Особенности редких металлов и сплавов

Самый радиоактивный металл

Единственным металлом, который может использоваться в качестве топлива в ядерных реакторах, является уран. Многие люди считают его очень опасным из-за высокой радиоактивности. Однако, природный уран безопасен для здоровья человека, а опасность представляет его разновидность под названием U-235 — именно она используется в ядерных реакторах.

Уран-235 использовался при ядерной бомбардировке Хиросимы, в бомбе «Малыш»

Когда-то давно из природного урана даже изготавливали посуду. Например, осколки желтого стекла с содержанием урана были найдены на территории итальянского города Неаполь — по расчетам ученых, стекло было изготовлено в 79 году нашей эры. Он был безопасен для людей и никаких намеков на радиацию вроде свечения не наблюдалось.

Природного урана U-235, пригодного для использования в ядерных реакторах, сегодня в природе очень мало — на протяжении долгих лет он просто улетучился. Зато, миллиарды лет назад его было очень много, и ядерные реакции могли запускаться прямо на природе,без участия человека. Так, на территории африканской страны Габон, около 1,8 миллиарда лет назад происходила естественная реакция деления ядер урана. Уран горел на протяжении сотен лет, но в итоге реакция прекратилась из-за истощения запасов металла.

Самый легкий металл

Звание самого легкого металла, по праву достается литию. Он окрашен в серебристо-белый цвет и настолько мягок, что легко режется ножом. Так как он является самым легким металлом в таблице Менделеева, при попадании в воду он всплывает на поверхность.

А вот и он — литий

Для многих это может стать открытием, но устройство с литием вы прямо сейчас можете держать в руке — это ваш смартфон. В мобильных устройствах используются литиевые аккумуляторы, которые компактны, но обеспечивают работу устройств от одного заряда только на протяжении нескольких дней. Ученые пытаются улучшить показатели литий-ионных батарей, но пока это им никак не удается.

Редкоземельные металлы и окружающая среда

Как бы ни ужасающе это звучало для некоторых защитников окружающей среды, на «зеленые» задачи требуется увеличение добычи и переработки редких металлов. Разработка шахт не противоречит «зеленой» экономике — она ей необходима. А исследования показывают, что для борьбы с глобальным потеплением нам понадобится гораздо больше редких металлов.

Например, в одной только турбине ветряка может содержаться от 250 до 600 килограммов редкоземельных магнитов на мегаватт мощности. Поэтому если в ветровых турбинах на суше в Эстонии используется почти тонна редкоземельных магнитов, в более крупных турбинах мощностью до 10 МВт, предназначенных для моря, может содержаться магнитов в 3 раза больше.

Химические свойства

Оксиды редкоземельных элементов. По часовой стрелке от центрального первого: празеодим, церий, лантан, неодим, самарий, гадолиний

Скандий, иттрий и лантаноиды имеют высокую реакционную способность. Химическая активность этих элементов особенно заметна при повышенных температурах. При нагревании до 300—400 °C металлы реагируют даже с водородом, образуя RH₃ и RH₂ (символ R выражает атом редкоземельного элемента). Эти соединения достаточно прочные и имеют солевой характер. При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R₂O₃, CeO₂, Pr₆O₁₁, Tb₄O₇ (лишь только Sc и Y при помощи образования защитной оксидной плёнки являются стойкими на воздухе, даже при нагревании до 1000 °C). Во время горения данных металлов в атмосфере кислорода выделяется большое количество тепла. При сгорании 1 г лантана выделяется 224,2 ккал тепла. Для церия характерной особенностью является свойство пирофорности — способность искриться при разрезании металла на воздухе.

Диоксид церия

Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами-неокислителями, выделяя водород. Из-за высокой активности к атмосферному кислороду и воде куски лантана, церия, празеодима, неодима и европия следует хранить в парафине, остальные из редкоземельных металлов окисляются плохо (за исключением самария, который покрывается плёнкой оксидов, однако не полностью разъедается ей) и их можно хранить в нормальных условиях без противоокислительных веществ.

Химическая активность редкоземельных металлов неодинакова. От скандия до лантана химическая активность возрастает, а в ряду лантан — лютеций — снижается. Отсюда следует, что наиболее активным металлом является лантан. Это обуславливается уменьшением радиусов атомов элементов от лантана до лютеция с одной стороны, и от лантана до скандия — с другой.

