Самый тугоплавкий металл в мире
ВОЛЬФРАМ — самый тугоплавкий металл
Металл получил название от минерала вольфрамита («Wolf Rahm» с немецкого). Минерал весил немало, и в Швеции горняки назвали его «тунг стен» — тяжелый камень.
Во Франции, США и Великобритании для вольфрама используют название «tungsten».
Как его нашли
История открытия связана со шведским химиком К.В. Шееле. Из неизученного минерала он выделил неизвестную «тунгстеновую» кислоту (WO3·H2O). Братья Элюар выделили из её солей новый элемент. Поскольку работали они с вольфрамитом, то назван был элемент вольфрамом.
Свойства
Вольфрам относится к переходным металлам. Имеет серебристо-серый цвет. В периодической таблице Менделеева расположен в VI группе и носит атомный № 74.
Физические свойства металла:
Некоторые свойства вольфрама уникальны. Тугоплавкость — визитная карточка вольфрама, ею он отличается от других металлов.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Вольфра́м / Wolframium (W), 74 |
| Атомная масса (молярная масса) | 183,84(1)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Xe] 4f14 5d4 6s2 |
| Радиус атома | 141 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 170 пм |
| Радиус иона | (+6e) 62 (+4e) 70 пм |
| Электроотрицательность | 2,3 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | W ← W3+ 0,11 В W ← W6+ 0,68 В |
| Степени окисления | 6, 5, 4, 3, 2, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 769,7 (7,98) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 19,25[2] г/см³ |
| Температура плавления | 3695 K (3422 °C, 6192 °F)[2] |
| Температура кипения | 5828 K (5555 °C, 10031 °F)[2] |
| Уд. теплота плавления | 285,3 кДж/кг 52,31[3][4] кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 4482 кДж/кг 824 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,27[5] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 9,53 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированная |
| Параметры решётки | 3,160 Å |
| Температура Дебая | 310 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 162,8[6] Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-33-7 |
Месторождения и добыча
Для промышленной добычи пригодны вольфрамиты (гюбнерит, ферберит) и шеелит.
Крупнейшими запасами вольфрамовых руд обладают:
Российские запасы вольфрамовых руд происхождением из коренных месторождений.
Получение
Промышленное получение металла из руды предваряется обогащением. Это дробление, шлифовка, флотация. Затем из концентрата выделяют WO3, который затем восстанавливают до металла водородом при температуре около 700°С.
Компактный вольфрам получают:
Сплавы
Присадки меняют характеристики полученных сплавов.
| Марка российского сплава | Присадки |
| ВД-20 | 80% вольфрама, 20% меди |
| ВНЖ-95 | 3% никеля, 2% железа |
| ВНМ 2-1 | 2% никеля, 1% меди |
| ВНЖ 7-3 | 7% никеля, 3% железа |
| ВД-30 | 70% вольфрама, 30% меди |
| ВНЖ-97.5 | 1.5% никеля, 1% железа |
Плюсы и минусы металла
| Преимущества | Недостатки |
| Электрическое сопротивление | Высокая плотность |
| Температура плавления | Слабая сопротивляемость окислению |
| Коэффициент линейного расширения | Ломкость при низких температурах |
Применение
В применении тугоплавкого металла соперничают металлообрабатывающая, нефтехимическая, мебельная промышленности.
Вольфрам используют в производства электродов для аргонно-дуговой сварки.
Качественная быстрорежущая сталь почти всегда имеет в составе вольфрам.
Светящаяся нить накаливания в осветительных лампах, аноды и катоды в электронных приборах — это чистый вольфрам.
Победит, известный советский сплав, на 90% состоит из карбида вольфрама (WC). Победитовые сверла известны многим «рукодельным» мужчинам.
Металл входит в состав тяжелых сплавов, которые применяют в производстве бронебойных снарядов, гироскопов для баллистических ракет.
Начали осваивать и ювелиры тяжелый металл — он гипоаллергенный, тяжелый и прочный.
Наночастицы WO3 нашли применение в медицине. Их антимикробные свойства используют для очистки сточных вод. В компьютерной томографии наночастицы WO3 применяют, как контрастный агент.
Цена вопроса
Средняя цена тонны W на конец июня 2020 года составила 24120-24600 долларов США.
Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!
Какой металл считается самым тугоплавким?
