Ученые открывают и создают новые материалы постоянно. Но иногда обнаруживаются такие вещи, что челюсть с грохотом падает на пол. Их нужно знать в лицо. От неописуемо легких твердых веществ, используемых NASA, до металлов, которые плавятся в руке, мы нашли для вас несколько невероятных химических веществ, известных и не очень. Быстренько по ним пробежимся.
Аэрогель: самое легкое твердое вещество
Этот удивительный гель представляет собой самое легкое в мире твердое вещество. С момента его изобретения в 1931 году американским ученым Самюэлем Кистлером, он использовался в космических миссиях для сбора пыли из хвоста кометы, госагентствами для разработки изолированных палаток и даже для изготовления одежды, которая защищает человека от экстремального тепла.
NASA назвало его «синим дымом», поскольку выглядит он как голограмма.
Крутым это вещество делают его парадоксальные свойства. Этот жесткий гель состоит по большей части из воздуха, поэтому весит мало, напоминая губку. При этом он отлично отталкивает тепло. Как видно на снимке ниже, он защищает цветок от сильного пламени.
Отдельные молекулы, которые составляют аэрогель, действуют подобно миниатюрным бейсбольным перчаткам — они улавливают быстро движущиеся частицы, не повреждая их. Это свойство оказалось крайне полезным во время миссии NASA Stardust.
Ученые наполнили силикатным аэрогелем массивный коллектор в форме ракетки, который находился снаружи на корабле Stardust. Его цель была в захвате хрупких частиц, остающихся после кометы Уайльд-2, не повреждая их. Поскольку аэрогель прочный и относительно прозрачный, ученые с легкостью обнаружили и извлекли частицы позже для анализа.
Предшественник аэрогеля структурно напоминает желе. Желатиновый порошок в желе образует гибкий, жидкий раствор при смешивании с теплой водой, после чего охлаждается до жесткой запутанной сети, которая химически напоминает непослушный мяч в упряжке, принимая установленную форму. Если вы нагреете желе, оно высохнет и вы снова получите порошок.
Аэрогель, с другой стороны, состоит не из желатина. Чаще всего его делают из кремния, самого распространенного минерала в земной коре Земли.
Влажный аэрогель проходит через цикл охлаждения и нагревания под давлением, что позволяет ему сохранять свою форму даже после высыхания. Получившийся аэрогель практически воздушный, твердый и очень легкий.
На ощупь он как пенополистирол. Аэрогель можно сделать даже самостоятельно, если знать как.
Галлий: металл, который плавится при комнатной температуре
Этот мягкий, блестящий и одновременно твердый металл довольно необычный. При низких температурах он принимает твердую форму. Но при нагреве до комнатной температуры он плавится в блестящую лужу.
До сих пор его основное применение было в сфере производства смартфонов, аэрокосмической области и в сфере связи. И хотя этот химический элемент присутствует в периодической таблице, в природе он не встречается. Его следы можно найти в цинковой руде и бокситах, из которых делают алюминий. Еще он имеется на Amazon, где его можно купить всего за 10 баксов.
И если вам удастся его раздобыть, держите его подальше от техники — он плохо влияет на другие металлы. Особенно это будет заметно, если алюминий на спинке вашего телефона поцарапан, что позволит галлию проникнуть глубже в металлическую решетку. Смотрите, что будет, если облить галлием поцарапанную крышку iPhone.
- Через несколько часов она полностью разложится.
Алмазные нанонити: возможная основа для космического лифта?
Это относительно новое рукотворное волокно из атомов углерода, выстроенных в зигзагообразную структуру, похожу на алмазную, может быть самым прочным и жестким наноматериалом из всех, что мы когда-либо делали.
Открытое в 2014 году, это волокно выявило силу, которая превосходит углеродные нанотрубки, еще один сверхпрочный и легковесный материал. При всем этом оно чрезвычайно тонкое. Всего три атома в поперечнике, гораздо тоньше человеческого волоса. Поскольку эта структура была открыта совсем недавно, ее состав еще должны подтвердить снимки высокого разрешения.
Свойства и поведение тоже нуждаются в более глубоком понимании, прежде чем ее можно будет производить в коммерческих масштабах. Но если все получится, эти алмазные нановолокна могут в теории стать достаточно прочными, чтобы лечь в основу кабеля для космического лифта. Другие кандидаты, например сталь, ломаются под собственным весом.
Ферромагнитная жидкость
Эта похожая на дикобраза кучка сверхтонких магнитных частиц — железа, как правило — это жидкость, которая начинает танцевать и выстраивать невероятные структуры при воздействии магнитного поля.
Каждая отдельная крошечная частица в феррофлюиде (ferrofluid) покрыта поверхностно-активным веществом, которое препятствует слипанию частиц вместе, и суспендирована в жидкости — воде, например.
Эти частицы не похожи на магниты на вашем холодильнике.
Это «парамагнитные» частицы, то есть становятся крошечными магнитами в присутствии магнитного поля, которые движутся и слипаются с другими крошечными магнитами в поле.