Эффект «лантаноидной контракции» (сжатия) приводит к тому, что следующие после лантаноидов элементы (гафний, тантал, вольфрам, рений, осмий, иридий, платина) имеют уменьшенные радиусы атомов на 0,2—0,3 Å отсюда и очень схожие их свойства со свойствами соответствующих элементов пятого периода.

В элементах — скандий, иттрий, лантан — d-оболочка предпоследнего электронного слоя только начинает образовываться, поэтому радиусы атомов и активность металлов в этой группе возрастают сверху вниз. Этим свойством группа отличается от других побочных подгрупп металлов, у которых порядок изменения активности противоположный.

Поскольку радиус атома иттрия (0,89 Å) близок к радиусу атома гольмия (0,894 Å), то по активности этот металл должен занимать одно из предпоследних мест. Скандий же из-за своей активности должен располагаться после лютеция. В этом ряду ослабляется действие металлов на воду.

Редкоземельные элементы чаще всего проявляют степень окисления +3. Из-за этого наиболее характерными являются оксиды R₂O₃ — твёрдые, крепкие и тугоплавкие соединения. Будучи основными оксидами, они для большинства элементов способны соединяться с водой и создавать основания — R(OH)₃. Гидроксиды редкоземельных металлов малорастворимы в воде. Способность R₂O₃ соединяться с водой, то есть основная функция, и растворимость R(OH)₃ уменьшаются в той же последовательности, что и активность металлов: Lu(OH)₃, а особенно Sc(OH)₃, проявляют некоторые свойства амфотерности. Так, кроме раствора Sc(OH)₃ в концентрированном NaOH, получена соль: Na₃Sc(OH)₆·2H₂O.

Поскольку металлы данной подгруппы активны, а их соли с сильными кислотами растворимы, они легко растворяются и в кислотах-неокислителях, и кислотах-окислителях.

Все редкоземельные металлы энергично реагируют с галогенами, создавая RHal₃ (Hal — галоген). С серой и селеном они также реагируют, но при нагревании.

Характеристики самого плотного металла

Ученые сошлись во мнении, что, несмотря на практически одинаковую плотность, иридий совсем чуть-чуть уступает самому тяжелому металлу. Однако полностью физико-химические свойства этих двух элементов пока не изучены.

Редкостью и трудозатратностью добычи обусловлена стоимость осмия – в среднем от $15 000 за грамм. Он внесен в группу платиновых и условно считается благородным, однако название металла противоречит статусу: по-гречески «осме» значит «запах». Из-за высокой химической активности осмий пахнет смесью чеснока или редьки с хлором.

Застывая из расплава, осмий образует красивые кристаллы с интересным сине- или серебристо-голубым отливом. Но, несмотря на красоту, для изготовления драгоценных аксессуаров он не подходит, так как не обладает свойствами, необходимыми ювелирам: ковкостью и пластичностью.

Элемент ценен только из-за особой прочности. Сплавы, в которые добавляют совсем малые дозы самого тяжелого металла, становятся невероятно износостойкими. Обычно им покрывают узлы, подвергающиеся постоянному трению.

История открытия

1803—1804 годы стали для самого тяжелого металла поворотными: именно в это время его открытие проходило практически в условиях соревнований.

Сначала английский химик Смитсон Теннант и его ассистент Уильям Хайд Уолластон, совершившие не одно важное открытие, обнаружили в процессе эксперимента с платиновыми рудами и азотной и соляной кислотами необычный осадок с характерным запахом и поделились своей находкой с другими. Далее эстафету перехватили французские ученые Антуан де Фуркруа и Луи-Николя Воклен и на основе предыдущих и своих собственных исследований заявили об обнаружении нового элемента

Название ему дали «птен», что значит «летучий», так как в результате опытов они получали летучий черный дым

Далее эстафету перехватили французские ученые Антуан де Фуркруа и Луи-Николя Воклен и на основе предыдущих и своих собственных исследований заявили об обнаружении нового элемента. Название ему дали «птен», что значит «летучий», так как в результате опытов они получали летучий черный дым.

