

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 являетсясамой 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.

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.

Применение вольфрама

Этот металл обладает сравнительно высокой ценой и тяжело обрабатывается механическим способом, поэтому применяют его там, где невозможно заменить другими, сходными по свойствам материалами. Вольфрам прекрасно выдерживает высокие температуры, имеет значительную прочность, наделен твердостью, упругостью и тугоплавкостью, поэтому находит широкое использование во многих областях промышленности:

Металлургической. Она является основным потребителем вольфрама, который идет на производство высокого качества легированных сталей.
Электротехнической. Температура плавления самого тугоплавкого металла составляет почти 3400 °C. Тугоплавкость металла позволяет применять его для производства нитей накаливания, крючков в осветительных и электронных лампах, электродов, рентгеновских трубок, электрических контактов.

Машиностроительной. Благодаря повышенной прочности сталей, содержащих вольфрам, изготавливают цельнокованые роторы, зубчатые колеса, коленчатые валы, шатуны.
Авиационной. Какой самый тугоплавкий металл используют для получения твердых и жаропрочных сплавов, из которых делают детали авиационных двигателей, электровакуумных приборов, нити накаливания? Ответ прост – это вольфрам.
Космической. Из стали, содержащей вольфрам, производят реактивные сопла, отдельные элементы для реактивных двигателей.
Военной. Высокая плотность металла позволяет изготавливать бронебойные снаряды, пули, броневую защиту торпед, снарядов и танков, гранаты.
Химической. Стойкая вольфрамовая проволока против кислот и щелочей используется для сеток к фильтрам. С помощью вольфрама меняют скорость химических реакций.
Текстильной. Вольфрамовая кислота используется как краситель для тканей, а вольфрамит натрия применяют для производства кожи, шелка, водоустойчивых и огнестойких тканей.

Приведенный перечень использования вольфрама в разных областях индустрии указывает на высокую ценность этого металла.

Самый тугоплавкий металл в мире — свойства, получение, применение

Определение «тугоплавкие металлы» не требует дополнительных пояснений в силу исчерпывающей информативности самого термина. Единственным нюансом остается пороговая температура плавления, после которой вещество можно считать тугоплавким.

Где применяется вольфрам?

Широко используют соединения вольфрама. Их применяют в машиностроительной и горнодобывающей промышленностях, для бурения скважин. Из данного металла благодаря его высокой прочности и твердости изготавливают детали двигателей летательных аппаратов, нити накаливания, артиллерийские снаряды, сверхскоростные роторы гироскопов, пули и т.д. Также вольфрам успешно применяется как электрод при аргонно-дуговой сварке. Не обходятся и такие отрасли промышленности без соединений вольфрама – текстильная, лакокрасочная.

Определение

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.

Пять элементов — ниобий, молибден, тантал, вольфрам и рений входят в этот список как основные, 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.

Сравнительная таблица степени тугоплавкости чистых металлов

Следует отметить, что тугоплавкие материалы не ограничиваются исключительно металлами. К этой категории относится ряд соединений – сплавы и легированные металлы, разработанных, чтобы улучшить определенные характеристики исходного материала.

Относительно чистых элементов, можно привести наглядную таблицу степени их температурной устойчивости. Возглавляет ее самый тугоплавкий металл, известный на сегодня, – вольфрам с температурой плавления 3422 0С. Такая осторожная формулировка связана с попытками выделить металлы, обладающие порогом расплава, превосходящим вольфрам.

Поэтому вопрос, какой металл самый тугоплавкий, может в будущем получить совсем иное определение.

https://youtube.com/watch?v=d9060b-BaPA

Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:

рений 3186;
осмий 3027;
тантал 3014;
молибден 2623;
ниобий 2477;
иридий 2446;
рутений 2334;
гафний 2233;
родий 1964;
ванадий 1910;
хром 1907;
цирконий 1855;
титан 1668.

Остается добавить еще один интересный факт, касающийся физических свойств жапропрочных элементов. Температура плавления некоторых из них чувствительная к чистоте материала. Ярким примером этому выступает хром, температура плавления которого может варьироваться от 1513 до 1920 0С, в зависимости от химического состава примесей. Поэтому, данные интернет пространства часто разнятся точными цифрами, однако качественная составляющая от этого не страдает.

Хром в чистом виде

Свойства самых тугоплавких металлов

Так самый тугоплавкий металл в мире (вольфрам) обычно легируется рением, торием, никелем при участии меди и/или железа. Первый делает сплав более коррозионстойким, второй — более надежным, а третий — придает небывалую плотность

Следует обратить внимание, что во всех сплавах вольфрама содержится не более 4/5

Из-за того, что вольфрам одновременно и твердый, и тугоплавкий его обычно применяют в электроснабжении, строении приборов, изготовлении оружия, снарядов, боеголовок и ракет. Более плотные сплавы (на базе никеля) применяют для производства клюшек для игры в гольф. Вольфрам образует и так называемые псевдосплавы. Дело в том, что в них металл не легируется, а наполняется жидким серебром или медью.

За счет разницы в температурах расплава получаются лучшие тепло и электропроводные свойства.

Это дает возможность использовать его для изготовления форм для литья цинковых деталей. Особое направления использования молибдена — в качестве легирующего элемента в стальных сплавах. Сплавы сталь+молибден обладают хорошей износостойкостью и невысокими показателями трения.