Ферромагнитная жидкость была создана в 1963 году ученым NASA Стивом Паппелом как прототип для ракетного топлива, которое должно было двигать космический аппарат после применения магнитного поля на нее. Самое странное в ферромагнитных жидкостях то, что они ведут себя одновременно как жидкости и как твердые материалы.
Жидкий металл: структура, свойства :
Сегодня уже поколебалось привычное представление о том, что металл в обычном состоянии – вещество твердое. Долгое время считалось, что единственное исключение из этого утверждения – ртуть, которая в жидком состоянии остается до -39° C. Ответ на вопрос о том, какой металл жидкий, не так однозначен.
Жидкие металлы в природе
На самом деле ртуть не является единственным в мире жидким металлом. Известны еще галлий, цезий и франций, которые находятся в жидком состоянии до +30° C.
Галлий очень широко применяется, например, в электронике. Кроме того, что он плавится при низких температурах, галлий, и это главное его достоинство, закипает при температуре не ниже 2230° C. Необычайно широкий интервал расплава дает возможность использовать этот элемент в работе атомных реакторов.
Не менее востребованным элементом является цезий, несмотря на то что его в земной коре крайне мало и добыча его затруднена.
А вот радиоактивный элемент франций, период полураспада которого составляет чуть больше 22 минут, образуется при распаде актиния, и до сих пор неизвестно, как он выглядит.
Даже ученые о нем знают очень мало, и знания эти накапливаются по крупицам.
Научные лаборатории проводят исследования этого элемента на образцах массой в одну десятимиллионную долю грамма, которая каждые двадцать две с небольшим минуты уменьшается вдвое.
То есть при температурах, немногим отличающихся от комнатной, жидкими металлами можно назвать четыре элемента периодической таблицы Менделеева, включая ртуть.
Строение металлов
В металлах атомы располагаются в строгом геометрическом порядке и образуют кристаллическую решетку. Их виды в разных металлах и сплавах различаются в зависимости от количества и расположения атомов.
- В расплавленных металлах атомы находятся в хаотическом движении, и связи между ними нарушаются.
- Обычный расплавленный жидкий металл из мартена – это всего лишь материал с кристаллической решеткой и обычными свойствами твердого тела при нормальной температуре.
При охлаждении жидкого металла начинается процесс кристаллизации, скорость которого возрастает с понижением температуры. Связи между атомами восстанавливаются, и образовывается кристаллическая решетка.
Нарушение целостности металла, например, образование ржавчины или трещин, происходит именно на границах между кристаллами.
То есть если не существует четких границ между кристаллами, меняются не только механические, но и электрические, и магнитные свойства металла.
Свойства жидких металлов
Ученые утверждают, что аморфные материалы могут быть прочнее кристаллических аналогов в десять раз, а их электрическое сопротивление выше в пять раз. Причем при нормальной температуре они способны сохранять свойства более ста лет, но высокую температуру переносят плохо.
Если жидкий металл из мартена охладить настолько быстро, что связи между атомами и кристаллами не успеют восстановиться, то получится вещество в аморфном состоянии, соединяющее в себе свойства металлов и жидкостей.
Оно обладает поверхностным натяжением и вязкостью жидкостей, а сжимается и отражает электромагнитные волны, как всякий металл. Структура жидких металлов – это хаотическое скопление атомов без жестких связей между ними.
Поскольку отсутствует кристаллическая структура, такие вещества обладают замечательными магнитными свойствами, высокими показателями прочности на растяжение и ударной вязкости.
Жидкий металл прочнее титана более чем в два раза, не ржавеет и может отливаться в форму, даже самую сложную, как любой пластический материал. При этом после отливки дополнительно обрабатывать изделие не нужно – у него четкие очертания и идеально гладкая поверхность.
Жидкие металлы на основе галлия
Сплавы на основе легкоплавких металлов, а их в мировой промышленности используется около тридцати, имеют температуру плавления меньше 70° С. Большинство из них химически активны и токсичны.
Сплавы на основе галлия, в которые в разных пропорциях входят индий, олово и цинк, плавятся при низких температурах, меньше 40° С, и не являются ни токсичными, ни химически активными.
В промышленности их используется всего восемь, но вариаций может быть значительно больше, в зависимости от процентного соотношения компонентов.
| Состав сплава, % | Температура плавления, °С | ||||
| галлий | индий | олово | цинк | ||
| 1 | 95 | 5 | 25 | ||
| 2 | 92 | 8 | 20 | ||
| 3 | 82 | 12 | 6 | 17 | |
| 4 | 76 | 24 | 16 | ||
| 5 | 67 | 29 | 4 | 13 | |
| 6 | 67 | 20,5 | 12,5 | 10,6 | |
| 7 | 62 | 25 | 13 | 4,85 | |
| 8 | 61 | 25 | 13 | 1 | 3 |
Эти сплавы жидкими металлами и являются. Они не токсичны, но специалисты рекомендуют при работе с ними соблюдать меры предосторожности и работать в резиновых или хлопчатобумажных перчатках.