Металл с давних времён используются человеком в различных сферах деятельности. Чтобы получить качественное металлическое изделие, важно подобрать хороший материал, оценивая при этом его характеристики. Важный параметр — тугоплавкость. Для изготовления некоторых изделий подходят только самые тугоплавкие металлы.
Кольца из вольфрама
Исторические сведения
Прежде чем изучать характеристики самых тугоплавких металлов в мире следует ознакомиться с их историей открытия. Металлообработка известна человеку несколько тысяч лет. Однако активное получение тугоплавких металлов началось только со второй половины 19 века.
Изначально они использовались только в электротехнике. С появлением новых технологий в строении самолётов, машин, поездов и ракет детали с высоким показателем плавления начали использоваться активнее. Пик популярности заготовок, выдерживающих температуры более 1000 градусов, пришёлся на середину 20 века.
Определение
Тугоплавкий металл — отдельный класс, к которому относятся металлические заготовки, выдерживающие воздействие критически высоких температур. Обычно у представителей этого класса температура плавления более 1600 градусов, что считается точкой плавления железа. К ним относят благородные сплавы. Их ещё называют представителями платиновой группы.
Виды
Виды металлов и сплавов, обладающие устойчивостью к повышенным температурам:
К материалам с высокими температурами плавления относится и хром. Благодаря своим уникальным характеристикам он применяется в различных сферах промышленности. Обладает повышенной устойчивостью к критическим температурам и коррозийным процессам. Однако стоит учитывать его хрупкость.
Свойства
Чтобы понимать, где лучше использовать материал, нужно знать свойства тугоплавких металлов. Из них изготавливаются детали для промышленного оборудования, техники и электроники. Характеристики тяжелых тугоплавких металлов будут описаны ниже.
Физические свойства
Тугоплавкие предметы не выдерживают ударов и падений.
Химические свойства
Эти материалы имеют некоторые недостатки. Главным из них является трудный процесс обработки и изготовления продукции из него.
Применение
Изначально тугоплавкие металлы использовались при изготовлении конденсаторов и транзисторов для радиоэлектроники. Количество их сфер применения увеличилось только к середине 20 века. Промышленной комплекс расширился до изготовления деталей для станков, автомобилей, самолётов и ракет.
Сплавы, выдерживающие воздействие критических температур, начали использоваться для изготовления посуды. Тугоплавкие металлы применяются в процессе производства строительных и соединительных материалов. Из них делают детали для бытовых приборов и электроники.
Самым тугоплавким считается вольфрам. Его температура плавления в 3390 градусов превышает показатели других материалов. Однако нельзя забывать про то, что при падении вольфрамовой детали с высоты, она треснет или разобьётся на отдельные части.
Остальные материалы с высоким показателем плавления, немногим отличаются от вольфрама. Используются в машиностроении, кораблестроении, ядерной энергетики, изготовлении промышленного оборудования. Их разработка и исследование продолжается и по сей день.
ТОП-5 промышленно-значимых самых тугоплавких металлов
Самый тугоплавкий металл: разбор понятия тугоплавкости + общие физические свойства элементов + 3 методики получения тугоплавких металлов + 7 популярных сфер применения + рейтинг тугоплавкости металлов.
В промышленности термин «тугоплавкий металл» весьма распространен. Благодаря физическим свойствам, группу веществ металлического типа ценят во всех металлургийных отраслях.
Да что там говорить, без открытия самого тугоплавкого металла наш мир не увидел бы лампочку в ее классическом виде еще десятки лет. В сегодняшней статье будут рассмотрены особенности тугоплавких металлов, их физические/химические свойства + области применения в различных областях промышленности и не только.
Что такое тугоплавкость металлов?
Суть термина должна быть ясна из самого словосочетания – это металлы, которые «туго» /тяжело плавятся. В большинстве научной и технической литературы, термин присваивается на основании минимальной температуры плавления химического элемента – от +2 200 градусов по Цельсию.
Важно: помимо основной пятерки тугоплавких металлов, преодолевающих отметку в 2 200, имеется и субподгруппа металлических веществ с температурой плавления в промежутке от 1 850 градусов до 2 2000.
Дополнительные химические элементы относятся к так называемой расширенной группе тугоплавких металлов – 9 веществ + 5 из основной группы. Существуют и другие металлы, у которых температура плавления входит в промежуток тугоплавких веществ, но они расположены в периодической системе за ураном (трансурановые).