Сталь+молибден применяют в для изготовления труб, трубных конструкций, автомобиле и машиностроении.

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.

Виды и области применения

Благодаря своим уникальным качествам тугоплавкие металлы очень полезны для различных областей применения и отраслей. Их основные преимущества:

Сверхвысокая точка плавления. В частности, к тугоплавким металлам относятся вольфрам, молибден и тантал, которые применяются при производстве стекла;
Прочность при сверхвысоких температурах. Например, конусы ракет, сделанные из вольфрама, имеют вдвое большую прочность на разрыв, чем железо при нормальных температурах;
Превосходная стойкость к истиранию и износу, что позволяет продлить срок службы седел клапанов, уплотнений, форсунок и других участков, подверженных сильному износу;
Отличная коррозионная стойкость, поэтому особо ответственные трубопроводы на химических предприятиях обычно изготавливаются из тугоплавких металлов;
Устойчивость к тепловому удару. В частности, вольфрамовые изделия могут противостоять нагрузкам, вызванным быстрым расширением из-за резких перепадов температуры;
Тепловая и электрическая проводимость, вследствие чего из вольфрама и молибдена изготавливают детали радиаторов;
Чрезвычайная твердость, поэтому высокостойкий режущий штамповый и бурильный инструмент производят из карбида вольфрама;
Высокая плотность тугоплавких металлов – причина их применения при изготовлении головок клюшек для гольфа и авиационных гироскопов.

Кроме того, эти материалы используются в качестве катализаторов химических реакций, при процессах ядерного синтеза и т.д.

К тугоплавким металлам относятся получившие особое распространение вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и хром. Об особенностях их применения – далее.

Вольфрам

Вольфрам – самый распространенный среди тугоплавких металлов. Он имеет самую высокую температуру плавления и одну из самых высоких плотностей. Обладает также высокой устойчивостью к коррозии. Широко используется в проволочных волокнах, например, в большинстве ламп накаливания, используемых в домах, а также в промышленных дуговых лампах и прочей технике для освещения.

Молибден

Молибден – наиболее используемый тугоплавкий металл из всех, потому что он дешевле, чем большинство других, и, когда он превращен в сплав, может быть очень устойчивым к ползучести и высоким температурам. Он также не образует амальгам, что делает его устойчивым к коррозии.

Молибден используется для упрочнения стальных сплавов, особенно в конструкционных трубопроводах и насосно-компрессорных трубах. Этот металл также обладает отличными антифрикционными качествами, что делает его идеальным компонентом масел и смазок, используемых в автомобилях.

Ниобий

Обладает оптимальным сочетанием пластичности и прочности. Его можно использовать при изготовлении электролитических конденсаторов, сверхпроводников, ядерных реакторов и электронных ламп.

Тантал

Более других устойчив к коррозии, поэтому находит применение в медицине (особенно – хирургии), а также в средах с повышенной кислотностью. Тантал также является основным компонентом компьютерных, телефонных и конденсаторных цепей.

Рений

Известен своей высокой прочностью на разрыв и пластичностью. Он широко используется в ядерных реакторах, гироскопах и других электрических компонентах. Из-за своей редкости рений очень дорог. Понятие коррозионной стойкости особенно актуально именно для рения, потому что он очень летуч. Может терять устойчивость к воздействию кислорода при высоких температурах, поскольку оксидный слой активно испаряется.

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.

Вольфрам

Этот металл открыли в далёком 1781 г. Его температура плавления равна 3380 °С. Поэтому он на сегодняшний день является самым тугоплавким металлом. Получают вольфрам из специального порошка, подвергая его химической обработке. Этот процесс основан на прессовании с последующим спеканием при высоких температурах. Далее его подвергают ковке и волочению на станках. Это связано с его наибольшей тугоплавкостью. Так получают волокнистую структуру (проволоку). Она достаточно прочная и практически не ломается. На конечном этапе его раскатывают в виде тонких нитей или гибкой ленты. Для проведения механической обработки необходимо создать защитную среду из инертного газа. В этой среде температура должна превышать 400 °С. При температуре окружающей среды он приобретает свойства парамагнетика. Ему присущи следующие недостатки:

сложность в создании условий для механической обработки;
быстрое образование на поверхности оксидных плёнок. Если в контакте имеются серосодержащие вещества, образуются сульфидные плёнки;
создание хорошего электрического контакта между несколькими деталями возможно только при создании большого давление.

Вольфрам

Для улучшения свойств вольфрама (тугоплавкости, устойчивости к коррозии, износостойкости) в него добавляют легирующие металлы. Например, рений и торий.

Металл используется для производства нитей накаливания для осветительных и сушильных ламп. Его добавляют в сварочные электроды, элементы электронных ламп и рентгеновских трубок. Также применяется при производстве элементов ракет, в реактивных двигателях, артиллерийских снарядах.

Вольфрам

сложность в создании условий для механической обработки;
быстрое образование на поверхности оксидных плёнок. Если в контакте имеются серосодержащие вещества, образуются сульфидные плёнки;
создание хорошего электрического контакта между несколькими деталями возможно только при создании большого давление.

Вольфрам

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.