Однако и Теннант не спал: он продолжал свои исследования и не упускал из виду опыты французов. В итоге Смитсон добился более конкретных результатов и в официальном документе, отправленном Лондонскому королевскому обществу, указал, что разделил птен на два родственных элемента: иридий («радуга») и осмий («запах»).

Где применяют

Список сфер применения довольно обширен: авиация, военная и ракетная техника, аэрокосмическая промышленность, медицина. Хотя производители оружия уже задумываются, чем можно заменить самый тяжелый в мире металл, так как осмий слишком трудно обрабатывать.

Почти половина мировых запасов самого тяжелого металла отдана на нужды химической промышленности. Им окрашивают живые ткани под микроскопом, обеспечивая их сохранность. Кроме того, его применяют как краситель при росписи фарфора.

Изотопы самого тяжелого металла используют для изготовления тары для хранения ядерных отходов.

Места природного залегания

В чистом виде осмий обнаружить практически нереально. Обычно этот тяжелый элемент встречается в соединении с иридием. Вещество содержится в месторождениях платиновых руд и на месте падения или в самих попавших на Землю метеоритах.

Интересные факты о металлах и их сплавах

Металл используется везде и повсюду. Только оглянитесь вокруг и вы поймёте, что в наше время почти в любом изделии используется металл, будь то какая-либо деталь или изделие целиком. Мы ни случайно выбрали для рассмотрения данную тему, ведь большая часть нашей продукции сделана из металла или имеет металлические детали. Поэтому мы решили, что вам будет интересно просмотреть несколько интересных фактов о металлах.

Такая широкая распространенность металлических изделий обусловлена многими факторами: они крепки, практичны и имеют высокий срок эксплуатации. Такие предметы менее требовательны к уходу, нежели, например, изделия из дерева. Тем более, что отдельные части металлических изделий зачастую покрыты другими материалами, поэтому по красоте внешнего вида они ничуть не уступают остальным.

Итак, поговорим же о самых интересных свойствах металлов. Один из самых распространенных металлов в почве нашей планеты — алюминий, однако, если брать всю планету целиком, то на первое место выходит железо, так как ядро Земли в большей части состоит из него.

Из всего добываемого в мире титана только 7% используется в машиностроении, 13% — на обработку бумаги, 20% — производство пластика и 60% на производство краски.

Характерный запах монет — это не запах металла. Он получается из соединений, образующихся при соприкосновении с металлом, например человеческого пота. Чтобы получить такой “металлический” запах, достаточно лишь малого количества реагентов.

Некоторым металлическим сплавам, например нитинолу (55% никеля и 45% титана), присущ эффект памяти формы. Он заключается в том, что деформированное изделие из такого материала при нагреве до определённой температуры возвращается к своей первоначальной форме. Это связано с тем, что данные сплавы имеют особую внутреннюю структуру под названием мартенсит, обладающую свойством термоупругости.

В деформированных частях структуры возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние. Материалы с памятью формы нашли широкое применение в производстве — например, для соединительных втулок, которые при очень низкой температуре сжимаются, а при комнатной — распрямляются, формируя соединение гораздо надёжнее сварки.

Предметы, изготовленные из такого металла как медь, а также из ее сплавов, не могут создавать искры. Это свойство меди применяется в производстве инструментов для проведения огнеопасных работ. В Японии, подверженной частым землетрясениям, медь применяют для производства газовых трубопроводов, которые отличаются высокой сейсмоустойчивостью.

Еще одно интересное свойство меди было выявлено в ходе исследования водоемов, в которых обитают карпы. Оказывается, в воде, не содержащей медь, развивается грибок, который губительно влияет на развитие карпов, а в воде, содержащей медь, карпы хорошо растут и размножаются. Медь есть и в организме человека, но она регулярно выводится, и поэтому мы нуждаемся в своеобразной дозаправке ежедневно 2 мг меди.

Впервые железо было выплавлено из руды во втором тысячелетии до нашей эры на территории Западной Азии. Технология железной металлургии начинала распространяться по всему миру и в 9-7 веках нашей эры получило повсеместное распространение практически во всех племенах Европы и Азии. Этот период именуется железным веком, сменившим бронзовый век.