В силу нестабильности изотопов + малого распространения по земной поверхности, трансурановые металлы не относят к группе тугоплавких.
Физические/химические свойства тугоплавких металлов:
Физические свойства тугоплавких металлов сильно отличаются из-за их принадлежности к различным группам. Все 100% элементов – тугоплавкие, но только 25% из них можно отнести к жаростойким. Подобное различие обусловлено сменой физических свойств при нагревании химического элемента. Металл может стать подвержен действиям агрессивных сред, таких как щелочи и кислоты. Детальнее по каждому из тугоплавких металлов будет ниже.
Самый тугоплавкий металл: 5 элементов группы + добыча/применение материалов
1) Получение и применение тугоплавких металлов
В 2020 году все еще не имеется высокотехнологично метода добычи тугоплавких металлов в чистом виде. Химические вариации имеют существенные недостатки, которые отображаются на продуктивности производства и качестве конечного продукта. О методах добычи тугоплавких металлов расскажет таблица ниже.
| Методика | Описание | Популярность (из 5 ★) |
|---|---|---|
| Восстановление через триоксид водорода | Многоэтапная технология производства металлического порошка, реализующаяся в многотрубных печах с постоянным поддержанием температурного режима на уровне 800-1000 градусов Цельсия. Наибольшее распространение способ добычи приобрел среди таких тугоплавких металлов как молибден и вольфрам. | ★★★★★ |
| Восстановление через водород перрената. | Алгоритм применяется в промышленном изготовлении рения. Температурный режим находится в пределах 480-520 градусов. На завершающем этапе производства происходит вымывание щелочи из стального порошка. Для этой цели применяется соляная кислота (раствор) + горячая вода. | ★★★ |
| Через металлические соли | Схема добычи используется при выделении тугоплавкого металла, молибдена. В качестве основы берется соль аммония элемента + его порошок. Второй добавляется на уровне 6%-16% от массы всей смеси. Полученный состав подвергается термообработке при температуре 550-900 градусов Цельсия в инертной среде. Далее, производится восстановление молибдена в водородной среде при режиме температуры в 820-980 градусов. | ★★★★ |
Получаемый порошок, перерабатывают в проволоку, арматуру, жестяные листы или фольгу путем уплотнения через специализированные плавильные печи. Наряду с нагревательным элементом, в конструкциях имеется прессовальные компоненты, которые из-за влияния высокой температуры способны деформировать материал как душе угодно. И все это из-за уязвимости некоторых представителей тугоплавких металлов к совокупному воздействию температуры и воздуха.
В рамках нашего государства, одним из крупнейших производителей порошка тугоплавких металлов является металлургийный завод Унеча. Предприятие сравнительно молодое, но его объемы производства растут стабильно каждый квартал. Основная специализация – чистый вольфрам + его карбиды.
Сферы применения тугоплавких металлов:
Не обошли тугоплавкие металлы и атомную энергетику. Трубы в ядерных реакторах, оболочки атомных электростанций и другие компоненты точек выработки электроэнергии при использовании термоустойчивых материалов становятся в разы безопаснее при ежедневном использовании со стороны человека.
2) ТОП-5 таблицы Менделеева из числа самых тугоплавких металлов
А) Рений (Re)
| Распространенность | ★★ (2.0 из 5.0) | Общая привлекательность в промышленности ★★★★★ 3.0 |
| Стоимость | ★★ (2.0 из 5.0) | |
| Применение | ★★★(3.0 из 5.0) |
Тугоплавкий металл, расположенный в периодической системе на 75 позиции. Занимает второе место по тугоплавкости в мире. Если рассматривать вещество в стандартных условиях, мы увидим плотную структуру и серебристый цвет с беловатым отблеском. Происхождение самого названия идет с Германии, а именно реки, в пределах которой вещество было впервые обнаружено – Рейн.
Обратите внимание: Менделеев заранее предсказал появление рения в таблице. Тогда он его называл «тримарганец». Вывод ученого основывался на аналогии свойств в периодической системе.