Способы получения жидких металлов
Если не говорить о жидких металлах на основе галлия, то в первую очередь ученые искали возможность быстрого охлаждения расплавленного металла. Существует способ распыления металла с помощью устройства, напоминающего пульверизатор, тонким слоем на очень холодную поверхность.
Метод носит название «ионно-плазменное распыление». Используется и нанесение жидкого металла на вращающийся диск. В любом случае такими способами можно было получить узкие полоски металла, которые нельзя соединить между собой горячими методами, обычными для кристаллических веществ.
Следующим этапом было создание сплавов из металлов, которые друг с другом сочетаются плохо. Специалисты Калифорнийского технологического института разработали сплав с названием Liquidmetal. В состав жидкого металла входят титан, медь, никель, цирконий и бериллий. При остывании такого сплава кристаллизация происходит очень медленно, так как атомы металлов очень отличаются по размерам.
Применение жидких металлов
Жидкие металлы на основе галлия используются в системах пожарной сигнализации, в качестве теплоносителя в системах охлаждения с высокими рабочими температурами.
В период, когда сплав «жидкий металл» получали в виде узких ленточек, применение ему нашли при создании кодовой маркировки, предназначенной для борьбы с хищениями и использования в покрытии буровых труб для увеличения срока их службы.
Когда был создан Liquidmetal, его начали применять при изготовлении клюшек для гольфа. Расчеты показали, что такая клюшка передает мячу более мощное энергетическое усилие, чем обычная.
- Специалисты Liquidmetal Technologies участвуют в разработках ведущих производителей лыж и бейсбольных бит.
- В оборонной промышленности Liquidmetal может заменить обедненный уран в снарядах, пробивающих броню.
- В России из жидкого металла, полученного из расплава, охлажденного на вращающемся диске, стали изготавливать элементы и микропровода для особо чувствительной и точной аппаратуры, в медицинском приборостроении и электронной технике, фильтры для защиты ценных бумаг и банкнот от подделок и многое другое.
Жидкие металлы в качестве термоинтерфейса
- В измерительной технике, радиоэлектронных устройствах и бытовых компьютерах широко используется термоинтерфейс.
- Термоинтерфейс – это термопроводящее вещество, которое наносится тонким слоем между поверхностью, которую необходимо охлаждать, и устройством, предназначенным для отвода тепла.
- К нему предъявляются высокие требования:
- — постоянная консистенция, которая не изменяется при работе или хранении;
- — стабильность характеристик в рабочем диапазоне температур;
- — нетоксичность и негорючесть;
- — легкость нанесения и удаления с поверхности;
- — минимальное тепловое сопротивление.
Наиболее распространенным видом термоинтерфейса является теплопроводная паста, или, проще говоря, термопаста. Жидкий металл с высоким коэффициентом теплопроводности и другими свойствами как нельзя лучше соответствует предъявляемым к термопастам требованиям.
В компьютерах на печатных платах процессоров выделяется большое количество тепла. Поверх процессора устанавливается охлаждающий механизм (радиатор). Чтобы повысить эффективность отвода тепла и убрать воздушную прослойку между кулером и процессором, используются термопасты.
Продукты компании Coollaboratory
- Компанией Coollaboratory был разработан продукт, полностью состоящий из жидких металлов, без твердых частиц и неметаллических добавок.
- Жидкий металл Coollaboratory Liquid Pro — теплопроводящий материал с высокой теплопроводностью, внешне напоминающий ртуть, но нетоксичный, характеризуется высокой способностью к смачиванию многих материалов.
- Coollaboratory Liquid Ultra в виде пасты легко наносится кисточкой на теплораспределительную крышку процессора.
Coollaboratory Liquid Metal Pad представляет собой теплопроводящую прокладку, которая легко наносится на поверхность и плавится только при нагреве процессора.
Все эти жидкие металлы не могут работать при контакте с алюминием — радиатор должен быть выполнен из меди с никелевым покрытием. Производитель заявляет об уникальных показателях теплопроводности Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на этот жидкий металл отзывы неоднозначны, и многие пользователи выказывают сомнения в заявленных характеристиках.
Применение жидкого металла производителями смартфонов
В настоящее время в американской версии iPhone комплектуется инструментом для извлечения SIM-карты, говоря иначе, i-Скрепкой из жидкого металла.
Но такое уникальное вещество с возможностью принимать при незначительной массе любые формы, антикоррозионными свойствами и особенно высокой прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом восстановления можно использовать и для изготовления корпусов смартфонов, флешек и часов. В планах Apple – изготовление клавиши Home и сенсорной поверхности из жидкого металла.
Компания HTC тоже планирует использовать LiquidMetal при изготовлении корпусов смартфонов. Но эти данные являются неофициальными.
Зато компания Turing Robotics Industries (TRI) при создании уникального Android-смартфона Turing Phone использует для каркаса корпуса и рамки-окантовки дисплея сверхпрочный сплав из циркония, меди, алюминия, никеля и серебра, который в описаниях компонентов смартфона носит название liquidmorphium. Этот сплав значительно прочнее титана и эффективно выдерживает удары и особым образом отражает свет.