Основным продуктом практически любой промышленности является сталь (сплав железа с углеродом). Для изготовления любых станков и оборудования необходима сталь, а в автомобильной промышленности из стали и вовсе производят кузова и детали ходовой части автомобиля. Сложная электроника и космическая промышленность без стали существовать также не могут.

В данной статье мы рассмотрели одни из самых интересных фактов о металлах и их сплавах. Надеемся, что данная статья была вам интересна.

Использование металлов

• Медали Олимпийских призеров на самом деле не золотые, а серебряные – их только снаружи покрывают 6 граммами тонкого золотого слоя. Серебра же в них около 560 г. До 1912 года медаль имела гораздо большую ценность – в то время ее изготавливали из чистого золота.
• Золото – настолько мягкий и капризный металл, что из него невозможно создавать ювелирные украшения. Для того, чтобы готовые изделия не царапались даже простым ногтем и не гнулись, в золото обязательно добавляют серебро или медь.
• Ежечасно на планете добывается столько железа, сколько не добывалось золота за всю историю человечества.
• Одна швейцарская компания – «Valcambi» — выпускает слитки из дорогих металлов не в обычной форме, а в виде плиток шоколада. Они гораздо удобнее в применении по сравнению с традиционными слитками. Их можно легко разломать по маленьким плиточкам, как и шоколадку. На каждой плитке есть информация о ее весе (ровно 1 грамм), составе, пробе металла (999,9). Ее можно использовать в качестве подарка или в виде альтернативного средства для оплаты. Такие шоколадные слитки могут быть серебряными, золотыми, платиновыми и палладиевыми.
• Чеканка монет в России – это не совсем оправдывающее себя производство. Для того, чтобы создать монету номиналом в 5 копеек, государству необходимо потратить на ее изготовление в 14 раз больше средств.
• Небольшие зарубки – гурты — по всему краю монеток издавна имели свое назначение. Так правительство боролось с фальшивомонетчиками, которые самостоятельно выплавляли деньги из золотых крошек.
• Всего человечеством добыто драгоценных металлов на сумму более 9 триллионов долларов.
• Небольшой японский городок Сува прославился при помощи необычного способа добычи золота, которое по качеству было в несколько десятков раз лучше добытого традиционным методом. Драгоценный элемент получают здесь из пепла – продукта сжигания сухих отходов из канализаций. Однако стоит учитывать, что для добычи драгоценного металла подойдет далеко не любая канализация. В Суве расположено много предприятий по производству электронных приборов, работающих с золотом.
• Изготовленные из латуни дверные ручки имеют свойство самостоятельно очищаться от микробов, в то время как стальные ручки, наоборот, накапливают на своей поверхности множество болезнетворных микроорганизмов.
• Большую часть добываемого титана используют для создания красок, пятая часть – на создание пластмассы, и примерно по 10 процентов – в области машиностроения и производства бумаги.
• Из меди в Японии изготавливают оборудование для работы с огнем и устойчивые к землетрясениям трубопроводы, так как металл не создает искры. Также присутствие меди в реках и озерах ускоряет рост рыб, а его отсутствие приводит к размножению опасного для жизни карпов грибка.
• В открытом космосе невозможно использовать инструменты из неокисленного металла – они начинают прилипать. Потому все инструменты космонавтов в космосе покрыты пластиком.
• Щелочной металл литий обладает заживляющим свойством. Поэтому его используют при лечении подагры. Еще в древности люди часто при кожных поражениях накладывали на эти места лепешки из глины, насыщенной этим элементом.
• В древние времена, когда еще люди не умели производить сталь, железо укрепляли, обжигая в кожных лоскутах и навозе. Таким образом металл обогащался углеродом и становился прочнее. По этой причине кузницы часто строили около сараев и конюшен.
• В старину люди клали в кувшин с молоком серебряную ложку – это не позволяло молочнокислым бактериям размножиться, и продукт долго не портился.
• В Индии, в условиях плохой санитарии, привычным делом считается употребление десертов, содержащих в составе тонкий слой серебряной фольги – это позволяет избежать ряда кишечных инфекций.