Официальное открытие рения произошла в 1925 году, что делает металл одним из самых молодых не только в рамках тугоплавких, но и масштабах всей системы. Автором открытия стал химик-немец Нодлак. Первый образец чистого химического вещества получилось выделить только в 1928 году, и то на один грамм пришлось тратить 650+ килограмм молибденита.
| Физические свойства | Химические свойства |
|---|---|
| Один их самых твердых материалов на земле (4 место). Плотность вещества составляет 21 грамм на кубический сантиметр. | Высокая устойчивость к составляющим воздуха при обычных условиях хранения/эксплуатации материала. |
| Температура плавления выше 3 200, а температура кипения выше 5 600 градусов Цельсия. | Умеренное окисление при температурах от 300 и сильное окисление при температуре от 600 градусов. |
| В чистом виде порошок рения обладает пластичностью, но после обработки показатели прочности резко идут вверх. Причина – большой модуль упругости вещества. Рений способен многократно выдерживать цикл нагрева-охлаждения без потери в крепости структуры. | Устойчивость к реакциям с азотными и водородными реагентами. Порошковый вид рения с водородом адсорбируется. |
| Удельное сопротивление металла выше его конкурентов по группе тугоплавких. | Во время нагревания вещества возможны реакции с кислотами на основе хлора и брома, но отношение к серной, соляной плавиковой кислотам инертное. |
Рений считается одним из самых редких металлов (да и веществ) на нашей планете. Стоимость 1 килограмма чистого вещества начинается от 1 300 и заканчивается 12 000 долларами. Ценник растет по мере увеличения чистоты порошка. Основными точками производства и добычи является Чили, США и Россия. Общий запас рения на 2020 год – 13 000 тонн, что позволит удовлетворять спрос на металл еще на протяжении 150-200 лет.
Области применения рения:
В отношении биологических процессов и жизнедеятельности человеческого организма, то здесь рений не при делах. Металл хоть и принадлежит группе тугоплавких, его применение в промышленности не столь распространено из-за недостатка в объемах и высокой стоимости использования.
B) Тантал (Ta)
| Распространенность | ★★★ (3.0 из 5.0) | Общая привлекательность в промышленности ★★★★★ 3.5 |
| Стоимость | ★★★ (3.0 из 5.0) | |
| Применение | ★★★★ (4.0 из 5.0) |
Тантал расположен на 73 позиции таблицы. В стандартных условиях – это очередной серебристо-белый металл без каких-либо внешних отличительных признаков. Иногда в оттенках тантала можно встретить голубоватый цвет, который появляется вследствие наложения оксидной пленки. Открытие металл произошло в 1802 году, химиком-шведом Экебергом, но выделить в чистом виде металл удалось только в 1844 году. Потому элемент и назвали «Тантал». Пластичная разновидность тантала впервые была выделена в 1903 году немцем Болтоном.
| Физические свойства | Химические свойства |
|---|---|
| Плавится при температуре в 3000 градусов, а закипает при 5 500 градусах. | Окисление происходит только при температуре выше 280 градусов по Цельсию. Если речь о галогенах, то температурный порог – это 250 градусов. |
| Невзирая на высокую плотность чистого вещества – почти 17 грамм на сантиметр кубический, пластичность тантала сравнима с золотом. | При повышении температуры вещества входит в реакцию с С, В, Si, P, Se, Те и множеством других химических элементов. |
| Металл является газопоглотителем (геттером). При температурах свыше 800, может поглощать до 800 объемов входящего газового вещества. | В чистом виде металл проявляет устойчивость к влиянию щелочных металлов в жидком виде, кислотам органического происхождения и множеству других агрессивных сред. |
| Обладает парамагнитными свойствами. | По уровню устойчивости к реагентам, тантал сравнивают со стеклом. |
| При температуре ниже 4,5 Кельвина переходит в сверхпроводящее состояние. | Вещество нерастворимо в большинстве кислот/кислотных смесях. |
Применение тантала в промышленности и обиходе:
Последние несколько лет тантал стал появляться и в украшениях. Обусловлено это его оксидной пленкой радужной расцветки. Метод добычи тантала – хлорирование, углеродное восстановление или электрохимический расплав. На одну тонну тантала с чистотой выше 80% уходит 3000 тонн руды.
C) Ниобий (Nb)
| Распространенность | ★★★★(4.0 из 5.0) | Общая привлекательность в промышленности ★★★★★ 4.0 |
| Стоимость | ★★★★(4.0 из 5.0) | |
| Применение | ★★★★(4.0 из 5.0) |
Элемент имеет 41 порядковый номер. Устаревшее название вещества – колумбий. Впервые металл открыли в 1801 году, выделив его из минерала колумбита. Вопросом занимался англичанин Хэтчет. Из-за сильной схожести свойств ниобия с танталом, его изначально считали за определенную разновидность второго. Свое нынешнее название элемент приобрел в 1844 году от немецкого химика Розе, который назвал металл в честь своей дочери.