Трехмерная печать с применением жидкого металла
Специалисты Университета Северной Каролины подобрали такой сплав галлия и индия, который держит форму после печати. Тонкая пленка оксида удерживает напечатанную структуру из шариков и нитей, которая внутри остается жидкой. Используя технологию трехмерной печати, можно изготавливать эластичные гибкие провода, выдерживающие многократные растяжения и сжатия.
https://www.youtube.com/watch?v=QiGiIvZdwJY\u0026t=386s
Ранее австралийские ученые для создания металлических объектов, которые должны восстанавливать форму, использовали сплав галлистан на основе галлия, олова и индия с температурой плавления 19 °С и специальное порошковое покрытие.
Ученые считают, что такие изделия способны проявить себя в электронике.
Краски «жидкий металл»
Краски с таким названием, строго говоря, жидким металлом не являются.
Жидкий металл — краска из металлических пигментов, тонкоизмельченных порошков цветных металлов и сплавов алюминия, меди, цинка, бронзы.
К металлическим пигментам относятся золотистая бронза, медный порошок, алюминиевая и цинковая пудра.
Такие краски отличаются хорошим сцеплением с любыми поверхностями: пластиками, металлами, тканями, стеклом, гипсом, керамикой, деревом. Равномерно распыляются соплом от 0,2 мм и закрепляются лаками на водной основе.
Краска «жидкий металл» марки Maimeri («Маймери») на основе смолы разбавляется спиртом и служит для декорирования тонких поверхностей – бумаги, картона, дерева. Характеризуется дополнительной устойчивостью к износу и окислению.
Жидкий металл Viva («Вива») разбавляется водой и предназначен для росписи фарфора, фаянса, керамики, гончарных изделий.
Специальная краска была разработана специалистами Mercedes Benz для купе CL 65 AMG на основе тончайших алюминиевых пигментов. Такое покрытие хорошо отражает свет и интенсивно блестит.
В заключение можно сделать вывод, что понятие «жидкий металл из мартена» не является всеобъемлющим. Что еще можно отнести к данной категории материалов? «Жидкий металл» — название такое носят также искусственные сплавы и вещества в аморфном состоянии, обладающие свойствами металлов, в том числе цветом и блеском.
Легкоплавкие металлы – список, особенности и значение для человека
Однозначности в классификации этой группы металлов у специалистов нет. Их главное свойство содержится в названии – легкоплавкие металлы.
Что представляет собой
Как понятно из названия, легкоплавким считается металл с малой температурой плавления.
Но какова она?
В номенклатуре, принятой Международным союзом теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), термин «легкоплавкие металлы» отсутствует.
У специалистов единства тоже нет. Одни выставляют «порог плавления» в 500°С. Для других легкоплавким металлом является металл, расплавляющийся при менее 600°С.
Перечень
В соответствии с основной классификацией (температура плавления не более 500°С), к списку легкоплавов причислены следующие элементы:
Ртуть – самый легкоплавкий металл. Она единственная из группы плавится на морозе.
Галлий называют металлом, тающим в руках (нормальная температура тела человека выше точки плавления вещества почти на семь градусов).
Классификация
Легкоплавы подразделяются на две группы:
- Тяжелые легкоплавкие металлы – кадмий, кобальт, свинец, ртуть.
- Легкие легкоплавкие металлы – кадмий, олово, галлий, индий, таллий, полоний, висмут.
К драгоценным элементам причислен палладий.
Палладий
Легкие элементы полоний и висмут радиоактивны.
Висмут
Олово, таллий, свинец, цезий – мягкие легкоплавы.
Свинец
Самый мягкий легкоплавкий металл – цезий (0,2 по шкале твердости Мооса).
Где и как применяются
Для всех сфер применения решающее преимущество данной группы – низкая температура плавления.
Особенности использования
На основании этого свойства легкоплавких металлов определены способы использования:
- Мягкие легкоплавы – материал пайки микросхем. Пайка обычным припоем исключена, поскольку создает перегрев, который их расплавит.
- Гораздо чаще используются сплавы. Они легкоплавки, но плотные, прочные на разрыв, химически инертны.
- Самые востребованные соединения: свинцовые, оловянные, кадмиевые, цинковые, ртутные. А также с висмутом, таллием, индием, галлием как базисным компонентом.
Легкоплавкие сплавы – это конгломерат металлов с температурой плавления не выше «оловянной» (232°С). Нижний предел – минус 61°C. На таком холоде плавится амальгама таллия.
Области применения
Сферы применения материала: энергетика, машиностроение, электро-, радиотехника, химпром:
- Основа жидких теплоносителей, смазка.
- Выплавка моделей сложной конфигурации.
- Пожарный сегмент: термодатчики, клапаны тушения огня, другая аппаратура раннего оповещения о возгораниях.
- Основа термометров разных видов и предназначения.
- Верхний слой, предохранители, термодатчики микроэлектроники.
- Медицина. Материал протезов, фиксатор при переломах.
Это также проводники, антикоррозионные покрытия, компонент антифрикционных сплавов.
Используются уникальные свойства отдельных позиций из списка легкоплавов:
- Свинец – материал подшипников, предохранителей, аккумуляторов, оболочка кабеля. Это щит от радиоактивного излучения.