Самый дорогой промышленный металл

Напоследок стоит упомянуть про калифорний — металл, которого в чистом виде в природе не найти. Его производят в ядерных реакторах России и США, причем в очень малых количествах. По сообщениям ученых, за один год им удается создать только 40-80 микрограмм этого необычного металла. Из-за сложности добычи и редкости, грамм этого металла стоит до 27 миллионов долларов.

Калифорний — радиоактивный красавец

Этот металл очень радиоактивен, поэтому никаких поделок из него не сделаешь. Зато он нужен ученым во время проведения серьезных испытаний. Хотя, в теории, его можно использовать при создании атомной бомбы. Но вышеупомянутый уран стоит гораздо дешевле, поэтому все используют именно его.

В периодической таблице Менделеева еще много интересных элементов, но эти — по моему мнению, самые интересные металлы. Примечательно, что ученые до сих пор занимаются разработкой металлов с интересными свойствами. В 2019 году мой коллега Владимир Кузнецов рассказал о материале, который не тонет в воде — рекомендую почитать!

Металлы, которые стоят гораздо дороже золота

Вероятно, вы даже приблизительно не сможете назвать цену калифорния-252. Это и неудивительно, так как предположить, что металл может стоить десять миллионов долларов за один грамм, просто невозможно. Такая высокая стоимость обусловлена тем, что металл крайне редкий. Во всем мире имеется около пяти его грамм. Получают калифорний-252 искусственным путем. Впервые это было сделано в 1958 году. Металл отличается радиоактивностью. При его распаде выделяется гигантское количество энергии.

Другие металлы-рекордсмены стоят относительно недорого. К примеру, стоимость родия составляет около ста пятидесяти долларов за один грамм. Родий, в отличие от двух вышеописанных металлов, встречается в природе. Однако количество родия совсем небольшое — несколько тонн. Внешний вид родия напоминает алюминий, однако родий гораздо тверже. Каждый их этих металлов жизненно необходим тому или иному процессу, в том числе и золото — которое обеспечивает современную ценность денег. В то же время, оно является самым дешевым в нашем списке рекордсменов.

Золото

Стоимость: 56 долларов за грамм.

Золото — очень тяжелый металл: плотность чистого золота равна 19 621 кг/м. Среди металлов по плотности занимает шестое место: после осмия, иридия, рения, платины и плутония. Высокая плотность золота облегчает его добычу. Самые простые технологические процессы, такие, как, например, промывка на шлюзах, могут обеспечить весьма высокую степень извлечения золота из промываемой породы.

Родий

Стоимость: 58 долларов за грамм.

Родий используется главным образом в каталитических преобразователях для снижения углеродных выбросов автомобиля. Этот металл не играет никакой биологической роли. Соединения родия довольно редко встречаются в повседневной жизни и их воздействие на человеческий организм до конца не изучено. Несмотря на это, они являются высокотоксичными и канцерогенными веществами. Соли родия способны сильно окрашивать человеческую кожу.

Платина

60 долларов за грамм.

Платина и ее сплавы широко используются для производства ювелирных изделий. Ежегодно мировая ювелирная промышленность потребляет около 50 тонн платины. В настоящее время в Китае ежегодно продается около 10 миллионов изделий из платины общей массой около 25 тонн.

Плутоний

Стоимость: около 4000 долларов за грамм.

Тяжелый хрупкий радиоактивный металл серебристо-белого цвета. В периодической таблице располагается в семействе актиноидов. Широко используется в производстве ядерного оружия, ядерного топлива для атомных реакторов гражданского и исследовательского назначения и в качестве источника энергии для космических аппаратов.

Тритий

Стоимость: 30 тысяч долларов за грамм.

Производство одного килограмма трития обходится в 30 млн долларов. Используется в источниках света как тритиевая подсветка.

Осмий-187

Стоимость: 200 тысяч долларов за грамм.

Драгоценный металл осмий, получаемый вследствие довольно сложного процесса извлечения, состоит из семи изотопов. Каждый изотоп обладает различными массовыми числами – от 184 до 192 за исключением 185 и 191. Присутствие каждой разновидности этого металла в основном веществе напрямую связано с величиной его массового числа. Самый тяжеловесный 192 изотоп занимает 41% от общего количества природного осмия, а 187 – лишь 1,6%. Но столь низкая доля ценного осмия-187 в материнском металле не является препятствием для его разработки и применения.