Химические свойства ниобия:
Ниобий получают из комплексных руд в 3 этапа – вскрывается концентрат, распределение тантала и ниобия в смеси и рафинирование + восстановление элемента с его сплавами из полученной смеси. Основной промышленный метод производства – карботермический. У ниобия только один стабильный изотоп, все остальные – радиоактивны. Из этого вытекают физиологические особенности тугоплавкого металла – пыль раздражает кожу с глазами, токсичность, паралич конечностей при попадании в организм человека.
Области применения ниобия:
Основные месторождения ниобия расположены в США, Японии и Бразилии. На территории России ниобий добывают в пределах Кольских островов. Биологическая роль ниобия в настоящее время не исследуется, и для организма человека особой роли не имеет.
D) Молибден (Мо)
| Распространенность | ★★★★(4.0 из 5.0) | Общая привлекательность в промышленности ★★★★ 4.0 |
| Стоимость | ★★★★★ (5.0 из 5.0) | |
| Применение | ★★★★(4.0 из 5.0) |
| Физические свойства | Химические свойства |
|---|---|
| Высокая твердость вещества – по шкале Мооса твердость составляет 4.5 балла. | Хорошая устойчивость чистого вещества при комнатной температуре. |
| Уровень мягкости металла обуславливается уровнем его чистоты. | Окисление при повышении температуры свыше 400 градусов, а при превышении отметки в 600 процесс ускоряется в 10 раз. |
| Низкий коэффициент теплового расширения. | Электропроницательность по шкале Полинга составляет 2.16. |
| Плавиться металл начинает при температуре больше 2600 градусов, а закипает при температуре в 4 650 градусов Цельсия. | 5 разновидностей по степеням окисления – 2, 3, 4, 5 и 6. |
Самые крупные месторождения молибдена расположены в США, Мексике и Чили. В отношении России, молибден выпускают на специализированном заводе в Сорске. Выделилась и Армения – ее запасы молибдена составляют 7% от общемировых. Особенность тугоплавкого металла состоит в его концентрации среди космических тел. В красных гигантах имеется порядка 10% чистого вещества.
Биологическая роль молибдена в жизнедеятельности организма человека доказано в 1953 году. Элемент повышает действие антиокислителей, и является крайне важным веществом для нормального протекания процессов дыхания тканей. Недостаток молибдена в организме снижает защитные функции иммунной системы организма. Пыль из молибдена негативно влияет на дыхательные пути, вызывая неизлечимую болезнь – пневмокониоз.
Развернутое описание самого тугоплавкого металла в мире:
E) Вольфрам (W)
| Распространенность | ★★★★(4.0 из 5.0) | Общая привлекательность в промышленности ★★★★★ 4.5 |
| Стоимость | ★★★★ (4.0 из 5.0) | |
| Применение | ★★★★★ (5.0 из 5.0) |
Физические особенности свойств вольфрама:
В отношении химии, у вольфрама возможны валентности от 2 до 6. Наилучшие показатели устойчивости у шестивалентного. Материал обладает высокими антикоррозийными устройствами. В ряде напряжений вольфрам расположился сразу после водорода. Растворимость в соляной, низко концентрированной серной и плавиковой кислотах.
Рынок вольфрама в 2020 году предлагает за 1 килограмм самого тугоплавкого металла от 110 американских долларов. Если речь идет о низкопробном веществе, то можно надеяться на цену от 70 долларов. Биологической роли в организме человека вольфрам, сам по себе как элемент, не имеет.
Самый тугоплавкий металл
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+.
| 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:
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:
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:
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»:
Тонким слоем хрома и благородного родия покрывают поверхность изделий класса люкс, включая ювелирные. Процессы называются хромированием и родированием.
Как получают вольфрам?
В природе чистый вольфрам не встречается. Он входит в состав горных пород в виде триоксида, а также вольфрамитов железа, марганца и кальция, реже меди или свинца. По оценкам ученых содержание вольфрама в земной коре в среднем составляет 1,3 грамма на одну тонну. Это достаточно редкий элемент по сравнению с другими видами металлов. Содержание вольфрама в руде после добычи обычно не превышает 2%. Поэтому добытое сырье отправляется на обогатительные фабрики, где методом магнитной или электростатической сепарации массовая доля металла доводится до отметки 55-60%.