- Олово – защитный слой стали.
- Цинк – компонент латуней, анодное покрытие стальных изделий с высоким КПД.
- Галлий – заменитель ртути, сохраняющий вакуум в аппаратуре.
Легко плавящиеся сплавы образуют также щелочные металлы. На практике такие материалы используются мало из-за чрезмерной химической активности.
Влияние легкоплавов на организм человека различно:
- Без калия как удобрения растения чахнут, плохо плодоносят. В организме человека работает в дуэте с натрием. Под его контролем жизненно важные процессы.
- Микродозы кадмия содействуют метаболизму. Однако вещество, его растворимые соединения токсичны.
- Висмут токсичен, но безопасен для биологических организмов. Это радиоактивное вещество, поэтому аптечные препараты с ним нужно применять строго по инструкции.
- О токсичности галлия точки зрения противоположны – от малой до высокой степени. Но интоксикация веществом реальна.
- Бесполезные для человека как биологического объекта свинец и ртуть токсичны. Особенно опасна ртуть из разбившегося домашнего градусника.
На особом счету таллий. Мягкое серебристое с сероватой голубизной вещество – сильнейший яд. Его «вывела в свет» как средство получения наследства, решения других проблем Агата Кристи. Описание яда, технологии его применения содержит десяток романов королевы английского детектива.
Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака
Галлий
Галлий — это серебристо-серый металл с синеватым отливом, достаточно хрупкий. В природе в чистом виде он не встречается и является рассеянным элементом. Среднее содержание галлия в земной коре составляет 19 г/т.
Галлий содержится в минералах, преимущественно это сфалерит, магнетит, касситерит, гранат, берилл, турмалин, сподумен, флогопит, биотит, мусковит, серицит, лепидолит, хлорит, полевые шпаты, нефелин, гекманит и натролит. Достаточно редкий минерал галлит CuGaS₂ используют для выделения чистого галлия.
Кроме того, галлий может быть получен в качестве побочного продукта переработки бокситов.
Галлий плавится всего при 29,76 °C, поэтому он тает даже в руке. При температуре, близкой к комнатной, плавятся еще три металла: ртуть, цезий и рубидий. Но из-за высокой токсичности или реакционной способности их, в отличие от галлия, нельзя брать в руки.
Как был открыт галлий
Существование галлия было предсказано Д. И. Менделеевым в 1871 на основании сформулированного им Периодического закона. Менделеев дал этому элементу название «экаалюминий» и предсказал у него такие свойства как плотность, температуру плавления. Также Менделеев предсказал:
- характер оксида,
- связь в соединениях с хлором.
- что металл будет медленно растворяться в кислотах и щелочах;
- он не будет реагировать с воздухом;
- оксид экаалюминия M₂O₃ должен реагировать с кислотами с образованием солей MX₃;
- что он должен образовывать основные соли;
- хлорид обладает большей летучестью, чем ZnCl₂;
- что этот элемент откроют с помощью спектроскопии.
Менделеев оказался Ностардамусом в химии: когда галлий был получен, все предсказанные ученым свойства подтвердились!
В 1875 году французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран изучал сфалерит с помощью спектроскопии и обнаружил две фиолетовые линии, принадлежащие новому элементу. Год спустя ученый выделил новый элемент с помощью электролиза.
Этот элемент Буабодран назвал в честь латинского названия Франции — Gallia. Существует легенда, что в это название ученый вкладывал и другой смысл. Лекок созвучно с французским le coq, т.е. «петух» (на латыни gallus).
Буабодран как бы ненароком увековечил свое имя в названии нового элемента.
Изучая полученный галлий, Буабодран определил, что плотность отличается от предсказанной Менделеевым. Когда Менделеев узнал об этом, то написал французскому коллеге с рекомендацией перепроверить результаты. И как оказалось, не напрасно: первые данные Буабодрана действительно были неверными.
Области применения галлия
Бóльшая часть добываемого галлия используется для производства полупроводников. Арсенид (GaAs) и нитрид галлия (GaN) используются в электронных компонентах многих устройств, для создания интегральных схем, высокопроизводительных процессоров, микроволновых усилителей.
Арсенид галлия используется в различных электрооптических инфракрасных приборах. Арсенид галлия-алюминия применяется для создания инфракрасных лазерных диодов высокой мощности. На основе нитрида галлия и нитрида индия-галлия производят синие и фиолетовые лазерные диоды.
Кстати, лазер на нитриде галлия применяется в приводах Blu-ray дисков.
Фотоэлементы на основе арсенида галлия, фосфида и арсенида индия-галлия установлены на космических спутниках и марсоходах.
Галлий имеет интересную особенность: он сильно понижает температуру плавления сплавов, в которых содержится. При этом температура опускается ниже, чем у каждого компонента сплава по отдельности (эвтектические составы). Так, сплав Галинстан (68,5 % галлия, 21,5 % индия и 10 % олова) имеет температуру плавления -19 °С и используется в некоторых термометрах вместо ртути.