Калифорний 252

Стоимость: 27 миллионов долларов за грамм

Для элемента, который настолько дорог в производстве, изотопы калифорния не обладают никаким практическим применением. На Западе он был создан лишь единожды с момента своего открытия в 1958 году.

Топ-5 самых редких металлов

Среди всех известных металлов на нашей планете можно выделить 5 более редких элементов.

Калифорний

Этот материал считается самым дорогим и редким в мире. Особенности:

1. Общее количество к началу XXI века — не более 10 грамм. Производством занимается только 2 лаборатории.
2. Радиоактивность
3. Серебристо-белый цвет.

Применяется в для ядерной энергетике, медицине (при облучении злокачественных новообразований), изготовлении измерительных приборов.

Осмий

Еще одно обозначение — осмий 187. Многие причисляют его к группе благородных. Особенности:

• серебристо-голубой цвет;
• большой показатель плотности;
• высокая температура плавления.

Применяется в электронной, химической промышленности, медицине.

Осмий 187 (Фото: Instagram / blog_dylym)

Галий

Часто используется фокусниками для представлений, поскольку плавится от температуры тела. Другие особенности:

1. Если залить галий серной кислотой, он будет пульсировать.
2. Серебристо-голубой цвет.

Применяется для изготовления термометров из кварца, металлических клеев, сверхвысокочастотной электроники, лазерных установок.

Рений

Впервые был произведен в 1926 году. Особенности:

1. Серебристо-белый цвет.
2. Один грамм рения получается после переработки нескольких сотен килограмм молибдена.

Применяется для изготовления турбинных лопаток, реактивных двигателей, сверхточных измерительных приборов.

Рений (Фото: Instagram / chemical_elements)

Тантал

Обладает уникальным свойством биосовместимости. Из него изготавливаются высококачественные протезы, которые хорошо воспринимаются организмом. Применяется в химической промышленности, производстве электронных приборов.

К группе редких металлов относятся разные химические элементы, содержание которых в природе минимально по сравнению с остальными. Они похожи многими характеристиками, но обладают уникальными свойствами. Применяются в разных сферах промышленности, продолжают изучаться учеными.

Описание и особенности иридия

Иридий – плотный тугоплавкий металл платиновой группы с высокой коррозионной стойкостью. В природных условиях встречается очень редко, что определяет его высокую стоимость на мировом рынке. За год во всем мире добывают не более 3 тн этого химического элемента. Иридий относят к категории благородных металлов в одном ряду с золотом и платиной. Чистое вещество не токсично и не радиоактивно.

В качестве первичного природного сырья для получения иридия используют руды, содержащие сульфат железа и никеля. При вторичной обработке для этой цели берут шлам, который образовался после переработки медно-никелевых сплавов (нихрома).

Область применения

Треть перерабатываемого иридия используется в химической промышленности в качестве катализаторов, ускоряющих проведение реакций. Значительная часть идет на создание прочных жаростойких защитных пленок на поверхности посуды и лабораторного оборудования.

Для изготовления ювелирных изделий берут сплав иридия с платиной, который отличается высокой прочностью, и имеет более оригинальный внешний вид. Большой популярностью пользуется инкрустация золота этим металлом. Кроме этого из сплавов с иридием уже давно изготавливают перья дорогих чернильных авторучек.

Иридиевое покрытие можно встретить на медицинских инструментах и деталях сердечных стимуляторов.

Проволоку из сплавов с содержанием иридия применяют в производстве высококачественных и долговечных свечей зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Соединения молибдена и вольфрама с иридием позволяют изготавливать жаропрочную биметаллическую проволоку для электронных и измерительных приборов.

Сдача иридия

Мы понимаем, что чистый иридий для вторичной переработки практически не поступает. Это очень редкий и малораспространенный элемент. Поэтому наша компания принимает все виды сплавов, содержащих иридий. Это могут быть металлические элементы свечей зажигания, химическая посуда с иридиевым покрытием, отходы и остатки биметаллической проволоки, поломанный медицинский инструмент и другие вторичные материалы.