Процесс его получения разделяется на технологические этапы. На первом этапе выделяют чистый триоксид из добытой руды. Для этого используют метод термического разложения. При температурах от 500 до 800 градусов по Цельсию все лишние элементы расплавляются, а тугоплавкий вольфрам в виде оксида легко можно собрать из расплава. На выходе получается сырье с содержанием оксида шестивалентного вольфрама на уровне 99%.
Полученное соединение тщательно измельчают и проводят восстановительную реакцию в присутствии водорода при температуре 700 градусов по Цельсию. Это позволяет выделить чистый металл в виде порошка. Далее его спрессовывают под высоким давлением и спекают в водородной среде при температурах 1200-1300 градусов по Цельсию. После этого полученная масса отправляется в электрическую плавильную печь, где под воздействием тока нагревается до температуры свыше 3000 градусов. Так вольфрам переходит в расплавленное состояние.
Для окончательной очистки от примесей и получения монокристаллической структурной решетки используется метод зонной плавки. Он подразумевает, что в определенный момент времени расплавленной находится только некоторая зона из общей площади металла. Постепенно двигаясь, эта зона перераспределяет примеси, в результате чего в конечном итоге они скапливаются в одном месте и их легко можно удалить из структуры сплава.
Готовый вольфрам поступает на склад в виде штабиков или слитков, предназначенных для последующего производства нужной продукции. Для получения сплавов вольфрама все составные элементы измельчают и смешивают в виде порошка в необходимых пропорциях. Далее производится спекание и плавка в электрической печи.
Технология производства
Поскольку «чистый» вольфрам встретить в природе нельзя (он является составной частью горных пород), то необходима процедура по выделению данного металла. Причем ученые оценивают содержание его в коре Земли так – на 1000 кг породы всего 1,3 грамма вольфрама. Можно отметить, что самый тугоплавкий металл, является довольно редким элементом, если сравнить его с известными видами металлов.
Когда из недр Земли добывается руда, то количество вольфрама в ней составляет только лишь до двух процентов. По этой причине добываемое сырье идет на обогатительные заводы, где специальными способами массовую долю металла приводят к шестидесяти процентам. При получении «чистого» вольфрама процесс делится на несколько технологических этапов. Первый заключается в выделении чистого триоксида из добытого сырья. Для данной цели используется термическое разложение, когда самая высокая температура плавления металла составляет от 500 до 800 градусов. При данном температурном режиме лишние элементы поддаются плавлению, а из расплавленной массы собирается оксид вольфрама.
Далее получившееся соединение проходит этап тщательного измельчения, а затем осуществляется восстановительная реакция. Для этого добавляется водород и используется температура в 700 градусов. В результате получается чистый металл, который имеет порошкообразный вид. Затем идет процесс спрессовывания порошка, для чего применяют высокое давление, и спекания в среде из водорода, где температурный режим составляет 1200-1300 градусов.
Получившуюся массу отправляют в специальную печь для плавления, где масса нагревается электрическим током до отметки более 3000 градусов. То есть вольфрам получается жидким после плавления. Затем масса очищается от примесей и создается монокристаллическая ее решетка. Для этого используют способ зонной плавки – его суть состоит в том, что расплавленной на некотором промежутке времени является лишь часть металла. Этот метод позволяет осуществлять процесс перераспределения примесей, который скапливаются на одном участке, откуда их легко убрать из общей структуры сплава. Необходимый вольфрам имеет вид слитков, которые и применяются для производства необходимых видов продукции в разных отраслях деятельности.
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:
Приведенный перечень использования вольфрама в разных областях индустрии указывает на высокую ценность этого металла.
Что такое тугоплавкость металлов?
Суть термина должна быть ясна из самого словосочетания – это металлы, которые «туго» /тяжело плавятся. В большинстве научной и технической литературы, термин присваивается на основании минимальной температуры плавления химического элемента – от +2 200 градусов по Цельсию.
Дополнительные химические элементы относятся к так называемой расширенной группе тугоплавких металлов – 9 веществ + 5 из основной группы. Существуют и другие металлы, у которых температура плавления входит в промежуток тугоплавких веществ, но они расположены в периодической системе за ураном (трансурановые).