Галлий применяется и в медицине. В целом металл характеризуется низкой токсичностью и не выполняет естественной биологической функции.
Поэтому препараты на основе галлия могут применяться при лечении и диагностике раковых заболеваний (изотопы галлий-67 и -68).
Также галлий используется при лечении некоторых бактериальных инфекций: ион Ga³⁺ замещает Fe³⁺ в метаболических путях дыхания бактерий, вызывая их гибель. Препараты на основе галлия могут применяться при лечении малярии.
Еще галлий помогает обнаружить нейтрино-частицы, исходящие от Солнца. Как правило, выявление таких частиц — это весьма сложный и трудоемкий процесс. Галлий в составе регистрационной смеси повышает чувствительность анализа, а соответственно, и помогает зафиксировать нейтрино.
Детекторы GALLEX Национальной лаборатории Гран-Сассо содержат 12,2 тонны галлия-71. Они улавливают нейтрино, исходящие от Солнца, и превращают его в радиоактивный изотоп, излучение которого можно зафиксировать.
Подобные исследования также проводят в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария), где нейтрино-детекторы содержат 5 тонн жидкого галлия.
По температуре плавления галлия можно проверять термометры! Эта величина — 302,9146 K (29,7646 °C) – признана стандартом Международного бюро мер и весов.
В 2007 году с помощью пучков ионов галлия толщиной 7 нм в Simon Fraser University напечатали самую маленькую в мире книгу – Teeny Ted from Turnip Town. Книга получилась размером 0,07x 0,10 мм.
У галлия есть еще одно забавное применение: ложки из галлия, по виду не отличимые от алюминиевых, используют для фокуса с исчезающей ложкой. В горячем чае или кофе такая ложка попросту расплавится!
Источники:
Какой металл плавится при комнатной температуре
Привычным стереотипом является, что металл – это обязательно нечто тяжёлое, прочное, блестящее. Из металлов делают инструменты и механизмы, оружие и украшения. Металлы используют для защиты от непогоды и хранения пищи. Даже в язык проник стереотип — фраза «возьми какую-нибудь железяку» имеет вполне конкретный и ёмкий смысл.
Однако, твёрдые, прочные и жаростойкие далеко не все металлы. И вещества, такие как натрий, галлий, ртуть — находят необычные применения.
Сегодня, поговорим о десяти металлах с самыми низкими температурами плавления.
Олово (231°C)
Химический элемент, занимающий в периодической таблице юбилейное, пятидесятое место известен человечеству с древнейших времён.
Первые капли олова (латинское наименование Stannum) первобытные люди заметили в своих кострах ещё за 4 тысячи лет до нашей эры. Немудрено — ведь олово плавится при температуре всего при 231°C.
При этом дерево ещё только-только начинает обугливаться и робко гореть.
Литий (180°C)
Этот удивительный металл, открыли только в начале XIX века. Литий (Lithium, элемент №3) довольно легкоплавкий — жидкий метал температуры всего 180°C можно помешивать даже деревянной ложечкой.
Литий отличается очень малой плотностью — вдвое легче воды! Металл относится к группе щелочных и довольно активен химически (поэтому его так долго не могли открыть).
В современном мире литий широко используется для создания удивительных сплавов — твёрдых, лёгких и жаропрочных. Без лития не обходится ни одна современная электронная штучка. Ведь литий является ключевым компонентом компактных и ёмких аккумуляторов. А ещё, именно литий придаёт замечательный алый цвет фейерверкам.
Индий (157°C)
В конце XIX века химикам удалось открыть и выделить в чистом виде элемент, занявший в периодической таблице клетку №49. Индий (Indium) — довольно тяжёлый (почти как железо) металл, плавящийся при 157°C.
Этот материал поразительно мягок и пластичен. Мягче этого металла только тальк! Невероятное свойство сделало индий незаменимым в радиоэлектронике. Тонкие индиевые полоски, нанесённые на стекло, хорошо проводят электрический ток — но при этом совершенно прозрачны. Так делают уже привычные нам плоские экраны на основе «жидких кристаллов» (LCD).
Натрий (97,8°C)
Натрий (Natrium, 11-й элемент) может расплавиться даже в кипятке — 97,8°C. Но мы бы не советовали позволить даже маленькому кусочку натрия упасть в воду (хотя бы и ледяную). Щелочной металл натрий очень активен химически и немедленно реагирует, отделяя от молекул воды водород и превращаясь в сильнейшую щелочь.
При этом выделяется много тепла, которое тут же поджигает освободившийся водород. Взрыв и пожар! Такие материалы как натрий хранят в керосине, что исключает их контакт с водой и влагой воздуха.
Как очень активный элемент, натрий в том или ином виде присутствует вокруг нас в огромных количествах. Взять хотя бы хлорид натрия — обычная поваренная соль.
Продукты компании Coollaboratory
- Компанией Coollaboratory был разработан продукт, полностью состоящий из жидких металлов, без твердых частиц и неметаллических добавок.
- Жидкий металл Coollaboratory Liquid Pro — теплопроводящий материал с высокой теплопроводностью, внешне напоминающий ртуть, но нетоксичный, характеризуется высокой способностью к смачиванию многих материалов.