В силу нестабильности изотопов + малого распространения по земной поверхности, трансурановые металлы не относят к группе тугоплавких.
Физические/химические свойства тугоплавких металлов:
Физические свойства тугоплавких металлов сильно отличаются из-за их принадлежности к различным группам. Все 100% элементов – тугоплавкие, но только 25% из них можно отнести к жаростойким. Подобное различие обусловлено сменой физических свойств при нагревании химического элемента. Металл может стать подвержен действиям агрессивных сред, таких как щелочи и кислоты. Детальнее по каждому из тугоплавких металлов будет ниже.
Добыча и месторождения
В промышленных целях металл получают во время добычи руды, если ее предварительно обогащают. Во время этого процесса происходит флотация, дробление и шлифовка. Из полученного концентрата выделяют триоксид окиси, который восстанавливают до металла с помощью водорода и температурного воздействия.
Для получения материала используют 2 способа:
В природных условиях вольфрам встречается только в окисленных отложениях. Образуется материал из трехокиси с железом, кальцием, марганцем. Во время анализа состава иногда встречается медь, свинец и другие редкие элементы. Минералы обнаруживают в горных породах, они выглядят как мелкие вкрапления. Тяжелого металла в них содержится до 2%.
Самые крупные запасы обнаружены в США, Китае, Канаде, Казахстане. В России и Португалии тоже есть месторождения. Ежегодно в мире производится 50 тонн вольфрама. В чистом виде он почти не используется из-за своей редкости.
Характеристика
Тугоплавкие материалы переходят из твердого состояния в жидкое при высоких критических температурах. Этот материал плавится при температуре 3410 °C.
Вольфрам экологичен, имеет высокую степень прочности. Он устойчив к сильным нагрузкам даже после нагревания, благодаря чему используется в промышленности. Недостатков у металла не так много, но они существенные:
Помимо перечисленного, у металла наблюдается еще и повышенная плотность, из-за этого он подходит не для каждой отрасли производства.
В чистом виде материал почти не используется, он чаще выступает легирующей основой в сплавах с никелем, железом. Элементы добавляют для изменения физических свойств металла. С их помощью сплав станет более надежным, прочным и устойчивым к коррозии. В таких случаях вольфрама содержится не более 75%.
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.
Пороговые величины остальных соединений приведены ниже:
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
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.
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.
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
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
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.
Тугоплавкие металлы
Тугоплавкие металлы были выделены в отдельный класс благодаря объединяющему их свойству — высокой температуре плавления. Она выше, чем у железа, которая равна 1539 °C. Поэтому металлы данной группы и получили такое название. Они принадлежат к числу так называемых редкоземельных элементов. Так, например, по распространённости в земной коре ниобий и тантал составляют 3%, а цирконий только 2%.
По температурному показателю плавления кроме перечисленных, к ним относятся металлы, так называемой платиновой группы. Ещё их называют благородными или драгоценными.
Определённая схожесть строения атома обусловила схожесть их свойств. На основании этого можно обобщить некоторые черты проявления таких металлов в земной коре и определиться с технологией их добычи, производства и переработки.
Свойства тугоплавких металлов
За счёт того, что они расположены в соседних группах периодической таблицы, физические свойства у тугоплавких металлов достаточно близкие:
Физические свойства тугоплавких металлов
Химические свойства также достаточно схожие:
К основным недостаткам тугоплавких металлов относятся:
Производство тугоплавких металлов
Все способы производства тугоплавких металлов основаны на методиках так называемой порошковой металлургии. Сам процесс происходит в несколько этапов:
Применение тугоплавких металлов
Начиная со второй половины двадцатого века тугоплавкие металлы стали применяться во многих отраслях промышленного производства. Порошки тугоплавких металлов используются для производства первичной продукции. Тугоплавкие металлы вырабатывают в виде проволоки, слитков, арматуры, прокатного металла и фольги.
Отдельное место такие металлы занимают в технологии выращивания лейкосапфиров. Они относятся к классу монокристаллов и называются искусственными рубинами.
Изделия из тугоплавких металлов входят в состав бытовых и промышленных электрических приборов, огнеупорных конструкций, деталей для двигателей авиационной и космической техники. Особое место занимают тугоплавкие металлы при производстве деталей сложной конфигурации.
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:
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.