- Coollaboratory Liquid Ultra в виде пасты легко наносится кисточкой на теплораспределительную крышку процессора.
- Coollaboratory Liquid Metal Pad представляет собой теплопроводящую прокладку, которая легко наносится на поверхность и плавится только при нагреве процессора.
Все эти жидкие металлы не могут работать при контакте с алюминием — радиатор должен быть выполнен из меди с никелевым покрытием.
Производитель заявляет об уникальных показателях теплопроводности Coollaboratory Liquid Metal. Правда, на этот жидкий металл отзывы неоднозначны, и многие пользователи выказывают сомнения в заявленных характеристиках.
Калий (63,5°C)
Близкий родственник натрия — калий. Элемент №19 (Kalium) также бурно реагирует с водой, образуя щёлочь, и также легкоплавок — 63,5°C. А вот съедобных соединений калия почти нет, и в этом он полная противоположность натрию. Хотя в ограниченно малых количествах организму всё-таки необходим (микроэлемент).
В чистом виде калий практического применения не имеет. Но его многочисленные соединения с древних времён известны как удобрения, моющие средства, важные компоненты многих химических процессов.
Примечания[править | править код]
- ↑ Дриц М. Е., Будберг П. Б., Бурханов Г. С., Дриц А. М., Пановко В. М. Свойства элементов. – Металлургия, 1985. – 672 с.
- ↑ 1 2 Haynes, 2011, p. 4.122.
- ↑ Температура плавления очищенной воды была измерена как 0,002519 ± 0,000002 °C, см. Feistel, R.; Wagner, W.
A New Equation of e for H2O Ice Ih (англ.) // J. Phys. Chem. Ref. Data (англ.)русск. : journal. – 2006. – Vol. 35, no. 2. – P. 1021-1047. – doi:10.1063/1.2183324. – Bibcode: 2006JPCRD..35.1021F.
- ↑ Andrievskii R. A., Strel’nikova N. S., Poltoratskii N. I., Kharkhardin E. D., Smirnov V. S.
Melting point in systems ZrC-HfC, TaC-ZrC, TaC-HfC // Soviet Powder llurgy and l Ceramics. – 1967. – Т. 6, вып. 1. – С. 65-67. – ISSN 0038-5735. – doi:10.1007/BF00773385.
- ↑ Создан самый тугоплавкий на сегодня материал. indicator.ru. Дата обращения: 9 августа 2021.
- ↑ Lindemann FA (англ.)русск..
The calculation of molecular vibration frequencies (нем.) // Phys. Z. : magazin. – 1910. – Bd. 11. – S. 609-612.
- ↑ Жирифалько Л. Статистическая физика твердого тела. – М.: Мир, 1975. – С. 15.
- ↑ Гаврилин И. В. 3.7. Расчёт температуры плавления металлов // Плавление и кристаллизация металлов и сплавов.
– Владимир: Изд. ВлГУ, 2000. – С. 72. – 200 экз. – ISBN 5-89368-175-4.
Рубидий (39,31°C)
37-й элемент таблицы — рубидий (Rubidium) плавится всего при 39,31°C. Кусочек рубидия может растаять на блюдце как сливочное масло. Это лёгкий металл, его плотность лишь немного превышает плотность воды. Но реагирует с водой рубидий не менее бурно, чем его близкие родственники калий и натрий.
Рубидий удивителен своими химическими свойствами. Сам по себе щелочной металл очень легко вступает в разнообразные химические реакции.
Но при этом соли рубидия и его сплавы с другими металлами являются хорошими катализаторами реакций. То есть, значительно ускоряют процесс, при этом совершенно не расходуясь сами по себе.
Это делает рубидий ценным материалом для химической промышленности и радиоэлектроники.
Суть понятия самого легкоплавкого металла
Для специалистов больше знакомо понятие «тугоплавкость». Хотя слово «легкоплавки» и является антонимом в языковом аспекте, на практике – это один из пунктов к общей классификации в промышленности.
По своей сути, любой элемент, имеющий температуру плавления менее 600 градусов по Цельсию, называют легкоплавким. Некоторые источники ставят планку вхождения в группу еще ниже – до 500 градусов Цельсия.
Классификация металлов по плавкости:
Процесс плавления одинаковый для всех металлических элементов – либо внешнее воздействие, либо внутреннее. В первом случае – это расплавка в печах, а во втором – разогревание через пропуск электрического тока сквозь металл. Иногда используется индукционный нагрев в электромагнитном поле с высокой частотой.
Процесс плавки металла через призму науки:
В зависимости от температуры плавления, выбирают аппараты из сплавов, способных выдержать пиковые значения. Для легкоплавких металлов вопрос решается проще всего.
Второй весомый параметр – температура кипения металла. В 95% случаев она в 2 раза выше температуры плавления. Между собой эти две величины являются прямо пропорциональными + при снижении/увеличения давления на материал, снижается и его показатели плавления с кипением.
10 самых крепких металлов в мире
Цезий (28,5°C)
Очень мягкий серебристый металл буквально плавится в руках. При температуре 28,5°C цезий (Caesium) становится жидкостью и буквально утекает между пальцев. Но не вздумайте провести такой опыт! Из всех щелочных металлов элемент №55 самый химически активный (уступая лишь францию).
На открытом воздухе цезий моментально окисляется, образуя яркое пламя. А при попадании в воду просто взрывается. Цезий ухитряется поджечь даже лёд! Более того, образовавшийся при реакции с водой гидроксид цезия разъедает стекло — и потихоньку грызёт сосуды из золота и даже платины.
А вот в электронике такая активность цезия позволяет делать очень чувствительные фотоэлементы и часы поистине космической точности.
Франций (27°C)
Элемент, занимающий 89-ю ячейку периодической таблицы — франций (Francium) — очень похож на цезий. Франций плавится при 27°C, но до этого неимоверно активный щелочной металл ещё требуется сберечь.
Мало того, что франций бурно реагирует буквально со всем подряд — он ещё и очень радиоактивен! Буквально через полчаса от килограмма франция останется — хорошо если горстка — разнообразных сильно излучающих продуктов деления.
Впрочем, в таких количествах его никто никогда и не видел. Неудивительно, что в природе этот элемент один из самых редко встречающихся. Да и практического применения ему так и не нашлось.
Жидкие металлы в природе
На самом деле ртуть не является единственным в мире жидким металлом. Известны еще галлий, цезий и франций, которые находятся в жидком состоянии до +30° C.
Галлий очень широко применяется, например, в электронике. Кроме того, что он плавится при низких температурах, галлий, и это главное его достоинство, закипает при температуре не ниже 2230° C. Необычайно широкий интервал расплава дает возможность использовать этот элемент в работе атомных реакторов.
Не менее востребованным элементом является цезий, несмотря на то что его в земной коре крайне мало и добыча его затруднена.
А вот радиоактивный элемент франций, период полураспада которого составляет чуть больше 22 минут, образуется при распаде актиния, и до сих пор неизвестно, как он выглядит.
Даже ученые о нем знают очень мало, и знания эти накапливаются по крупицам.
Научные лаборатории проводят исследования этого элемента на образцах массой в одну десятимиллионную долю грамма, которая каждые двадцать две с небольшим минуты уменьшается вдвое.
То есть при температурах, немногим отличающихся от комнатной, жидкими металлами можно назвать четыре элемента периодической таблицы Менделеева, включая ртуть.
Галлий (26,79°C)
А вот серебристый металл галлий (Gallium — ещё до открытия элемента Д.И. Менделеев заранее оставил ему в таблице клеточку № 31) встречается гораздо чаще и нередко применяется просто для забав. Плавится он почти как цезий, при 26,79°C, но в остальном разительно отличается от своего «нервного» братца.
Внешне и по механическим свойствам галлий очень похож на алюминий. Лёгок, теплопроводен, в чистом виде довольно хрупок. Мгновенно образующаяся на воздухе плотная плёнка окислов так же хорошо защищает его от разрушения.
В чистом виде галлий практически не находит применения. А вот его соли и, особенно, легкоплавкие сплавы нашли широчайшее применение в ядерной физике, радиоэлектронике, измерительной технике.
Сплавы металлов
Чтобы проектировать изделия из сплавов, сначала изучают их свойства. Для изучения в небольших емкостях расплавляют изучаемые металлы в разном соотношении между собой. По итогам строят графики.
Нижняя ось представляет концентрацию компонента А с компонентом В. По вертикали рассматривают температуру. Здесь отмечают значения максимальной температуры, когда весь металл находится в расплавленном состоянии.
При охлаждении один из компонентов начинает образовывать кристаллы. В жидком состоянии находится эвтектика – идеальное соединение металлов в сплаве.
Металловеды выделяют особое соотношение компонентов, при котором температура плавления минимальная. Когда составляют сплавы, то стараются подбирать количество используемых веществ, чтобы получать именно эвтектоидный сплав. Его механические свойства наилучшие из возможных. Кристаллические решетки образуют идеальные гранецентрированные положения атомов.
Изучают процесс кристаллизации путем исследования твердения образцов при охлаждении. Строят специальные графики, где наблюдают, как изменяется скорость охлаждения. Для разных сплавов имеются готовые диаграммы. Отмечая точки начала и конца кристаллизации, определяют состав сплава.
Ртуть (-38,87°C)
Все мы хорошо знакомы со ртутью — даже сегодня, в век электроники, вряд ли найдётся хоть один человек, которому не измеряли бы температуру тела ртутным термометром. Но мало кто задумывается, что очень текучая тяжёлая серебристая жидкость — самый настоящий металл!
Да-да, элемент №80, Hydrargyrum, плавится на самом лютом морозе — температура кристаллизации ртути почти минус сорок градусов (-38,87°C).
Человечество знакомо со ртутью с древнейших времён. Ртуть находит широчайшее применение в технике, химии, металлургии. Этот элемент достоин отдельного, немаленького рассказа — а сегодня он гордо венчает наш рейтинг.
Загрузка...