Молибден
По внешнему виду и характеристикам очень похож на вольфрам. Главным отличием является то, что его удельный вес почти в два раза меньше. Его получают аналогичным образом. Он широко применяется в радиоэлектронной промышленности, для изготовления различных испарителей в вакуумной технике, разрывных электрических контактов. Как и вольфрам, он является парамагнетиком. Для изготовления электродов стекловаренных (стеклоплавильных) печей он просто незаменим.
Ниобий
Температура плавления ниобия составляет 2741 °С. По своим химическим, физическим и механическим свойствам очень напоминает тантал. Он достаточно пластичен. Обладает хорошей свариваемостью и высокой теплопроводностью даже без дополнительного нагрева. Как и все остальные металлы его получают из порошка. Конечные заготовки из ниобия – проволока, лента, труба.
Сам металл и его сплавы демонстрируют эффект сверхпроводимости. Его широко применяют для изготовления анодов, экранных и антидинатронных сеток в электровакуумных приборах. Благодаря хорошей пористости, его успешно применяют в качестве газопоглотителей. В микроэлектронике он идёт на изготовление резисторов в микросхемах.
Ниобий хорошо себя проявил в качестве легирующей добавки. Используется при создании различных жаростойких конструкций, агрегатов работающих в агрессивных и радиоактивных средах. Из сплава стали и ниобия изготавливают некоторые элементы реактивных двигателей. Благодаря его свойству не взаимодействовать с радиоактивными веществами при высоких температурах, например, с ураном, применяется при изготовлении оболочек для урановых элементов, отводящих тепло в реакторах.
Тантал
Внешне имеет светло-серый цвет с небольшим голубоватым оттенком. Температура плавления близка к 3000 °С. Хорошо поддается основным видам обработки. Его можно ковать, прокатывать, производить волочение для изготовления проволоки. Эти операции не требуют значительного нагрева. Для удобства дальнейшего использования тантал изготавливают в форме фольги и тонких листов. Повышение температуры вызывает активное взаимодействие со всеми газами, кроме инертных – с ними никаких реакций не наблюдается.
Из тантала производят внутренние элементы генераторных ламп (магнетронов и клистронов). Он активно используется при производстве пластин в электролитических конденсаторах. Очень удобен для изготовления пленочных резисторов. Активно применяется для изготовления так называемых лодочек в испарителях, в которых осуществляется термическое напыление различных материалов на тонкие пленки.
Ввиду ряда своих уникальных качеств, считается незаменимым в ядерной, аэрокосмической и радиоэлектронной промышленности.
Рений
Был открыт позже всех из перечисленных ранее металлов. Он полностью оправдывает свое название «редкоземельный металл», потому что находится в небольших количествах в составе руды других металлов, таких как платина или медь. В основном его используют как легирующую добавку. Полученные сплавы приобретают хорошие характеристики прочности и ковкости. Это один из самых дорогих металлов, поэтому его применение приводит к резкому увеличению цены всего оборудования. Те не менее, его применяют в качестве катализатора.
Хром — уникальный металл. Широко применяется в промышленности благодаря своим замечательным свойствам: прочности, устойчивости к внешним воздействиям (нагреву и коррозии), пластичности. Достаточно твердый, но хрупкий металл. Имеет серо-стальной цвет. Весь необходимый хром извлекают из руды двух видов хромита железа или окиси хрома.
Основными его свойствами являются:
Он используется в металлургической, химической, строительной индустриях. Хром, как легирующая добавка, обязательно используется для производства различных марок нержавеющей стали. Особое место занимает при изготовлении такого материала как нихром. Этот материал способен выдерживать очень высокие температуры. Поэтому его используют в различных нагревательных элементах. Хромом активно покрывают поверхности различных деталей (металла, дерева, кожи). Это процесс осуществляется с помощью гальваники.
Токсичность некоторых солей хрома используют для сохранения древесины от повреждения, вредного воздействия грибков и плесени. Они также хорошо отпугивают муравьёв, термитов, насекомых разрушителей деревянных конструкций. Солями хрома обрабатывают кожу. Хром применяется при изготовлении различных красителей.
Благодаря высокой теплостойкости его используют как огнеупорный материал для доменных печей. Каталитические свойства соединений хрома успешно используют при переработке углеводородов. Его добавляют при производстве магнитных лент наивысшего качества. Именно он обеспечивает низкий коэффициент шума и широкую полосу пропускания.